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。