光伏逆变器降成本之潜规则

光伏逆变器降成本之探讨 — 效率篇前言： 风电前车之鉴， “十一五”期间，在国家发改委推动下，一系列扶持和鼓励风电发展的政策密集出台。风电行业也因此迎来了爆发性增长。按照“十一五”初期的规划，“十一五”期间的装机量是 500 万千瓦，到了 2007 年底，目标调整到 1000 万千瓦。但最后的结果是，整个“十一五”的装机量超过了 4000 万千瓦。 5 年间，中国的风电装机总量达 4182.7 万千瓦，连续 5 年翻番增长， 跃居全球第二。 全国建设中的千万千瓦级风电基地从一个增加到 7 个， 24个省、自治区建立了自己的风电场。在这些政策中的刺激下， 很多公司一哄而上进入风电行业， 风电中老牌企业扩大生产规模，新进来的公司为了占领市场，大打价格战，成本一降再降，产品质量也越来越差，更谈不上研究新技术。直到 2011 年初，发生数次风电脱网事故， 直接导致国家收紧风电产业政策， 国内多个风力发电项目停止审批， 提高风电行业的准入标准。曾经风光无限的风电行业，如今面临停产，降薪，裁员的尴尬境遇。风电事故的发生， 是我国行业中的一个通病， 在某一行业火爆时就一拥而上，不管实力行不行， 先抢到一块蛋糕再说， 而买家不去注重质量和技术更新， 只关注价格是不是最低， 这样下去肯定会出现事故， 整个行业就会急剧萎缩， 大批量的相关企业倒闭， 然后再出现新一轮产业洗牌。 而最终坚持下来的企业也是元气大伤， 需要长时间的“舔伤口”。 而倒闭的企业又使一大批人员失业， 成为当地就业环境恶劣中的一员。正文 ： 光伏产业的冬天已经到来， 光伏产业链上的各个厂家都在绞尽脑汁拼命削减成本， 以应对客户越来越狠的降价要求， 作为光伏逆变器产业链上最具技术含量的天之娇子 — 光伏并网逆变器， 也未能幸免， 500KW 并网逆变器的价格，已从 2009 年的 2.0 元每瓦降到如今的 0.5 元每瓦， 逆变器生产厂家在降低利润的同时， 也对光伏逆变器价格比较贵的元器件进行的替代甚至取消， 以保证整机的价格下降。 然而， 由于光伏逆变器在光伏电站的特殊地位， 有些逆变器生产厂家的降成本措施， 已经严重危害了整个行业。 因为在光伏电站中， 逆变器的成本不到 10%，损耗却占 80%以上，光伏电站发电效率 90%由逆变器来控制，考核逆变器的方法， 不能光靠价格， 更重要的是看逆变器的实际发电能力。 现在国内生产逆变器的厂家多达 300 家，最终能留下来有影响力的厂家也就 10 来家，到底哪些企业会最终生存下来， 哪些企业会率先出局， 笔者认为： 只有坚持回到产品质量路线， 有社会责任感， 有道德底线， 有持续改进能力的公司才是最终的胜利者。 笔者从事光伏逆变器设计 5 年多， 从一个系统工程师的角度， 向大家揭密一些不良厂家降成本的内幕。MPPT 效率之谜， 在光伏逆变器的技术规格书里， 大多数厂家都有 MPPT 效率这个指标，有些标为 99%，有些甚至标为 99.9%， MPPT 效率目前还没有可靠的仪器去测量，做认证也不需要测量，其实， MPPT 效率是决定光伏逆变器发电量最关键的因素， 其重要性远超过光伏逆变器本身的效率， 现在国内外光伏逆变器在相同的条件下对比发电量，相差可能高达 20%，这个差异的主要原因就是MPPT 效率。 有不懂 MPPT 的同学可以先百度 MPPT 的基本原理和实现方法。 笔者主要向大家揭密 MPPT 效率的计算方法和来源， MPPT 的效率等于硬件效率乘以软件效率， 硬件效率主要由电流传感器的精度， 采样电路的精度来决定的， 软件效率主要由采样频率来决定的， MPPT 实现的方法有很多种， 但不管用哪种方法， 首先要测量组件功率的变化， 再对变化做出反应。 