光伏逆变器主要流派与技术路线

 

光伏发电系统由太阳电池组件（PV）方阵、逆变器、交直流配电、计量电器等部分组成。太阳电池组件利用光伏效应原理，将太阳的光能转变为直流电能，该直流电是变化的，不能直接并网或被用电设备直接使用，称之为“粗电”（Raw Electricity）；光伏逆变器将变化的直流电经过电力电子技术变换成频率、相位、幅值符合电力并网要求且自身具有保护功能的交流电，称之为“精电”(Fine Electricity)，之后经过配电及保护装置便可并网或供交流负载使用。
光伏逆变器是光伏系统的核心部件之一，但由于逆变器采用电力电子技术、由大量的电子元器件组成，属于光伏系统中的薄弱环节，因此近几年来，在逆变器的技术方案选择、电子线路设计以及新的应用方面，全球出现不同的技术流派以及一些新的应用。主要有以下几种：

1.Central inverter集中式逆变器，这种是最传统也是目前做的厂家最多的，尤其是光伏逆变器鼻祖的欧洲厂家。欧洲以SMA为典型代表，美国以SatCon为典型代表。SMA为全球光伏逆变器市场占用率最高的厂家，其市场占有率达到35%~40%。对于大容量的逆变器，大多数厂家采用集中式逆变器。从其电路结构上说，对小功率逆变器一般采用两级结构，即：第一级Boost升压电路加上第二级DC/AC逆变电路；中大功率逆变器采用一级结构，即DC/AC逆变电路。无论何种电路结构，其功率部分都是放在一个逆变器箱体内。
这种逆变器的优点是：
（1） 适合MW级的应用；
（2）技术成熟；
（3）$/W成本较其他解决方案较低。
其缺点是：
(1）一旦出现故障则整机必须停机，所有功率均损失；
(2)不能对部分太阳能电池板的非有效发电状态如阴影、污物等产生的mis-match进行区别，从而影响MPPT（最大功率点跟踪）效率。

2. Modular inverter模块化逆变器，目前另一流行的技术，采用逆变器模块化并联，每个模块均有MPPT（最大功率点跟踪）功能，对应于一路直流输入；多个并联逆变器模块装在一个机柜里，一般具有热插拔功能。主流厂家包括Powerone，Fronius等。用于并联的模块小的如Fronius的3KW（并联成50KW），大的如Powerone的33KW（并联成330KW）。
其优点是：
（1）某个模块故障不会影响整机工作，整机还能输出较大功率，从而降低系统风险；
（2）可以一定程度上解决mis-match问题，由于采用多个MPPT，对不能正常发电的太阳能组串，其低效率不会影响其他组串发电效率，从而提高系统发电效率；
（3）在早晚太阳光不强的时候可以自动关掉部分模块，等光强足够再开启所有模块，从而提高整体效率；
（4）除了技术原因，模块化并联可以使一家公司迅速拓宽产品线功率覆盖范围，用一款模块解决从小功率到中大功率的应用，对于小公司而言，这无疑可以节约很多研发资源和时间。
其缺点是：
（1）成本较集中式逆变器较高，不适合大功率尤其是超大功率场合；
（2）控制上比集中式要复杂，需要一个单独的监控模块。

3.Micro inverter微逆变器，在北美近几年来流行的一种技术，主要应用在个人屋顶系统。其原理是，将集中式逆变器的技术运用到较小的功率模块上，将大功率逆变器分割成若干个小功率逆变器。在每块太阳能电池板后面装一个微逆变器，功率在200~350W左右，直接将该块电池板输出的直流电转换成交流电输出或并网。目前美国做的最成功的公司是Enphase，占据微逆变器半壁江山。
其优点为：
（1）使得每块电池板的输出效率最高，且彼此不影响，较好的解决由于阴影等造成的mis-match问题，提高整体效率；
（2）安全，由于没有高压部分，较适合住宅屋顶系统；
（3）安装简单，不需要独立的房间，跟随组件移动，变动起来也方便。
其缺点是：
（1）成本较高，由于每块电池板后面都需要一个逆变器，且逆变器需要满足IP65的要求，造成整体成本高；不适合中大功率的场合；
（2）对可靠性要求非常高。

