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2017-06-30
【胡博講光伏】集中式逆變器已在江湖很多年

1.

>>風流總被風吹雨打去<<

20世紀末歐美開始啟動光伏產業,起初主要專注集中式光伏并網發電系統和集中式光伏逆變器,大約20年前由國外傳入國內,構成國內集中式逆變器三巨頭,如圖1所示:合肥工大光伏所、中科院電工所及光伏黃埔軍校---咱們可敬可愛的艾默生。

套用流行的武功流派,合肥工大光伏所就象華山派的乾坤大挪移,作為國內高校第一所光伏發電研究機構,一直緊密跟蹤國外集中式光伏逆變器的最新發展趨勢,誕生出國內光伏逆變器的上市龍頭企業陽光電源,還有南京冠亞、安徽頤和;中科院電工所則神似姑蘇慕容氏,按道理名門世家、貴為帝胄,應該早就練就降龍十八掌,但多年來主要研究輕功,產生了科諾、能高等企業;而艾默生光伏好比全真教的天罡北斗陣,積極貢獻外企長期的技術積累、產品優勢及大團隊運作方式,敞開胸懷向各大門徒開放本門的武功秘籍,孵化出眾多電力電子專業公司,如匯川、禾望、盛弘等。

 


 站在巨人肩膀上摘蘋果更容易,所以誕生出很多新生力量,如華為技術、上能電氣、特變西科、茂碩電氣等。更多的傳統企業轉型做起了組串式逆變器,甚至有的做了EPC或者干脆退出光伏行業。風流總被風吹雨打去,一代新人換舊人,不勝唏噓。無論怎樣,這些企業都在光伏逆變器歷史上留下了痕跡,讓咱們記住這些企業吧,如圖2所示。

 

 


2.

>集中式光伏并網發電系統<


大型荒漠地面太陽能光伏電站一般采用集中式光伏并網發電系統,如圖3所示,主要由太陽能光伏電池組件、直流匯流箱、交直流配電柜、光伏逆變器、升壓變壓器組成,從而構成1MW光伏發電系統,可以方便實現10kV/35kV中壓并網。集中式光伏并網發電系統中除了交直流功率流外,還有監控系統組成的信號流。

 

 


多個光伏組件串聯構成光伏組串,再由多個光伏組串并聯構成光伏陣列,從而得到較高的直流電壓與直流功率,多個光伏陣列進入直流匯流箱進行匯流,再由多個直流匯流箱進入直流配電柜,一般兩臺直流配電柜共用一臺集中式逆變器,同時兩臺集中式逆變器共用一個升壓變壓器后實現并網發電,如圖4所示。集中式是第一代光伏發電架構,一般只具有單路MPPT,從而MW系統就有兩路MPPT。

 


3.

>那些年屹立江湖的

集中式逆變器<

集中式逆變器出現江湖已接近20年,最近10年來各種技術方案風起云涌、各派高手紛紛出場,有主打交直流配電高度集成的、有猛攻更小體積提高功率密度的、也有想破腦殼如何做到防水防塵同時改進散熱性能的。但是萬變不離其宗,后浪們不能忘記了如下集中式逆變器的開創者或中堅力量。

少林派---SMA SC500TL

少林寺有天下第一的內功——易筋經和外功——少林七十二絕技,少林寺在鼎盛時有僧眾上千人,可以說是人多勢眾,何況少林寺自古就被稱為中原武林的領袖,而且寺內人才輩出,像金庸武俠中正式出場的第一高手——《天龍八部》中的無名掃地老僧就出在少林寺,因此把少林寺排名第一無可厚非。而在集中式逆變器行業,來自光伏發源地德國的SMA是當之無愧的開山鼻組少林派。曾記得當年在我廠孜孜不倦攻讀的情形,那些激情燃燒的歲月深入研習SMA的各種文章,甚至連每年新出的產品手冊也不放過,從而懂得了為什么軟件控制不好時MPPT的爬山法反而不如恒定電壓法、散熱方案的改進與優化大有講究、怎樣實現電網調度的無功補償等。曾記得多少個日夜與兄弟們研究SMACP系列集中式逆變器如何做到IP65等級,布局、配電方面借鑒學習的地方實在太多,如圖5所示。SMA是逆變器人當之無愧的啟蒙老師,尤其是中國的工程師,謝謝您老師!但是老師多年來太過追求小富即安,除了H5以外拓撲創新較少了。

 

