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科士达杜成瑞博士:先进光伏逆变技术发展展望

2017-12-07 10:57来源:北极星太阳能光伏网关键词:CTO逆变器光伏发电收藏点赞

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深圳科士达科技股份有限公司的杜成瑞博士:开始简单与大家介绍科士达光伏产品线,与大家一起探讨单相和三项逆变器的先进技术以及案例分享。:

科士达的光伏逆变产品在2009年进入,截止去年年底光伏逆变器累计出货量超过10GW,主流的逆变器市场占有率15%。截止到现在光伏逆变器出货量超过16GW。提供的解决方案是市场上逆变器的解决方案提供最完整的公司。针对组串式的逆变器有单相和三相的,八千到60千瓦,直流1500伏的系统有80-180千瓦。针对更大功率的等级有室内机、集装箱式的逆变房,容量可以覆盖一兆瓦到四兆瓦。为了提供更加方便的安装和逆变器与生压一体机集成了生压电。我们有400V和800V的汇流箱,有1000V和1500V的直流汇流箱。国家电网推出了光伏逆变器的AAA认证,检测电压穿越和电能质量等众多项目,科士达是首家在组串式逆变器通过认证的企业,标志着我们已经完全具备未来的大功能并网的要求。

   对于单相逆变技术的理解和努力。目前单相逆变器主要应用场景有居民户用、户级扶贫、小型商用屋顶和小型车棚。目前客户对逆变器最核心的需求,高发电量,因为发电量意味着回报。高发电量对应就是要有高效率,主要分为两部分,一部分是组件的效率,一部分是逆变器。科士达主要专注做逆变器,关心的是逆变器的效率,低体积和重量,在逆变器的安装要花一定的成本,当逆变器体积和重量大的时候,安装难度比较高,要求我们做高功率密度的逆变器。对不同的产品,希望它的价格尽量合理,需要我们不能太复杂的拓扑,复杂的拓扑意味着要有更多的开发器件,成本会明显的上升。目前更多的还是需要用一些常规的器件,用好的材料做到高效率,成本比较高。

  从需求分析逆变器的组成。逆变器可以分为两部分,半导体开关网络和滤波器。半导体的开光网络,光伏组件发过来是直流电,通过半导体开关网络进行高频的切换变成高频的调制波,通过滤波器把高频调制波里的高频成分去除掉,得到了纯净的交流电可以发到电网上或供逆变器使用。我们知道经过第一个网络半导体开关网络会产生一定损耗,我们叫做开发损耗。经过第二部分的滤波器又会有损耗,电能在这两部分会流失掉一部分。开关网络的损耗在整个的损耗里占主要的位置,如果损耗高对应逆变器的效率会下降。我们希望减少它的体积,提高它的功率密度。滤波器的体积占比较大的部分,因为它主要都是一些电容等组成。提高逆变器的效率,首先要减少半导体开关网络的损耗和减少滤波器体积。

