2015年光伏逆变器现状及未来趋势分析

我们现在逆变器的应⽤用主要就是分成四块,⼀一个是荒漠电站,还有⼀一些⼭山丘、 ⻥鱼塘等等⼀一些⼟土地的附加利⽤用,第三个是⼯工商业屋⾯面,最后是家庭电站。这些 电站规模逐步在减⼩小,荒漠电站规模最⼤大,家庭主要在4000万以下。从四个应 ⽤用当中我们现在光伏逆变器这⼏几年技术发展⾮非常快,在分类上⾯面出现了这四种 形态,第⼀一个是我们所谓的集中逆变器,给它定义是将光伏组件⼤大规模串并联 以后集中逆变馈⼊入电⺴⽹网。组串逆变器是针对每⼀一串光伏组编逆变馈⼊入电⺴⽹网,微 型是针对每⼀一块光伏组件逆变后独⽴立馈⼊入电⺴⽹网,功率优化其是每⼀一个组建采⽤用 直流汇总。

技术现状,具体表现五个⽅方⾯面,光伏逆变器⾼高度依赖于电⼒力电⼦子和微电⼦子技术 的发展,如果没有新型的功率器件,没有新型的半导体器件,如果没有⾼高速的 性能优越的微处理器,我们这个逆变器是⽆无法去实现更⾼高的性能,主要围绕着 如何提⾼高光伏组件,光伏⽅方阵的运⾏行效率,减少损耗,提⾼高可靠性,以及整个 光伏其他的PID等等,还有遮挡灰尘等等,对逆变器本⾝身来说,聚焦于如何减 少⾃自⾝身的损耗和提⾼高设备可靠性。普遍采⽤用较为复杂的控制技术,以及现代控 制⾥里⾯面的⼀一些算法。现在也是基本着眼于如何提⾼高电⺴⽹网的安全性,友好性,并 提供⼀一些智能的服务和技术。现在技术性围绕这五块也做了⼤大量创新,做了⼤大 量⼯工作,我们看右边的图,我们的光伏逆变器就是⼀一个桥梁,在我们的可再⽣生 能源和电⺴⽹网之间,要做好这个桥梁的⼯工作。

⺫⽬目前的技术⽔水平,转换效率做到97%到99%,MPPT效率做到98%到99.9%, 单机最⼤大功率现在有2.5兆⽡瓦,电路结构主要⺫⽬目前是以两电平为主少量为三电 平,冷却⽅方式⻛风棱为主,少量为⾃自冷,液冷,功率器件以IGBT为主,少量的碳 化硅器件,在⼯工信部⽀支持下,最近碳化硅器件国产也有些突破。现在⺫⽬目前电压 等级在1000伏以内。

产业的情况,⺫⽬目前依然是SMA是全球的逆变器的⻰龙头⽼老⼤大,ABB收购了Power- One,是⺫⽬目前的第⼆二。阳光逆变器去年出货量是全球第⼆二,只是出货量,但是 销售数额⼀一排就前五名也达不到了,因为我们卖的太便宜了。

逆变器各种应⽤用情况,这⾥里引⽤用了IHS去年年底的⼀一个报告,我们可以看⼀一 下,组串逆变器也好,微型逆变器也好,⼤大型的逆变器也好,在全球市场当中 基本上来说还是有⼀一定的共性,就是超过某⼀一定功率的⼀一般来说是配备⼀一些⼤大 型的逆变设备,在中国市场上由于⼤大量的都是⼤大型电站,主要还是以集中逆变 器为主,组串逆变器发展也是⽐比较快。

