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集中式逆变器已在江湖很多年

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斜阳古道
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  • 2017-2-24 10:46:26
一、风流总被风吹雨打去

20世纪末欧美开始启动光伏产业,起初主要专注集中式光伏并网发电系统和集中式光伏逆变器,大约20年前由国外传入国内,构成国内集中式逆变器三巨头,如图1所示:合肥工大光伏所、中科院电工所及光伏黄埔军校---咱们可敬可爱的艾默生。
套用流行的武功流派,合肥工大光伏所就象华山派的乾坤大挪移,作为国内高校第一所光伏发电研究机构,一直紧密跟踪国外集中式光伏逆变器的最新发展趋势,诞生出国内光伏逆变器的上市龙头企业阳光电源,还有南京冠亚、安徽颐和;中科院电工所则神似姑苏慕容氏,按道理名门世家、贵为*胄,应该早就练就降龙十八掌,但多年来主要研究轻功,产生了科诺、能高等企业;而艾默生光伏好比全真教的天罡北斗阵,积极贡献外企长期的技术积累、产品优势及大团队运作方式,敞开胸怀向各大门徒开放本门的武功秘籍,孵化出众多电力电子专业公司,如汇川、禾望、盛弘等。


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图1国内集中式逆变器企业历史溯源




站在巨人肩膀上摘苹果更容易,所以诞生出很多新生力量,如华为技术、上能电气、特变西科、茂硕电气等。更多的传统企业转型做起了组串式逆变器,甚至有的做了EPC或者干脆退出光伏行业。风流总被风吹雨打去,一代新人换旧人,不胜唏嘘。无论怎样,这些企业都在光伏逆变器历史上留下了痕迹,让咱们记住这些企业吧,如图2所示。

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图2全球主要集中式逆变器企业



二、集中式光伏并网发电系统


大型荒漠地面太阳能光伏电站一般采用集中式光伏并网发电系统,如图3所示,主要由太阳能光伏电池组件、直流汇流箱、交直流配电柜、光伏逆变器、升压变压器组成,从而构成1MW光伏发电系统,可以方便实现10kV/35kV中压并网。集中式光伏并网发电系统中除了交直流功率流外,还有监控系统组成的信号流。

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图3集中式光伏并网发电系统


多个光伏组件串联构成光伏组串,再由多个光伏组串并联构成光伏阵列,从而得到较高的直流电压与直流功率,多个光伏阵列进入直流汇流箱进行汇流,再由多个直流汇流箱进入直流配电柜,一般两台直流配电柜共用一台集中式逆变器,同时两台集中式逆变器共用一个升压变压器后实现并网发电,如图4所示。集中式是第一代光伏发电架构,一般只具有单路MPPT,从而MW系统就有两路MPPT。

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图4集中式光伏并网发电示意图



三、那些年屹立江湖的集中式逆变器
集中式逆变器出现江湖已接近20年,最近10年来各种技术方案风起云涌、各派高手纷纷出场,有主打交直流配电高度集成的、有猛攻更小体积提高功率密度的、也有想破脑壳如何做到防水防尘同时改进散热性能的。但是万变不离其宗,后浪们不能忘记了如下集中式逆变器的开创者或中坚力量。

少林派---SMA SC500TL

少林寺有天下第一的内功——易筋经和外功——少林七十二绝技,少林寺在鼎盛时有僧众上千人,可以说是人多势众,何况少林寺自古就被称为中原武林的领袖,而且寺内人才辈出,像金庸武侠中正式出场的第一高手——《天龙八部》中的无名扫地老僧就出在少林寺,因此把少林寺排名第一无可厚非。而在集中式逆变器行业,来自光伏发源地德国的SMA是当之无愧的开山鼻组少林派。曾记得当年在我厂孜孜不倦攻读的情形,那些激情燃烧的岁月深入研习SMA的各种文章,甚至连每年新出的产品手册也不放过,从而懂得了为什么软件控制不好时MPPT的爬山法反而不如恒定电压法、散热方案的改进与优化大有讲究、怎样实现电网调度的无功补偿等。曾记得多少个日夜与兄弟们研究SMA的CP系列集中式逆变器如何做到IP65等级,布局、配电方面借鉴学习的地方实在太多,如图5所示。SMA是逆变器人当之无愧的启蒙老师,尤其是中国的工程师,谢谢您老师!但是老师多年来太过追求小富即安,除了H5以外拓扑创新较少了。
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图5 SMA 500kW集中式逆变器