4.DC-DC Booster或另有叫DC-DC Optimizer（直直变换优化部件），这种解决与微逆变器有相似之初，其原理是将第一级的DC/DC Boost部分从逆变器中拿出来，单独做在电池板后面的POWER BOX里，每个Booster均带有MPPT功能，从而可以实现每块电池板的最大功率电跟踪；这些Booster输出的直流电再汇总起来，集中输入到逆变器里面。这是种介于集中式逆变器和微逆变器之间的一种解决方案。在前级分布式上像微逆变器，而在后级逆变上又像集中式逆变器。做DC-DC Booster的厂家包括美国的SolarMagic和以色列的SolarEdge。
其优点为：
（1）使每块电池板均有MPPT，提高效率；
（2）后级的逆变器里只有AC/DC，输入电压范围窄，控制简单，这一级效率可以做得很高。
缺点是：
（1）有多个DC-DC Booster，系统总成本比集中式的偏高；
（2）虽然提高了电池板一级的转换效率，但由于DC-DC Booster数量的增加，理论上会增加自身功耗，使DC到AC的转换效率下降。

5.分布式应用。这种解决方案在逆变器上与集中式中小功率逆变器上没有什么不同，但在应用上则将中小功率逆变器（通常是5KW~20KW）分布放在一个或几个电池组串附近，来解决几百至MW级电站的供电，而不是像集中式那样将逆变器放在一起或一间房子里。其优点是：
（1）节约电缆；
（2）一个逆变器的故障不会影响其他逆变器的正常供电，从而提高整体的可靠性；
（3）不需要像集中式那样为逆变器盖一个房子。
其缺点是：
（1）由于逆变器数量多，使得整体成本比集中式高；
（2）每个逆变器均要满足室外IP65要求，设计难度和逆变器成本均偏高。
综上所述，各种流派的逆变器有其一定的适用场合，一般认为：
Central inverter适合大型电站及商用屋顶；
Modular inverter适合商用屋顶及小型电站；
Booster 适合小型商用屋顶和住宅屋顶；
Micro inverter适合住宅屋顶。
目前，光伏逆变器市场上各种技术派别纷争，而各自都均有其优点和缺点，因此在一定阶段有自己或大或小的生存空间。除集中式是绝对的主流外，其他均属于在一定细分市场中的非主流，但今后的发展到底往哪个趋势走，目前尚无定论。在与欧美的业内人事交流时，他们均表示，这是个非常“dynamic”（动态的）市场。
上海电源系统有限公司在充分研究市场需求、技术发展趋势和自身技术特点的基础上，规划出符合公司市场战略、适应未来技术发展趋势、具有自身特色的技术路线。总的来说，分纵横两条线：
横线是客户应用。光伏市场按照客户应用的场合可分为住宅屋顶系统、商用屋顶系统和地面电站系统，为尽可能覆盖不同用户的需求，电源公司的产品在功率等级上逐渐行程系列化产品，经过一年的开发，电源公司已向市场推出1.5KW到100KW的9款系列产品，基本覆盖三个应用市场的需求，目前在研发的250KW和500KW大功率光伏逆变器将在明年一、二季度推出，届时将全面覆盖不同细分市场的需求；
纵线是技术路线。为抓住主流技术，同时进行技术创新，电源公司规划了以集中式逆变器为主、同时预研模块化逆变器以及微逆变器的技术路线，以规避单一技术的风险，从而为客户提供更高的系统效率、更丰富的产品选择、更多的创新技术，将为改变国内厂家以模仿欧洲主流厂家为主的局面做出贡献。