其中逆变器应⽤用情况,是随着规模的扩⼤大,它的⽐比例没有下降,功率等级是不 断提升当中,⺫⽬目前主⼒力机型都在1兆⽡瓦左右,有单个的也有并联的。组串性逆 变器,⺫⽬目前的现状是组串逆变器发展⾮非常快,特别适合⽤用在中⼩小型项⺫⽬目当中, 特别是屋顶,⼭山坡、家庭电缆等等,最⼤大优势在多云的⽓气候,我们光伏电站接 ⼊入电⺴⽹网标准⾥里⾯面规定了功率变化率的上升率,上升率可以控制,通过逆变器的 调节,我是可以把功率限制的,所以上升率是可以限制的,但是如果来了云块 功率下降了怎么办,不管是组串逆变器也好,⼤大型逆变器也好,功率下降了突 然就下降了,这是电⺴⽹网受不了的地⽅方,为什么装储能。在多云天⽓气来的时候, 组串逆变器特别有优势,因为云块可能有的地⽅方没到达,那个地⽅方可以⼤大量发 电,还有运输⽅方便,出现故障也不可能⼤大⾯面积发⽣生停电。还有⼀一个很重要的直 流路径⽐比较短,直流保护成本低。直流是容易拉弧的,很容易发⽣生⽕火灾,逆变 器发⽣生在组进的跟前有这个好处。

下⾯面⼏几点是它不⾜足的地⽅方,它的单位造价是⾼高的,运⾏行管理,由于台数太多了, 有的⼀一个电站有⼏几千台,这样的话电⺴⽹网友好性差,⽐比如⼀一些限电的,储能的, 穿越的,这些要求也能实现,但是⽐比较费劲,转换效率相对低⼀一些,电⺴⽹网容易 发⽣生⼀一些谐振,还有沙尘、严寒,特别是眼光底下暴晒等等,还有待克服。

组串逆变器分为三类,单向、⼩小型的,还有双向,相等⽐比较热⻔门的微型。组串 逆变器的发展其实⾮非常快,我们看这三款逆变器的转换效率都⼤大于99%,这个 在很多⼈人认为是不可能实现的事情,现在都基本上实现了。最⾼高是99.15%。也 有⼀一些新型的拓扑电路结构⽀支撑⾼高效的创新活动,这个我不多说了。

组串逆变器功率在不断增⼤大,我们看了前⾯面是40千⽡瓦单机的,到后来都是60千 ⽡瓦单机,在不久将来可能还会有更⼤大功率的,单机功率的加⼤大主要还是为了分 摊每⽡瓦的成本,当然逆变器的通讯技术也是越来越发达,多能⽀支撑,3G甚⾄至 4G,甚⾄至⼀一些互联⺴⽹网。现在在⽇日本在德国,在澳⼤大利亚,⼤大量的装备储能的系 统,⽇日本去年到今年,安装了⼏几⼗十万套带家庭储能的光伏发电系统。接下来⼀一 块就是微型逆变器,这个微型逆变器在美国市场上占了⾮非常⼤大的⼀一个份额,但 是⾮非常奇怪也只有在美国市场是有这么⼤大份额,主要有⼀一个著名的作⽤用,微型 逆变器公司是在美国,它的优点是它不可能发⽣生这种失配的情况,因为每⼀一件 组件都有⼀一个逆变设备,这也正是它的缺点,转换效率现在只做到96%,另外 每⽡瓦成本都在两三块钱,现在⼤大功率产品每⽡瓦是三⽑毛钱,这个基本上接近3块 钱。

给⼤大家介绍⼀一个新的技术,既然是微型逆变,为什么还要升压呢,把交流电压 串联起来,还真是有⼈人做这样的事情,五年前我去申请这样⼀一个专利,结果发 现现在真有⼈人做这样的事情,这个东⻄西特别好⽤用,但是前提是你怎么把它所有 的东⻄西,交流怎么串联,当然新的技术也在不断的派⽣生出来。 

第三点,我讲讲技术趋势。电⼒力电⼦子逆变设备,我们要关注的就是如何把⾃自⾝身 的设备和我们系统的性价⽐比提上去,从直流侧,从逆变侧,从电⺴⽹网侧,从系统 ⾓角度做些布局。我们看看发展的轨迹,这是以我们阳光为例的,下⼀一代的⼤大家 可以看看从明年开始,这种氮化镓碳化硅的器件,三电平多电平的转换电路, 主平现在有1000兆的公共机的主平也在做这样的设备,使得这个设备做起来变 得⾮非常容易。我预测下⼀一代逆变设备基本上是⽆无损,⽆无损的话转换效率达到 99%,这个肯定能达到,但是下⼀一个⺫⽬目标是99.5%,基本上来说要把太阳能过 来宝贵的效率基本都⽤用上,99.5%,我想未来五年⼀一定能突破。

