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論光伏逆變器設計選型中庸之道
2019-04-23

光伏逆變器競爭激烈,百花齊放,百家爭鳴,各個廠家都在費盡心機,讓自己的產品與眾不同,有的廠家以控制成本為主,價格上做到極低,有的廠家以控制功率密度為主,把尺寸做到極小,有的廠家著重提升效率,有的廠家喜歡新型器件,有的廠家追求自然冷卻,把無風扇進行到底。

光伏逆變器涉及電力電子,智能控制,機械結構,電能質量等多個學科,是一個系統工程,逆變器的體積、重量、效率、噪聲、電壓范圍、溫度等每一個參數指標都很重要,如果單純片面去追求某一兩個技術指標的完美,會犧牲逆變器的其它性能,造成綜合性能變差。

中庸思想貫穿中華五千年的文明史,其核心就是凡事不可太過,日中則移,月滿則虧,器滿則傾,水滿則溢,物極必反。中庸之道不是說不追求完美,而是在均衡的基礎上再追求完美,電子技術發展日新月異,新技術成為市場上銷售的新亮點,但并不是所有的新技術都完美無缺的,并不是所有的老技術都是過時的,新技術與舊技術也沒有絕對的界限。以適度超前為原則,均衡發展為目標,從實際出發,采取新老技術相結合的方式,從用戶的角度出發,在生命周期內實現收益最大化,才是逆變器設計選型中庸之道。

 

一、適度超前

1、功率模塊的技術突破讓組串式逆變器產生質的飛躍

2013年前,在地面電站使用集中式逆變器,分布式小電站使用組串式逆變器,隨著組串式逆變器功率越做越大,大型地面電站也開始使用組串式逆變器,有關兩種方案的爭論也一直沒有停過,兩種方案各有優缺點,集中式逆變器優勢中功率器件少,可靠性高,缺點是MPPT數量少,電壓范圍窄;組串式逆變器優勢是MPPT數量多,電壓范圍寬,缺點是功率器件多,可靠性低。

功率開關器件是逆變器最核心的器件之一,承擔電流的轉換工作,長時間工作在高溫,高電壓,大電流狀態,是逆變器最容易出故障的器件,每一個功率器件就是一個故障點。光伏逆變器中的功率開關器件主要是指分立器件功率MOSFET和功率模塊IGBT。早期的中功率組串式逆變器,一般采取分立器件,由于功率MOSFET電流都比較少,一般都采取多個器件并聯的方式。50KW逆變器采用分立器件來設計,需要60多個,這么多開關器件堆在一起,會產生一系列的問題。如均流,電磁干擾等等。

大家都知道,功率開關管的失效模式是過壓,過溫,過流。分立元器件由于器件多,元器件之間距離比較遠,所以電路雜散電感大,造成工作時尖峰電壓高,元器件容易出現過壓損壞;多個元器件并聯,阻抗不一致,每一個元器件電流就不一樣,阻抗低的元器件電流大,很容易過流;分立器件單端固定,接觸面積小,散熱很難保持一致,很容易過溫。

早期的采用分立元器件的中功率組串式逆變器,在運行過程中出現過多故障,讓人們對中功率組串式逆變器的前程提出了懷疑。不過直到Vincotech和infineon先后推出了包含多個元器件的功率模塊改變了這一現狀。

下圖為Vincotech專為中功率組串式逆變器推出的IGBT功率模塊,前級升壓采用雙Boost功率模塊,由2個IGBT和4個二極管組成,包含boost模塊的開關器件和二極管外,還包含跨接二極管。電壓為1200V,電流為50A,一個模塊相當于8個分立器件。模塊具有很高的靈活性。由于把大功率的Boost電路一分為二,它在得到Boost電路的升壓、高效優勢的基礎上,通過選擇雙Boost電路的并聯方式(直接并聯、交錯正向并聯、交錯反向并聯)和占空比的大小,可以取得理想的雙Boost電路紋波和減少磁性元器件體積。

BOOST功率模塊

后級采用高效MNPC三電平IGBT模塊,由4個50-80A的IGBT組成,一個模塊相當于8個分立器件。采用中點鉗位型的T型三電平結構,損耗低效率高,元器件承受的電壓低,壽命長。

三電平功率模塊

 

相對于MOSFET,IGBT飽和壓降低,容易實現高壓、大電流化,在中大功率逆變器占主導地位。而IGBT模塊比分立的IGBT單管具有更高的可靠性和安全工作區。光伏逆變器前級采用雙BOOST升壓的IGBT功率模塊,后級采用三電平IGBT功率模塊,是目前中功率光伏逆變器最佳的方案。

