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适度超前--选择中功率组串式逆变器的必备知识(1)
2017-02-21

一、适度超前--论逆变器设计中庸之道

光伏逆变器竞争激烈,百花齐放,百家争鸣,各个厂家都在费尽心机,让自己的产品与众不同,有的厂家以控制成本为主,价格上做到极低,有的厂家以控制功率密度为主,把尺寸做到极小,有的厂家着重提升效率,有的厂家喜欢新型器件,有的厂家追求自然冷却,把无风扇进行到底。

光伏逆变器涉及电力电子,智能控制,机械结构,电能质量等多个学科,是一个系统工程,逆变器的体积、重量、效率、噪声、电压范围、温度等每一个参数指标都很重要,如果单纯片面去追求某一两个技术指标的完美,则会牺牲逆变器的其它性能,造成综合性能变差。

中庸思想贯穿中华五千年的文明史,其核心就是凡事不可太过,日中则移,月满则亏,器满则倾,水满则溢,物极必反。中庸之道不是说不追求完美,而是在均衡的基础上再追求完美,电子技术发展是日新月异,新技术成为市场上销售的新亮点,但并不是所有的新技术都完美无缺的,也并不是所有的老技术都是过时的,新技术与旧技术也没有绝对的界限。以适度超前为原则,均衡发展为目标,从实际出发,采取新老技术相结合的方式,从用户的角度出发,在生命周期内实现收益最大化,才是逆变器设计选型中庸之道。

一、功率模块

功率模块的技术突破让组串式逆变器产生质的飞跃!

2013年前,在地面电站使用集中式逆变器,分布式小电站使用组串式逆变器,随着组串式逆变器功率越做越大,大型地面电站也开始使用组串式逆变器, 有关两种方案的争论也一直没有停过,两种方案各有优缺点,集中式逆变器优势是功率器件少,可靠性高,缺点是MPPT数量少,电压范围窄;组串式逆变器优势是MPPT数量多,电压范围宽,缺点是功率器件多,可靠性低。

功率开关器件是逆变器最核心的器件之一,承担电流的转换工作,长时间工作在高温,高电压,大电流状态,是逆变器最容易出故障的器件,每一个功率器件就是一个故障点。光伏逆变器中的功率开关器件主要是指分立器件功率MOSFET和功率模块IGBT。早期的中功率组串式逆变器,一般采取分立器件,由于功率MOSFET电流都比较少,一般都采取多个器件并联的方式。50KW逆变器采用分立器件来设计,需要60多个,这么多开关器件堆在一起,会产生一系列的问题。如均流,电磁干扰等等。

大家都知道,功率开关管的失效模式是过压,过温,过流。分立元器件由于器件多,元器件之间距离比较远,所以电路杂散电感大,造成工作时尖峰电压高,元器件容易出现过压损坏;多个元器件并联,阻抗不一致,每一个元器件电流就不一样,阻抗低的元器件电流大,很容易过流;分立器件单端固定,接触面积小,散热很难保持一致,很容易过温。

早期的采用分立元器件的中功率组串式逆变器,在运行过程中出现过多故障,让人们对中功率组串式逆变器的前程提出了怀疑。不过直到

Vincotech和infineon先后推出了包含多个元器件的功率模块,才改变了这一现状。

Vincotech专为中功率组串式逆变器推出的IGBT功率模块,一个模块相当于8个分立器件。模块具有很高的灵活性。


 
双BOOST功率模块

相对于MOSFET,IGBT饱和压降低,容易实现高压、大电流化,在中大功率逆变器占主导地位。而IGBT模块比分立的IGBT单管具有更高的可靠性和安全工作区。光伏逆变器前级采用双BOOST升压的IGBT功率模块,后级采用三电平IGBT功率模块,是目前中功率光伏逆变器最佳的方案。

中功率光伏逆变器最佳的方案:

(1)减少功率器件的个数,50KW采用功率器件来设计只要5个,数量比同规格的集中式逆变器还少,而采用分立器件来设计,前级升压需要15个,后级三电平逆变需要48个。整体面积缩小30%以上,可以提高整机功率密度。