右边列⼏几个新的器件,新的这些器件,碳化硅器件,把开关频率可以做到 5000,做到这么⾼高,电感电容都是不需要的,储能很⼩小⼀一点点成本⼤大幅度降 低,动态性能也得到改善。我们的电⼒力电⼦子技术,围绕着我们的逆变设备主要 就是需要有⾼高性能的DSP,拓扑,新型的算法,和⼀一些改进。

⼩小功率的,⼤大功率的,三电平、四电平、五电平,常规的只有两个电平,不是 零就是⼀一,如果创造出第三个电平是多少呢,肯定是正负0.5,正负0.5怎么 来,就是通过开关器件,通过直流侧中间的分压产⽣生第三个电平,产⽣生第三个 电平最⼤大的好处就是谐波⼤大量减少,电流⼤大量降低,成本⼤大幅降低,转换效率 提⾼高。我们准备做1500伏的直流系统,从今年开始,欧洲美国已经开始在安装 ⼀一些电站,不是现在1000伏了,是1500伏的直流有两个好处,所有现在城市 轨道交通,全部是1500伏,可以共⽤用这1500伏的技术。我们现在电站做的越

来越⼤大,要提⾼高发电效率,降低损耗,限⽔水这块要特别关注,所以下⼀一步要提 ⾼高到1500伏,提⾼高到1500伏其实很简单,关键是这些开关组件、绝缘、电缆 等等,如果呈线性增加了投资,还不如不要提⾼高,⼀一定要⾮非线性的把这些成本 降下去。[pagebreak] 其他还有⼀一些技术,散热的技术,我想跟⼤大家说的是最新技术,是蒸发冷却, 这么⾼高密度⼤大的设备,如何把热量挪⾛走,蒸发确实是相变的冷却⽅方式,这种⽅方 式很早就有,现在⽤用在⼤大功率的电⼦子电⼒力上⾯面,使得逆变器的体积可以缩⼩小三 倍。更好的处理器我就不说了,我们采⽤用更⾼高性能的处理器来做⽆无⾮非就是提⾼高 测量精度,加快响应速度,同时提供更好的为这个后端的智能化提供⼀一个⽐比较 标准的信息化的平台。我们看看体积和重量,⼤大幅度减少,重量和体积就在这 五年当中,也是减少了3倍。单机的功率,这是我们全球的SMA逆变器。我们 有往中⼩小型去做,也有往⼤大功率去做,⼩小的做的很⼩小,⼀一两块板,⼤大的做的⾮非 常⼤大,到底今后的路线怎么⾛走,我想今后这是个多元化的应⽤用的⻓长河,应该说 产品形式在不断丰富当中。有⼀一点,我想这个趋势是逆变器未来作为⼀一个执⾏行 的机构,作为⼀一块像太阳能电池板⼀一样静⽌止的东⻄西,应该是要着眼于解决⽅方案, 就是客户知道了哪家好哪家不好,就把⽅方案都交给你,我们可以看看这⾥里,在 这个房⼦子当中什么都有,就交给你去做,现在这样的,现在是⾮非常满⾜足于客户 的要求,因为客户不专业,但是他要对他的钱负责。⽐比如晚上怎么办,晚上是 不是要把变压器断开,原来我们在配电设施,晚上有负荷,太阳能晚上开着干 吗,晚上你关掉以后⽩白天怎么开,每天这么开关⼤大家是不是能承受,电⼒力系统 是否能够接受,但是这些都是着眼于绩效考核的。分布式发电如果装这些,还 有地⾯面电站,要装这些⼤大的状况,现在盖房⼦子要征地的,现在⻄西北经常发⽣生要 征⼀一个太阳能电站当中,要征两亩地来干这个机房,这个事情是个很⼤大的事情, 因为这个涉及到这么⼀一块⼩小地⽅方,涉及到很多扯⽪皮的事情,现在我们说不盖房 ⼦子了,就是这个解决⽅方案,在那⾥里⼜又环保,⼜又快速,⼜又不要解决征地的问题, 为什么说很环保呢,现在欧洲已经不允许你建⽔水泥房了,因为⽔水泥这个墩⼦子⼀一 百年⾃自⼰己也吸收不掉,但是这个铁房⼦子,30年以后你可以把它化掉,还可以卖 点废品的钱。关键这⼀一切我们都是为了PR的指标,我们对这个指标进⾏行了定 义,同时我们国际标准也在做,我们在分布上把光照资源给出掉,归结起来应 该去提⾼高这样的效率,这⾥里冒出⼀一个问题,现在超发的超配的太阳能电池板配 1.3个兆⽡瓦,逆变器配⼀一个兆⽡瓦的怎么定义,我们很遗憾,现在我们每个电站是 按照光伏组件的功率定义的,这是⼀一个⾮非常不正常的现象,我在这⾥里跟⼤大家呼 吁,任何东⻄西都是要给客户负责,太阳能电站还是按照直流定义的,要尽快建 ⽴立交流定义的功率,在加拿⼤大我们做的绝⼤大部分电站中午都是限发的,但是回 报率是最⾼高的,我们做的太阳能电池太便宜了。其他还有些监控,⼀一些新的技 术,我们要使得这个电站能够具有⼀一些初步的诊断,这个设备本⾝身肯定需要武 装起来,设备本⾝身的诊断智能化等等,这个是你也就是说是你这个设备应该具 备的能⼒力,相当于你作为⼀一个⼯工程师应该掌握英语,现在中学⽣生都掌握电脑。