1)減少功率器件的個數,50KW采用功率器件來設計只要5個,數量比同規格的集中式逆變器還少,而采用分立器件來設計,前級升壓需要15個,后級三電平逆變需要48個。整體面積縮小30%以上,可以提高整機功率密度。

2)單個功率模塊的安裝面積比分立元器件散熱面積大,在安裝上也有很多優勢,雙端緊固,一體化專用夾具,相對于分立器件單端固定,接觸面積更大,應力更小,可靠性更好。功率模塊內部集成一個溫度感應器,測量精度高,能更準確地檢測器件結溫,有利于過熱保護。

3)IGBT和母線電容連接導線會產生雜散電感,在IGBT關斷的過程中,由于電流快速變化,在IGBT上產生電壓尖峰,會造成嚴重的電磁干擾,增大器件電壓應力。寄生電感會隨著電流的增加、連接導線尺寸增大、距離增長而增大。功率模塊結構緊湊,各功率開關器件之間連接線很短,可以減少電路中的雜散電感,提高逆變器的可靠性。

4)1200V 的IGBT和1200V的SIC二極管相結合,開關頻率更高,可以提高效率,減少電感的容量。

5)相對于分立器件,功率模塊不足之處是單位面積熱耗大,整體散熱面積小,功率在30KW以上如果采用自然冷卻的方式散熱,在環境溫度高于40度時,會出現過熱保護。但采用強制風冷的方式散熱,就可以完全避免這個問題。

 

2、薄膜電容讓組串式逆變器不再有短板

逆變器作為電子產品,電容是最基本的元器件,直流母線支撐電容主要作用是儲能和濾波,要承受很高的脈沖電流和脈沖電壓,是逆變器壽命最短的器件之一,直流母線電容現在有鋁電解電容和薄膜電容兩種,各有優勢,電解電容的主要優勢是單體容量大,價格低,薄膜電容優勢是單體電壓高,但也有很明顯的優勢。

電解電容的壽命一般是2000~3000小時,長壽命的有5000~6000小時,并且容易發生漏液;薄膜電容壽命一般是100000小時以上。而且薄膜電容還具有自愈效應,電容內部微小部分產生短路時,短路產生的能量會融熔和蒸發損壞的電極,從而使該短路點再次處于絕緣狀態。

電解電容耐壓值一般為500-550V,薄膜電容耐壓值一般為1000-1300V,薄膜電容能承受2倍于額定電壓的浪涌電壓的沖擊,能長期承受反向脈沖電壓。

因此,從壽命和可靠性的角度考慮,薄膜電容可以完勝電解電容。

 

3、包含運維的監控系統為安裝商解除后顧之憂

光伏電站監控現在有兩種形式,一是第三方監控平臺,如淘科,英臻,二是逆變器廠家開發的監控平臺。這兩種各有好處,采用第三方監控平臺,可以監控多家公司的逆變器,適應于有多個廠家的安裝公司;逆變器廠家開發的監控平臺只能監控自己公司的逆變器,有局限性,但好處也明顯,界面更有針對性,故障處理更快,遠程升級更方便。

古瑞瓦特自主開發的監控設備和云平臺,操作簡單方便,界面友好,即便沒有經驗的人,5分鐘內也可以注冊成功,通過監控系統可以查看每一臺逆變器的運行情況,界面友好,更重要的十分方便,客戶最關心的逆變器工作狀態、實時功率、每天發電量,就放在每一臺逆變器下面,如果哪一臺機有問題一目了然,在線客戶系統還可以提供主動服務,發現問題、故障預警、問題遠程診斷和處理功能。

光伏系統出現故障時,先查看出故障逆變器的報警信息,再根據信息找到相應的故障處理方法,大部分問題都可以當場解決。如果還解決不了,可以選擇向客服提問,服務器端在線客服會耐心解答,如果是系統軟件問題,可以遠程在線升級,如果是逆變器硬件問題,在線客服會第一時間轉到客服中心,相關的技術工程師診斷后,會決定采用維修或者換機最快解決方案。

總結:采用功率模塊和母線薄膜電容的組串式逆變器,兼具了集中式逆變器功率器件數量少,薄膜電容壽命長,整體可靠性高的優點,和組串式逆變器MPPT電壓范圍寬路數多、逆變器體積小重量輕搬運安裝方便等優點。因此說功率模塊的出現,在新技術出現之前,可以讓組串式逆變器和集中式逆變器之間的路線之爭暫時告一段落。