这其中最最关键的元器件就是电流传感器， 它的精度和线性误差将直接决定硬件效率， 而软件的采样频率也是由硬件的精度来决定的。 目前电流传感器有开环和闭环两种， 开环的电流传感器线性精度 99%，总测量误差 2%，闭环的电流传感器线性精度 99.9%，总测量误差 0.5%，这里面是什么意思，我向大家解释下，如果采用开环电流传感器，组件功率发生 1%的变化， 逆变器根本就测不出来， 由于开环电流传感器误差大，所以采样频率也要降低， 否则会发生振荡， 所以软件的效率也只能达到 99%， 也就是说，使用开环电流传感器的逆变器，它 MPPT 极限效率只有 98%，而采用使用闭环电流传感器的逆变器，它 MPPT 极限效率可达到 99.5%。在市面上，开环电流传感器比闭环电流传感器大约便宜 30%， 现在社会有些不良厂家， 为了降低成本，采用价格低的开环电流传感器，但对外宣称 MPPT 效率还能超过 99%，严重误导广大 EPC 和业主，损害人们的利益，这种不耻行为必将遭到人们的唾弃，成为光伏市场率先出局的厂家。逆变器本身效率主要由功率开关器件如 IGBT 和磁性器件如变压器和电抗器来决定的，功率器件的选择性较少，使用各种方案对系统效率的影响也较少。磁性器件是定制性器件，材料选择性很广，选用产品不一样，价格会相差很大。磁性元器件的损耗包括铜损和铁损， 铜损是线圈损耗， 随着电流呈线性变化， 线圈现在主要材料有铜和铝， 铜的损耗相对较少， 但价格太贵， 现在大型逆变器上基本上不用铜做磁性材料了， 铝的价格便宜， 损耗相对较大， 但可以加大面积减少损耗。铁损主要是磁心损耗，是空载损耗，恒定的损耗，目前工频机广泛使用的材料是硅钢片， 硅钢片又分取向和无取向两种， 取向硅钢片要求高， 价格是无取向硅钢片的两倍， 但损耗仅为取向硅钢片的三分之一， 而且取向硅钢片对电流谐波有明显的抑制作用， 现在社会有些不良厂家， 为了降低成本， 磁性元器件采用无取向的硅钢片， 这种做法直接的后果就是整机效率降低， 电流谐波加大， 在阴雨天等低照度天气下， 根本就发不出来的电， 在低功率运行时， 电能质量很差。光伏逆变器降成本之探讨 — 寿命篇前言： 光伏电站设计寿命是 25 年，其中组件和其它器件的寿命应该可以达到，逆变器作为光伏电站的核心器件，设计寿命也应该到达 25 年。从逆变器系统上看到， 寿命瓶颈是 PCBA 板和逆变器的心脏部位 — 逆变模块。 PCBA 由于技术限制，寿命很难达到 25 年，但由于 PCBA 价格不高，重量轻，一般放在容易更换的位置，所以相对好处理。逆变模块由 IGBT，散热器，母排，直流支撑电容组成。 IGBT 现在随着技术的发现， 如果系统设计得好，寿命可以到 25 年，直流支撑电容现在普通采用金属薄膜电容，寿命可以到 25 年，所以最关键的因素只有散热器和母排， 这两个器件如果采用的器件不一样， 成本也相差非常大， 但寿命也相差很大。 散热器寿命的控制点是鳍片和基板的连接工艺， 母排寿命的控制点是正负极之间的局部放电电流， 这两个关键点能处理好， 寿命也就不成问题。下章我将就这两个问题向大家揭密正确的处理方法应该是怎么的， 不良厂家为了节省成本又是怎么处理的，以用所造成的严重后果。光伏逆变器最关键母排是指从 IGBT 到直流支撑电容这一段的母排， 这就好比人体心脏周边的大动脉和大静脉，因为这一段电流大，频率高，温度高，其电气性能核心技术是减少杂散电感， 因为杂散电感会产生尖峰电压， 尖峰电压越高，对 IGBT 的损伤就越大，系统的损耗也越大。