最后⼀一个,我们逆变器左边是光伏组件,右边是电⺴⽹网,如何通过设备提⾼高电⺴⽹网 的友好性,是逆变器⼚厂家⾮非常重要的⼀一个活动。这点⼤大家都满⾜足了,我们叫做 穿越,⼤大家都爱看穿越剧,⼀一个意思,其实指在电压低,突然很低,零电压⾼高 电压等等情况底下能不能给我扛住625毫秒,甚⾄至更⻓长的,都是可以的。在分 布式电站中孤岛保护的问题,如果这个电⺴⽹网停电了,如果在发电可能涉及到电 ⼒力系统员⼯工的安全问题,特别是多台并起来的时候,这个问题⾮非常⿇麻烦,现在 研究的也⽐比较少。当然还有刚才所⻓长讲的频率,这个频率的问题,到底频率⾼高 和低,现在⼀一些标准已经对频率特征已经做了明确规定和描述。还有谐振的问 题,⼤大家看右边这个地⽅方,发⽣生谐振了,这个很容易发⽣生谐振,⼀一谐振⾥里边电 容就损坏了。分布式发电中还有⼀一个⼤大问题,⽆无功要快速调节,现在有很多电 站,分布式发电装上去以后,发电还不够电⺴⽹网给他⽆无功的罚款,⼀一个⽉月罚款罚