2 武当派---Power-One(ABB)AURORA500


武当和少林齐名,和少林并称武林中的泰山北斗,因此武当派的排名肯定靠前。也许有人会问:“既然武当和少林齐名,和少林并称武林中的泰山北斗,那为什么不把武当排名第一呢?”这是因为逍遥派,丐帮和大理段氏这三大门派实在太强,确实在武当之上,而且武当派在出场时,大理段氏都已经不复存在,丐帮也已经衰退,因此才让武当派抢了名头。还记得2011年在我厂研发集中式逆变器那段岁月,当时我们系统与设计团队没有看上太过传统的两电平拓扑技术,某天看到Power-One的AURORA时眼前不由一亮,这个就是我们想学习的对象啊,见图6所示。这款500kW集中式逆变器在业界第一个使用I型三电平技术方案,当时还没有600A的I3 IGBT功率模块,可是天才的Power-One研发团队竟然采用了传统650V的IGBT功率模块自行搭建构成了三电平方案,当时我们做了详细的白盒测试,由于精细的环路布局,IGBT模块的电压尖峰并不高。除此之外,AURORA500还有另一个创新,就是使用两个250kW大模块并联,后来我厂部分借鉴了这种前沿技术的架构方案。在这里向Power-One的意大利初始研发团队致敬!可惜后来Power-One命运多舛,卖给了美国投资公司、现在又在芬兰重新继续研发。技术与产品其实是有灵魂的,相信Power-One在ABB这棵大树下会继续雄起!
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图6 Power-One 500kW集中式逆变器

3 丐帮---Satcon PVS-500

丐帮在鼎盛时有数十万帮众,乃是江湖上人数最多的门派,而且丐帮有两大武功绝技——降龙十八掌和打狗棒法。称Satcon PVS-500为丐帮流派主要基于这款产品实在是真才实料,内功修炼得炉火纯青,反正当时空地多也不在乎占地面积大,如图7所示。印象很深的是3年前参观江苏盐城大丰电站,全部一色使用PVS-500,运行超过8年虽说外观有点锈迹,但还是老当益壮发光发热,据现场运维人员讲很少发生故障。打开机柜看过所有配电器件都出自名门,不象国内产品大部分使用棒子的。Satcon早已不在江湖,可江湖却流传着哥的传说!向Satcon的Solstice系列致敬,当年他们在全球第一个提出了集散式逆变器的创新方案,当时由于价格太高从而实际推广难度巨大,可惜他们没看到在中国大型电站市场集散式逆变器崭露头角的这一天,惜哉!

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图7 Satcon 500kW集中式逆变器

4 全真教---艾默生SSL500
全真教出了王重阳和周伯通这两位绝世高手,而且全真教还曾先后教过郭靖和杨过两位大侠武功,全真教的“天罡北斗阵”威力巨大,就连东邪西毒这样的一流高手都对其忌惮三分,可见全真教的武功非凡。把艾默生SSL500比作全真教是因为内在含义相似,业界第一个50kW逆变模块架构如同当年全真七子独步江湖,并且王重阳和周伯通带出的全真七子个个获得真传、都能开山立派,象极了如今国内逆变器企业同宗同源、而又能百花齐放。SSL500的构思精巧,10个50kW逆变模块组成500kW集中式逆变器,如图8所示,实现较高效率的同时,通过智能休眠提高弱光发电量。只是这个技术来自于艾默生模块式UPS架构,应用于光伏发电时有些技术细节还需要进一步提高,后续艾默生推出的CT系列同样一脉相承,只是逆变模块的功率更大、横插变为了竖插。
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图8艾默生500kW集中式逆变器


5 华山派---xx电源500kW逆变器

华山派出了风清扬和令狐冲两位绝世高手,风清扬和令狐冲的绝技都是独孤九剑,华山派拥有两个绝世神功:独孤九剑和乾坤大挪移,虽然独孤九剑的创始人并不属于华山派,不过独孤九剑却也只有在风清扬和令狐冲手上才得以流传,倒也勉强算是华山派的武功。如同xx电源的500kW集中式逆变器虽然源自SMA,但出货量反而超越开山鼻祖如今已经占据到全球第一。xx电源作为国内光伏逆变器的第一家上市公司,技术积累与研发力量雄厚,这款产品一直也是业界的标杆,也是当年学习的对象,如图9所示。一直追求更高的功率密度及更好的集装箱散热性能,同时不断改进水面光伏等特殊场合的适应性,并且产品每年持续迭代优化,越来越适用于国内大型光伏电站。

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图9 xx电源500kW集中式逆变器



6 日月神教---xx技术500kW逆变器

日月神教出了东方不败和任我行两位绝世高手,其葵花宝典神功和吸星大法更是厉害无比,虽然葵花宝典神功的创始人不属于日月神教,但是这门神功却只有在东方不败手上发扬光大,因此可以算是日月神教的武功。xx技术当年组建光伏逆变器研发团队时,充分采用吸星大法而大量吸收了电力电子业内技术精英。通过技术与产品的多轮架构研讨、软硬件技术细节的闭关打怪、及各大专业团队的分工合作,再经太上老君炼丹炉的千锤百炼,最终获得了日月精华、练就了葵花宝典。比如第一款500kW集中式逆变器,一经推出立即夺人眼球,如图10所示,当时引得业内友商竟相现场拆机分析。这是业内第一个三机柜大模块式系统架构,第一个大功率T型三电平拓扑结构,第一个实现了直流风扇无级调速,同时电控单板插拔式安装维护,集成化配电单元等等,这些独特亮点至今仍然是集中式逆变器企业的借鉴对象和学习楷模。我厂在通信行业坚持长期艰苦奋斗、一直擅长高举高打,事实证明技术+资本是致胜的王道。例如这个重金投向的逆变器业务,有了高层领导的大力支持,重量级配备资源、资金和人员就不是问题,所以xx技术逆变器的成功不是偶然。