母排机械性能核心技术是减少局部放电，提高母排的寿命。减少杂散电感常用的方法有三个： 1 是电流正极和负极之间的距离尽可能短， 2 是电流正极和负极方向尽可能上下叠加， 3 是电容到IGBT 之间的距离尽可能短。局部放电是由正负极之间的气隙造成的，所以在尽量减少气隙，方法有两个： 1 母排和绝缘片之间的粘合越紧密越好，不留下任何气隙，所以要选用好的粘结材料， 2 母排和绝缘片之间要非常干净，不能有任何灰尘和脏污。现在正规生产厂家一般采用叠层母排，成本比较大，但性能优良，寿命长。叠层母排是把正负极铜排、绝缘片、粘胶有机地结合在一起，它的杂散电感少，寿命长。而社会上一些不良厂家，为了节省成本，直接用正极铜排，负极铜排和绝缘片叠加在一起， 减去粘胶的工艺， 这样做成本减少了大约 30%， 后果短时间3、 5 年也看不出来，但 5 年过后，逆变器的性能会大大降低，原因有 2 个： 1母排的杂散电感会越来越大，系统的 EMC 干扰也越来越高， IGBT 会经常受到损伤， 2 母排的局部放电会越来越大，因为母排和绝缘片之间没有粘结在一起，肯定会存在气隙， 而且气隙会越来越大， 最后造成绝缘性降低， 而绝缘层的损坏，对逆变器而言，将是灾难性的。通过世界上著名调查 BCC 报告，目前大部分电子元器件失效的 55%的原因是由于散热做得不好。散热器是由基板和鳍片组成， IGBT 装在基板上， IGBT在运行过程中会产生大量热量，通过基板传到鳍片上，再通过流动的空气带走。散热器的核心技术有两个： 1 基板尽可能平整，和 IGBT 接触可靠性高； 2 基板和鳍片之间的热阻尽可能少。 基板的平整度现在大都可以达到， 通过好一点的加工中心， 表面精飞一刀就可以了。 难度就大的成本最高的是基板和鳍片之间的连接，目前连接工艺有 4 种：机械压合，环氧树脂粘接，锡焊，铜焊。其中机械压合设备投资小，速度快，加工成本低；环氧树脂粘接，锡焊这两种工艺设备投资小，但加工工艺较复杂，速度慢；铜焊设备投资大，加工工艺复杂，速度慢。所以采用铜焊工艺的散热器价格要比采用机械压合工艺的散热器贵 30%左右。 从散热技术上来看， 采用机械压合工艺的散热器， 基板和鳍片之间连接面积小， 所以热阻大， 而且随着时间的推移， 基板和鳍片连接部位会发生形变， 热阻会越来越大，采用这样散热器稳定工作寿命为 5 年左右， 5 年之后热量会越来越集中在基板上散不出去， 10 年后基本上就报废了。而采用铜焊接工艺的散热器，由于铜的散热效果比铝好， 所以基板和鳍片之间的热阻就非常少， 接近本体， 寿命也可达 20 年之久。结论 ： 现在光伏行业竞争已进入白热化， 企业为了生存而采取各种手段。 为了降低成本而不择手段，造成这一后果最根本的原来就是国家金太阳的补贴政策，采用“事前补贴”的政策，使业主不会去重视产品的性能，只关心产品的价格。光伏逆变器作为光伏系统核心器件，其成本比例已不到系统总成本的 10%，如果光伏逆变器发电量提高 1 个百分点， 相当于逆变器的价值提高 10 个百分点。有数据统计， 现在国外优秀逆变器比国内普通逆变器发电量相差达 20%， 但国内的市场优秀的逆变器公司反而难以生存， “ 劣币驱逐良币” ， 但技术差距越来越大，值得欣慰的是国家政策的制订者已经注意这个现象了， 光伏补贴政策可能很快由“事前补贴”转为“度电补贴” 。那些靠低成本占领市场而产品性能低的公司终究会退出的。