⼗十⼏几万,发电发⼗十⼏几万,并⺴⽹网点功率数的控制,必须把传感器,把计量要装到 最后的并⺴⽹网点,负责后⾯面的,那个点上的功率数要提上来,实现闭环,这个现 在是现实的问题,如果接在400伏配电⺴⽹网上,现在没有⼿手段把它接上去以后, 整个功率数都下降了,考核体系还没有变,你要接受罚款。还有⼀一个⼤大问题, 刚才所⻓长讲了,电压升⾼高了,现在要搞⼏几万个扶贫项⺫⽬目,⼀一个村上装⼏几千套 3000⽡瓦5000⽡瓦的系统,这个肯定是不可⾏行的,⼀一个村庄上,我去调研了⼀一 次,⼀一户农村家庭⾥里⾯面⽩白天的负荷总共⼤大概加起来⽩白天只有60⽡瓦,这都算是⽐比 较⼤大⽅方的⼈人家了,基本上⽩白天都关掉,只有⼀一个冰箱。把这些电站全部接到那 上⾯面去,这个电压曲线就往上升,没有负荷,到中午的时候估计会产⽣生⼀一些索 赔的现象,这个电压肯定是⾼高的,我们有没有⽅方法,其实我们电⼒力系统有⼀一个 很好的⽅方法叫有载调压,是不是可以做⼀一些⽆无功的奉献,使得电压能够调下去, 但是这个活谁去做,就是刚才领导讲的,谁去测量观测最后去执⾏行呢,如果10 千伏以下都不管了谁管。⻄西部在限电,光储系统能不能今后也不要占指标了, ⽔水光伏不是不占指标的,光储能不能给予⼀一些优待,这块红的转到绿的给多少 钱,储能装置很贵,⼀一⽡瓦时4块钱左右,如果你去补⼀一个10%,这个电站当中 就是⼀一笔⼤大的投资,是不是可以,储能是回避不了的,肯定是要储的,什么时 候储现在可以⽰示范起来。 后⾯面还有⼀一个技术,⼤大家知道我们要做低电压穿越,要⾼高电压穿越,虚拟同步 的技术是可以解决现在⼤大家关⼼心的问题,我们科技部这次也⽴立⼀一个项⺫⽬目,什么 叫虚拟同步呢?我们把光伏电站的外特性模拟成跟现在⽕火电的同步机组⼀一样的 外特性,如果达到这样的外特性,这样⼀一个下垂特性,基本上就可以适应现在 电⼒力系统的要求。⾥里⾯面有什么区别呢,虚拟同步,本来电⼒力电⼦子装置⼀一短路就 要保护了,我就要做到跟左边这个同步机组⼀一样的特性,有没有可能,完全有 可能的,你把电⼒力电⼦子装置做⼤大⼀一点,把储能装置稍微加⼤大⼀一点,如果说分钟 级的,超级电阻也可以,把⾮非线性系统模型成线性系统奉献给我们的电⼒力系统, 使得我们整个今后的可再⽣生能源穿透率能⼤大幅度提升。

还有其他⼀一些接⼝口,还有⻄西部的电站能不能再发这些⽆无功,其实完全可以,现 在我们的电站,每个电站⼜又投了⼏几百万下去的⽆无功补偿装置,但是这个装备⾃自 ⾝身已经具备了这样⼀一个功能,重复投资了。当然还有智能化的云的平台,⼤大数 据时代要到来了。我们这么多数据,这么多客观不客观的,每个⼈人都说⾃自⼰己东 ⻄西好,没有⼈人说⾃自⼰己东⻄西不好,那么客观的数据传上去以后,我们保存在云端, ⼤大家再评测。

最后⼀一个是安全性,⾸首先是安全性上⾯面是PID,所有组件⼚厂家都说PID拿到了认 证,拿到认证并不意味着没有PID,只不过PID做的⽐比别⼈人好⼀一些。我在这⾥里给 ⼤大家举⼀一个例⼦子,在某⼀一个酒⼚厂,做酒的,上⾯面装了10兆⽡瓦的太阳能发电,这

个酒烧起来以后,蒸汽⾥里⾯面,酒是酸性物质,使得顶上的太阳能电站,肯定渗 透进去了,最后这个电站失效了,失效到什么地步呢,⼀一半的发电都没有了, 这样的损失谁去承担。还有就是漏电,漏电怎么办。最后⼀一个是着⽕火了,直流 是不容易着⽕火的,未来⼤大量分布式在⽤用,家庭楼顶上或者珍贵的⻋车间⾥里⾯面顶上 失⽕火,现在已经发⽣生这样的事情,好⼏几件,怎么办,我估计就像我们的电动汽 ⻋车失⽕火⼀一样,我们会倒退五年,各⽅方⼈人⼠士都来谴责我们,我们开始就要把这些 ⼯工作做好,进⾏行拉弧的检测,拉弧开始的时候我们能检测到,把它关掉,让它 不要着⽕火。 

逆变器技术⻜飞速发展,集中逆变器往更⼤大⽅方向发展,组串逆变器往更加轻便、 更加安全、更加智能化⽅方向发展,未来我们这个装备逆变器装备将更加聚集于 ⾃自⾝身效益和可靠性的提⾼高,同时为电⺴⽹网提供诸如、平滑、⽆无功、穿越、⽀支撑、 

应急等友好服务。光伏电站类型⽇日趋复杂化,多样化,因此需要针对不同类型 的电站的实际情况因地制宜,科学设计,合理选择逆变设备。