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图10 xx技术500kW集中式逆变器



7 逍遥派---茂硕电气SC500KTL

逍遥派的神奇武功非常多,像北冥神功,天山六阳掌,小无相功等等绝世神功。而且除了武功之外,逍遥派对琴棋书画,诗词歌赋,医药毒药,星相占卜,奇门遁甲等等也都十分在行。茂硕电气自成立之初,就定下“科技创新能源”的发展方向,以产品差异化为市场卖点,短短两年多时间就已完成全系列产品的量产,并已拥有20多项国内外专利,从而把多种烂熟于心的武功秘籍成功应用于多个系列光伏逆变器中。

比如这款大功率SC500KTL集成了直流配电柜功能,内部采用了大功率单元架构,同时做到了更小的体积,实现了靠墙安装、前维护,如图11所示。这款逆变器采用了自主知识产权的耦合电感多电平技术,使用成熟可靠的IGBT模块及自主设计的驱动电路。这种新型技术最大的特点是输出滤波电感使用了耦合电感结构,一方面降低了输出电流谐波,另一方面减小了输出滤波电感的体积与尺寸,从而提高了逆变器性能及降低了电感成本。

茂硕电气作为一家专注新能源技术的国家高新技术企业,始终坚持以用户为中心、以“不断提升发电收益”为导向、以“更稳定的逆变器”为根本、以“拓扑创新与智能控制”为两个基本点、以成为光伏电控的“苹果和特斯拉”为目标,长期构建光伏发电的“智能硬件”研发平台及制造体系。茂硕电气在成功推出面向光伏扶贫市场的SF3/5KTL金钻系列、及面向中大型分布式光伏电站的SF50/60KTL金刚系列的基础上,2017年将向分布式市场推出发电量更高、度电成本(LCOE)更低的差异化产品,如“发电神器”技术和“日光宝盒”产品,相信会再一次让光伏用户兴奋得眼前一亮。


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图11茂硕500kW集中式逆变器





四、廉颇老矣尚有余热

伴随着主流光伏并网发电系统的兴起和发展,集中式逆变器已诞生20年,技术成熟可靠、应用案例较多,最大的优点是初装成本低。同时大部分EPC、设计院、施工企业都熟悉这种系统结构,从而供应链、设计与施工成本较低。但是,集中式逆变器这个廉颇毕竟已日渐衰老,需要做进一步的优化改进才能更好地发挥余热。
就象xx电源提出的概念,要因地制宜选用逆变器。当前国内市场过度追求低初装成本而不重视LCOE的情况下,在没有坡度的平坦地面、或角度一致的大型厂房屋顶中仍然可以使用集中式逆变器,只是存在一定的发电量损失。而朝向不同的分布式屋顶或地势起伏的山地电站中,由于逆变器的MPPT路数较少会极大降低发电量。更关键的是这种系统存在大量的组件串联、组串并联,不可避免存在“木桶效应”,这个缺陷一方面造成光伏组件的热斑问题,影响了系统长期工作的稳定性和安全性;更为严重的是“木桶效应”导致失配损耗,进一步降低了光伏电站的长期发电收益。
近两年1500Vdc系统俨然成了“新概念”,主流组件、逆变器企业号称都有产品,但无他耳,无非进一步增加了组件串联数量,提高组串电压以降低线损、有可能降低初装成本而已。其实这种技术并没有炼就葵花宝典,可别闭门狂练走火入魔也,要知道1500Vdc系统的“木桶效应”比传统集中式更加严重,比集中式还要集中式。
当年Satcon首次提出的Solstice集散式逆变器技术部分改进了“组串并联”失配损耗,虽然当前国内有几家企业已在跟进这种方案,如x望、x车、上x、茂硕电气等,但还是未能根本性消除组件串联的“木桶效应”。因此,集中式光伏并网发电系统急需彻底解决“木桶效应”的创新技术,以降低度电成本、持续提升光伏发电收益。
现在风起云涌的光伏领跑者基地都是建在荒山荒坡荒地、或采煤沉陷区、及滩涂水面等,绝大部分采用了集中式技术方案,虽然初装成本够低,但是25年发电收益需要更多人为措施来保证,这些将不可避免增加后期运维成本、降低发电收益。过去火力发电一般运行5年就需要更换、淘汰过时的技术和发电机组,希望光伏领跑者项目不会重蹈覆辙、真正起到“领跑者”这个词所对应的技术和收益领先意义。

  长江后浪推前浪,前浪拍在沙滩上,这是历史规律。集中式最好还是逐渐归隐江湖、退居幕后,毕竟立派已久功底还在、未来可广收门徒,再由门徒来发展创新技术吧。

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