传统逆变器遇到的瓶颈。开关网络在工作时,开关器件不影响,在每次开和关时,电流和电压都会出现一定的交流的区域。以传统的逆变器来讲,每次开关的时候都会有开通损耗,对应并联的二极管很难恢复损耗;关闭时同样电压电流存在交流面积,会有部分的损耗。损耗与开关的次数成正比,传统的逆变器里希望减少它的体积,我们的方法是提高开关频率。但随着你开关频率的提高,整体的损耗就会增加,整个逆变器的效率就会下降。传统的逆变器想提高效率,又想减少体积是矛盾的。我们采用了软开关逆变器技术,在器件开通时电压和电流是没有交流面积的,这是通过电路的手段来克服器件本身性能上的缺陷。通过软开关以后,那可以完全消除开通时的损耗,以及二极管的很难恢复损耗。并且在开关的时候,可以大大减少关断的损耗。在原有的电路采用相同的器件基础上,可以大幅度地提高开关频率。减少滤波器的体积和重量,兼顾高效和小型化。现在的产品可以完全消除掉开通损耗,完全消除反向恢复损耗,实现全范围的软开关。滤波电感量减少80%,尺寸减少75%,而且实现了业界最高的100KhZ超高开关频率,是主流产品的5倍。刚才介绍传统技术面临瓶颈,小型化和高效率之间是矛盾的关系。我们把逆变器几个关心的指标主要在三个维度。第一个是效率,第二个是价格优势,第三个是功率密度。传统的逆变器效率不算高,功率密度也不算高,最主要的原因就是要平衡效率和体积,两点都没有办法做到极致。唯一的优势就是价格便宜,因为电路的结构比较成熟,器件成本不会特别高。解决方法有几种,采用能宽禁带器件,比现在用的硅基的器件更理想。宽禁带器件成本很高,采用宽禁带器件可以在效率上比较好,功率密度上也可以有提升,但价格会处于非常明显的劣势。目前来说对市场的接受程度会比较有困难。采用多电平技术,开关网络会产生高频的调制波,多电平技术的原理是调制波通过增加多的电平,本身更接近谐波。需要小一点的滤波器就可以得到比较好的正谐波。不增加开关频率的情况下,可以减少滤波器的体积。但带来的问题,为了产生多级的电平需要非常复杂的拓扑和增加显著的器件数量,相当于增加电路的复杂性。它的特性可以归结到右上角的图上。软开关技术,它的拓扑非常简单,与现在常用的拓扑一致,只需要增加简单的辅助电路就可以。它的拓扑简单,成本非常低。右下角的图,它的效率可以完全达到产生宽带器件的效果。我们的开关频率可以做到非常高,那它的功率密度很高,也可以达到采用宽禁带技术的功率密度。它的价格和传统的逆变器是一致的。

  三个逆变器技术。三相逆变器目前主要应用在大型的工业屋顶,包括村县级扶贫,鱼光互补、农光互补。对于三相组串式的逆变器,现在市场最核心的需求还是高发电量,市场很多的产品光伏逆变器效率对三相逆变器而言比较高,现在主流的水平都在峰值99%的水平。我们一方面会继续找技术提高它的效率。现在尤其在特殊的地带,比如山地和房屋屋顶,它的安装是急需能够减轻逆变器重量的体积,减少安装的难度。现在很多的房顶逆变器因为比较重,至少需要两个人来抬上去。之前遇到一个案例,科士达做了西藏的项目,它的海拔4000多米以上。这个地方车开不上去都得靠人来扛,60多公斤的逆变器很难安装,需要降低体积和重量。

针对三相的组串式逆变器,第一个方法就是利用多电平加调制改进是目前主流市场的技术。好处是通过多电平可以减少开关动态损耗,减少滤波器需求。效率和体积上可以达到相对平衡的点。采用多电平带来的负面效果是妥协开关静态损耗,采用的电平越多,电流需要的器件数量就会越多,所以静态损耗更高。妥协系统复杂度。系统的复杂度相当于采用的器件更多,它的控制会更加复杂。采用宽禁带器件+软开关技术,大功率设备里宽禁带器件的成本不敏感,可以在其它的维度大幅度降低成本。好处是超高的开关频率和高效率,紧凑尺寸。

我们发现如果采用另外一种调制方式,可以在重载时效率有更多提升。但另外一种DPWM模式,它的效率会低一点。我们采用智能的切换方法,最高的功率点交叉的地方切换不同的调制方式,可以使得效率提升达到0.2%。软开关+宽禁带器件的方法,传统的基础上增加了辅助电路,实现软开关的特性。宽禁带器件以SiC  MOSFET为例,它是高耐压、开关损耗比较低、开关速度高,用在高压大电流的场合下也有问题,电磁干扰非常严重。如果不精心设计的话会影响电路正常工作,对设计器件的驱动和PC布局非常苛刻。这是单极性的器件,适合用软开关技术。器件无电导调制,需要精心设计它的拓扑,让导通的损耗降低。利用宽禁带器件的方案以后,它的滤波电感重量可以将到1/7,一个人可以轻松拿起来。

逆变器采用软开关技术是非常好的方式减少成本,也可以显著增加逆变器性能指标的方案。目前科士达逆变器分布全国各地,高海拔、高温、严寒、强风沙等环境,谢谢大家。

(发言为现场速记整理,未经嘉宾审核)

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