武當派---Power-OneABBAURORA500

武當和少林齊名,和少林并稱武林中的泰山北斗,因此武當派的排名肯定靠前。也許有人會問:“既然武當和少林齊名,和少林并稱武林中的泰山北斗,那為什么不把武當排名第一呢?”這是因為逍遙派,丐幫和大理段氏這三大門派實在太強,確實在武當之上,而且武當派在出場時,大理段氏都已經不復存在,丐幫也已經衰退,因此才讓武當派搶了名頭。還記得2011年在我廠研發集中式逆變器那段歲月,當時我們系統與設計團隊沒有看上太過傳統的兩電平拓撲技術,某天看到Power-OneAURORA時眼前不由一亮,這個就是我們想學習的對象啊,見圖6所示。這款500kW集中式逆變器在業界第一個使用I型三電平技術方案,當時還沒有600AI3 IGBT功率模塊,可是天才的Power-One研發團隊竟然采用了傳統650VIGBT功率模塊自行搭建構成了三電平方案,當時我們做了詳細的白盒測試,由于精細的環路布局,IGBT模塊的電壓尖峰并不高。除此之外,AURORA500還有另一個創新,就是使用兩個250kW大模塊并聯,后來我廠部分借鑒了這種前沿技術的架構方案。在這里向Power-One的意大利初始研發團隊致敬!可惜后來Power-One命運多舛,賣給了美國投資公司、現在又在芬蘭重新繼續研發。技術與產品其實是有靈魂的,相信Power-OneABB這棵大樹下會繼續雄起!

 

丐幫---Satcon PVS-500

丐幫在鼎盛時有數十萬幫眾,乃是江湖上人數最多的門派,而且丐幫有兩大武功絕技——降龍十八掌和打狗棒法。稱Satcon PVS-500為丐幫流派主要基于這款產品實在是真才實料,內功修煉得爐火純青,反正當時空地多也不在乎占地面積大,如圖7所示。印象很深的是3年前參觀江蘇鹽城大豐電站,全部一色使用PVS-500,運行超過8年雖說外觀有點銹跡,但還是老當益壯發光發熱,據現場運維人員講很少發生故障。打開機柜看過所有配電器件都出自名門,不象國內產品大部分使用棒子的。Satcon早已不在江湖,可江湖卻流傳著哥的傳說!向SatconSolstice系列致敬,當年他們在全球第一個提出了集散式逆變器的創新方案,當時由于價格太高從而實際推廣難度巨大,可惜他們沒看到在中國大型電站市場集散式逆變器嶄露頭角的這一天,惜哉!

 

全真教---艾默生SSL500

全真教出了王重陽和周伯通這兩位絕世高手,而且全真教還曾先后教過郭靖和楊過兩位大俠武功,全真教的“天罡北斗陣”威力巨大,就連東邪西毒這樣的一流高手都對其忌憚三分,可見全真教的武功非凡。把艾默生SSL500比作全真教是因為內在含義相似,業界第一個50kW逆變模塊架構如同當年全真七子獨步江湖,并且王重陽和周伯通帶出的全真七子個個獲得真傳、都能開山立派,象極了如今國內逆變器企業同宗同源、而又能百花齊放。SSL500的構思精巧,1050kW逆變模塊組成500kW集中式逆變器,如圖8所示,實現較高效率的同時,通過智能休眠提高弱光發電量。只是這個技術來自于艾默生模塊式UPS架構,應用于光伏發電時有些技術細節還需要進一步提高,后續艾默生推出的CT系列同樣一脈相承,只是逆變模塊的功率更大、橫插變為了豎插。

 

華山派---xx電源500kW逆變器

華山派出了風清揚和令狐沖兩位絕世高手,風清揚和令狐沖的絕技都是獨孤九劍,華山派擁有兩個絕世神功:獨孤九劍和乾坤大挪移,雖然獨孤九劍的創始人并不屬于華山派,不過獨孤九劍卻也只有在風清揚和令狐沖手上才得以流傳,倒也勉強算是華山派的武功。如同xx電源的500kW集中式逆變器雖然源自SMA,但出貨量反而超越開山鼻祖如今已經占據到全球第一。xx電源作為國內光伏逆變器的第一家上市公司,技術積累與研發力量雄厚,這款產品一直也是業界的標桿,也是當年學習的對象,如圖9所示。一直追求更高的功率密度及更好的集裝箱散熱性能,同時不斷改進水面光伏等特殊場合的適應性,并且產品每年持續迭代優化,越來越適用于國內大型光伏電站。

 

日月神教---xx技術500kW逆變器

日月神教出了東方不敗和任我行兩位絕世高手,其葵花寶典神功和吸星大法更是厲害無比,雖然葵花寶典神功的創始人不屬于日月神教,但是這門神功卻只有在東方不敗手上發揚光大,因此可以算是日月神教的武功。xx技術當年組建光伏逆變器研發團隊時,充分采用吸星大法而大量吸收了電力電子業內技術精英。通過技術與產品的多輪架構研討、軟硬件技術細節的閉關打怪、及各大專業團隊的分工合作,再經太上老君煉丹爐的千錘百煉,最終獲得了日月精華、練就了葵花寶典。比如第一款500kW集中式逆變器,一經推出立即奪人眼球,如圖10所示,當時引得業內友商竟相現場拆機分析。這是業內第一個三機柜大模塊式系統架構,第一個大功率T型三電平拓撲結構,第一個實現了直流風扇無級調速,同時電控單板插拔式安裝維護,集成化配電單元等等,這些獨特亮點至今仍然是集中式逆變器企業的借鑒對象和學習楷模。我廠在通信行業堅持長期艱苦奮斗、一直擅長高舉高打,事實證明技術+資本是致勝的王道。例如這個重金投向的逆變器業務,有了高層領導的大力支持,重量級配備資源、資金和人員就不是問題,所以xx技術逆變器的成功不是偶然。