古瑞瓦特2016年下半年推出的Growatt 30000TL3-S到Growatt 50000TL3-S中功率系列逆變器,全部采用功率模塊和母線薄膜電容,配置組串檢測,熔絲保護,交直流防雷模塊,防PID模塊和AFCI模塊。經過近半年的應用,得到了客戶的高度評價。

 

二、均衡之道

1、散熱方案與體積重量的選取

組串式逆變器散熱方式主要有自然冷卻和強制冷風兩種,自然冷卻:散熱效果差,高溫環境下出現降額運行,導致發電量損失,影響投資方收益。強制冷風:散熱效果優,有利于延長逆變器的使用壽命,并保障高效工作。強制冷風采用的風扇又分為高速風扇和中速風扇兩種:高速風扇,優點是減少散熱器的體積和重量,缺點是增加噪聲,風扇使用壽命較短;中速風扇,優點:風扇的使用壽命長,缺點是散熱器較大。

 

目前市面上國內逆變器廠家有以下方案:

A、大面積自然散熱。采用分立器件,把熱源分散,散熱器體積很大、很重,逆變器尺寸做得很大,60KW逆變器重量可以達到約70kg。這種方案的缺點是成本高,安裝和維護不方便,如果是安裝在屋頂,搬運是一件很困難的事。

B、自然散熱。同時又為了縮小體積,采用了降額設計,實際最大輸出功率比型號宣稱功率小。這種方案一般在逆變器周圍環境溫度達到50度以上時逆變器就會開始降低輸出功率。這種方案的缺點:一是組件配板少,二是在夏天中午發電高峰期間,逆變器安裝在室外,周圍環境溫度很容易超過50度,降額輸出會造成發電量的損失,嚴重影響客戶的收益。

C、強制高速風冷,為了做到全球體積最小重量最輕的逆變器,采用業界最高速的散熱風扇。這種方案在安裝運維方面的好處比較明顯,但同時缺點也明顯:風扇運轉聲音特別大,特別尖銳;風扇的壽命很難保證,高速風扇的選型很考究,一般的風扇規格都會定義多少度環境溫度下可工作多少小時,需要選擇一款高性能的風扇確保在各種嚴苛的環境下長期工作;為了散熱方面的要求,受輸出電流的限制,輸出電壓設計偏高,元器件的耐壓選型如果裕量不足,會使得元器件會經常工作在超負荷的狀態,影響元器件壽命。

D、智能風冷,采用中速的散熱調速風扇,散熱器稍微大一些,但是在低功率時,風扇不轉自然散熱,在中功率時風扇低速運行,高功率時全速運行強制風冷,實際是逆變器滿功率運行時間不是很多,因此風扇的壽命可以很長,這個方案兼顧自然散熱聲音小和強制風冷體積少的優點,又克服了自然散熱體積大重量重和強制風冷噪聲大的缺點,是目前最合適的方案。

 

2、MPPT路數與發電量及效率

如果組件不一致、組件安裝角度,或者朝向不一樣,從解決失配的問題角度來說,MPPT數量越多越有利,因為如果其中一路MPPT的組件出了問題,不會影響其它路的組件,是不是MPPT路數越多,實際發電量就越高,這就不一定了,需要從實際情況出來辯證的看待;從穩定性和效率上來說,MPPT的數量越少越好,因為MPPT數量越多,系統成本越高,每一路電流越小穩定性越差,損耗越多。

1)功能損耗:MPPT算法很多,有干擾觀察法、增量電導法、電導增量法等等,不管是哪一種算法,都是通過持續不斷改變直流電壓,去判斷陽光的強度變化,因此都會存在誤差,比如說當電壓實際正處于最佳工作點時,逆變器還是會嘗試改變電壓,來判斷是不是最佳工作點,多一路MPPT,就會多一路損耗。

2)測量損耗:MPPT工作時,逆變器需要測量電流和電壓。一般來說,電流越大,抗干擾能力就越大,誤差就越少,2路MPPT比4路MPPT電流大1倍,誤差就少一倍。如某公司50KW的逆變器,使用開環直流電流傳感器HLSR20-P,電流為20A,誤差為1%,當輸入電流小于0.5A時,誤差就經常發生,當輸入電流小于0.2A時,就基本上不能工作了。

3)電路損耗:MPPT主電路有一個電感和一個開關管,在運行時也會產生損耗。一般來說,電流越大,電感量可以做得更小,損耗就越少。

 

下圖是在兩個不同的地方,選擇不同MPPT逆變器實際發電量的示意圖文并茂,由圖可以看出,在平地無遮擋光照好的地區,兩種逆變器發電量相差不多,在山地或者屋頂有遮擋光照條件一般的地區,雙級多路MPPT的逆變器發電量高。