 

逍遙派---茂碩電氣SC500KTL

逍遙派的神奇武功非常多,像北冥神功,天山六陽掌,小無相功等等絕世神功。而且除了武功之外,逍遙派對琴棋書畫,詩詞歌賦,醫藥毒藥,星相占卜,奇門遁甲等等也都十分在行。茂碩電氣自成立之初,就定下“科技創新能源”的發展方向,以產品差異化為市場賣點,短短兩年多時間就已完成全系列產品的量產,并已擁有20多項國內外專利,從而把多種爛熟于心的武功秘籍成功應用于多個系列光伏逆變器中。

比如這款大功率SC500KTL集成了直流配電柜功能,內部采用了大功率單元架構,同時做到了更小的體積,實現了靠墻安裝、前維護,如圖11所示。這款逆變器采用了自主知識產權的耦合電感多電平技術,使用成熟可靠的IGBT模塊及自主設計的驅動電路。這種新型技術最大的特點是輸出濾波電感使用了耦合電感結構,一方面降低了輸出電流諧波,另一方面減小了輸出濾波電感的體積與尺寸,從而提高了逆變器性能及降低了電感成本。

茂碩電氣作為一家專注新能源技術的國家高新技術企業,始終堅持以用戶為中心、以“不斷提升發電收益”為導向、以“更穩定的逆變器”為根本、以“拓撲創新與智能控制”為兩個基本點、以成為光伏電控的“蘋果和特斯拉”為目標,長期構建光伏發電的“智能硬件”研發平臺及制造體系。茂碩電氣在成功推出面向光伏扶貧市場的SF3/5KTL金鉆系列、及面向中大型分布式光伏電站的SF50/60KTL金剛系列的基礎上,2017年將向分布式市場推出發電量更高、度電成本(LCOE)更低的差異化產品,如“發電神器”技術和“日光寶盒”產品,相信會再一次讓光伏用戶興奮得眼前一亮。

 


4.

>>>廉頗老矣尚有余熱<<<


伴隨著主流光伏并網發電系統的興起和發展,集中式逆變器已誕生20年,技術成熟可靠、應用案例較多,最大的優點是初裝成本低。同時大部分EPC、設計院、施工企業都熟悉這種系統結構,從而供應鏈、設計與施工成本較低。但是,集中式逆變器這個廉頗畢竟已日漸衰老,需要做進一步的優化改進才能更好地發揮余熱。

就象xx電源提出的概念,要因地制宜選用逆變器。當前國內市場過度追求低初裝成本而不重視LCOE的情況下,在沒有坡度的平坦地面、或角度一致的大型廠房屋頂中仍然可以使用集中式逆變器,只是存在一定的發電量損失。而朝向不同的分布式屋頂或地勢起伏的山地電站中,由于逆變器的MPPT路數較少會極大降低發電量。更關鍵的是這種系統存在大量的組件串聯、組串并聯,不可避免存在“木桶效應”,這個缺陷一方面造成光伏組件的熱斑問題,影響了系統長期工作的穩定性和安全性;更為嚴重的是“木桶效應”導致失配損耗,進一步降低了光伏電站的長期發電收益。

近兩年1500Vdc系統儼然成了“新概念”,主流組件、逆變器企業號稱都有產品,但無他耳,無非進一步增加了組件串聯數量,提高組串電壓以降低線損、有可能降低初裝成本而已。其實這種技術并沒有煉就葵花寶典,可別閉門狂練走火入魔也,要知道1500Vdc系統的“木桶效應”比傳統集中式更加嚴重,比集中式還要集中式。

當年Satcon首次提出的Solstice集散式逆變器技術部分改進了“組串并聯”失配損耗,雖然當前國內有幾家企業已在跟進這種方案,如x望、x車、上x、茂碩電氣等,但還是未能根本性消除組件串聯的“木桶效應”。因此,集中式光伏并網發電系統急需徹底解決“木桶效應”的創新技術,以降低度電成本、持續提升光伏發電收益。

現在風起云涌的光伏領跑者基地都是建在荒山荒坡荒地、或采煤沉陷區、及灘涂水面等,絕大部分采用了集中式技術方案,雖然初裝成本夠低,但是25年發電收益需要更多人為措施來保證,這些將不可避免增加后期運維成本、降低發電收益。過去火力發電一般運行5年就需要更換、淘汰過時的技術和發電機組,希望光伏領跑者項目不會重蹈覆轍、真正起到“領跑者”這個詞所對應的技術和收益領先意義。


  長江后浪推前浪,前浪拍在沙灘上,這是歷史規律。集中式最好還是逐漸歸隱江湖、退居幕后,畢竟立派已久功底還在、未來可廣收門徒,再由門徒來發展創新技術吧。


配资是怎么回事

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