 

逆變器MPPT技術的多樣性,給電站設計帶來了極大的便利。結合實際,科學設計,不同的地形,光照條件,選擇不同的逆變器,降低電站成本,提高經濟效益。復雜山丘電站和多面屋頂電站,存在朝向不一致和局部遮擋的現象,且不同的山丘遮擋特性不一樣,帶來組件失配問題,建議選擇2路以上MPPT逆變器,可以增加早晚發電時間。比較平的山丘電站和中大型屋頂電站,建議選擇2路MPPT逆變器,可以兼顧系統穩定性和發電量;平地無遮擋,光照條件好的地區,建議選擇單路MPPT,單級結構的逆變器,可以提高系統可靠性,降低系統成本。

三、安全至上

在光伏系統運行過程中,由于組件的質量,外部環境影響或者安裝施工操作不當,會造成組件損傷,電路故障等問題,光伏電站一般安裝在荒郊野外,或者屋頂,自然環境惡劣,不可避免會遇到天災人禍,臺風,雪災,沙塵等自然災害會損壞設備,老鼠等小動物咬壞設備,電纜也有可難被小偷剪斷。電站的安全性非常重要。

組串監控,監控光伏輸入每一個組件的電壓和電流,在光伏系統運行過程中,由于組件的質量,外部環境影響或者安裝施工操作不當,會造成組件損傷,電路故障等問題。如果沒有組串監測功能,有些小問題前期檢測不到,最后造成大問題;有些問題需要專門人員去現場排查,時間長,發電量損失大。

PID效應(Potential Induced Degradation)全稱為電勢誘導衰減,PID直接危害就是大量電荷聚集在電池片表面,造成電池片表面鈍化,使得組件功率衰減,發電量減少,太陽能發電站的電站收益降低。通過在逆變器中集成PID防護模塊,可以有效的避免組件發生PID現象,減少電站發電量損失。同時,PID模塊具有修復功能,可以對已發生PID問題的組件進行修復,使組件各項指標參數恢復正常。

直流電弧檢測,火災是光伏電站經濟效益損失最大的事故,如果是安裝在廠房或者民居屋頂上,還很容易危及人身安全。光伏電站一旦發生火災,不能直接用水來滅火,首先要以最快的速度切斷電源,光伏電站中的火災事故因素很多,直流拉弧是主要的原因。古瑞瓦特公司推出一種電路保護裝置AFCI,其主要作用是防止故障電弧引起火災。它有檢測并區別逆變器在啟?;蜷_關時產生的正常電弧和故障電弧的能力,發現故障電弧后及時切斷電路。

直流熔絲不可或缺,由于器件選型不當、安裝方式不對,或者熔絲質量問題,在一段時間內,光伏電站直流側熔絲故障事故頻發,給客戶造成一定的損失,其實這些問題并不是熔絲本身有問題,現在已有解決方案,有的逆變器生產廠家就因此取消了直流端熔絲保護,改為采取每路MPPT中只有兩路組串并聯,和使用防反二極管作為過電流保護。

熔斷器作為一種過電流保護器件,在系統出現短路故障時,能以最快速度切斷故障回路,避免更大的損失,光伏電站一般安裝在荒郊野外,或者屋頂,自然環境惡劣,不可避免會遇到臺風,雪災,沙塵等自然災害,老鼠等小動物咬壞電纜造成絕緣破損,接頭松動等天災人禍。直流熔絲在光伏系統中不可或缺,完全取消直流熔絲保護,是一種不負責的做法。

逆變器系統由多路MPPT輸入回路組成,每路MPPT接兩路組串,各光伏組串通過Boost升壓電路后并聯在一起,前級Boost升壓電路一般都并聯旁路元件,目的是當電壓升高到一定值后將Boost升壓電路旁路,提高系統的效率,這時候就相當于只有一路MPPT,前級所有的回路都連到一起,如此時某一路發生短路,電壓會下降,其它組串的電流就會流到這一路,造成短路的回路電流擴大幾倍,如果沒有熔斷器保護,就會引起火災。

 

逆變器的熔絲設計選型和安裝要注意以下幾點,可以有效減少熔絲無故障熔斷帶來的影響。

1)熔斷器要選擇正規生產廠家的合格產品,合適的額定電流,電流過小容易誤判,電流過大起不到保護作用。

2)熔斷器安裝地點選用進風口,溫度低的地方,

3)熔斷器不裸露,外部有防電弧罩,以防止熔斷器產生電弧起火


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