(2)单个功率模块的安装面积比分立元器件散热面积大,应力更小,可靠性更好,在安装上也有很多优势。另外,功率模块内部集成一个温度感应器,测量精度高,能更准确地检测器件结温,有利于过热保护。

(3)功率模块结构紧凑,各功率开关器件之间连接线相对分立器件短很多,可以减少电路中的杂散电感,提高逆变器的可靠性。

(4)IGBT模块开关频率更高,可以提高效率,减少电感的容量。

(5)相对于分立器件,功率模块不足之处是单位面积热耗大,整体散热面积小,功率在30KW以上如果采用自然冷却的方式散热,在环境温度高于40度时,会出现过热保护。但采用强制风冷的方式散热,就可以完全避免这个问题。

二、薄膜电容

薄膜电容让组串式逆变器不再有短板!

逆变器作为电子产品,电容是最基本的元器件,直流母线支撑电容主要作用是储能和滤波,要承受很高的脉冲电流和脉冲电压,是逆变器寿命最短的器件之一,直流母线电容现在有铝电解电容和薄膜电容两种,各有优势。电解电容的主要优势是单体容量大,价格低,薄膜电容优势是单体电压高,但也有很明显的优势:

(1)电解电容的寿命一般是2000~3000小时,长寿命的有5000~6000小时,并且容易发生漏液;薄膜电容寿命一般是100000小时以上。而且薄膜电容还具有自愈效应,电容内部微小部分产生短路时,短路产生的能量会融熔和蒸发损坏的电极,从而使该短路点再次处于绝缘状态。


(2)电解电容耐压值一般为500-550V,薄膜电容耐压值一般为1000-1300V,薄膜电容能承受2倍于额定电压的浪涌电压的冲击,能长期承受反向脉冲电压。

因此,从寿命和可靠性的角度考虑,薄膜电容可以完胜点解电容。

三、监控运维

包含运维的监控系统为安装商解除后顾之忧!

光伏电站监控现在有两种形式:
一是第三方监控平台,如淘科,英臻。
二是逆变器厂家开发的监控平台。

这两种各有好处,采用第三方监控平台,可以监控多家公司的逆变器,适应于有多个厂家的安装公司;逆变器厂家开发的监控平台只能监控自己公司的逆变器,有局限性,但好处也明显,界面更有针对性,故障处理更快,远程升级更方便。

古瑞瓦特自主开发的监控设备和云平台,操作简单方便,界面友好,即便没有经验的人,5分钟内也可以注册成功,通过监控系统可以查看每一台逆变器的运行情况,界面友好,更重要的十分方便,客户最关心的逆变器工作状态、实时功率、每天发电量,就放在每一台逆变器下面,所有数据一目了然,在线智能客服系统还可以主动提供服务,发现问题、故障预警、问题远程诊断和处理功能。


光伏系统出现故障时,先查看出故障逆变器的报警信息,再根据信息找到相应的故障处理方法,大部分问题都可以当场解决。如果还解决不了,可以选择向客服提问,服务器端在线客服会耐心解答,如果是系统软件问题,可以远程在线升级;如果是逆变器硬件问题,在线客服会第一时间转到客服中心,相关的技术工程师诊断后,会决定采用维修或者换机最快解决方案。

          


四、要点总结

采用功率模块和母线薄膜电容的组串式逆变器,兼具了集中式逆变器功率器件数量少,薄膜电容寿命长,整体可靠性高的优点,和组串式逆变器MPPT电压范围宽路数多、逆变器体积小重量轻搬运安装方便等优点。因此说功率模块的出现,在新技术出现之前,可以让组串式逆变器和集中式逆变器之间的路线之争暂时告一段落。

古瑞瓦特2016年下半年推出的Growatt 30000TL3-S到Growatt 50000TL3-S中功率系列逆变器,全部采用功率模块和母线薄膜电容,配置组串检测,熔丝保护,交直流防雷模块,防PID模块和AFCI模块。经过近半年的应用,得到了客户的高度评价。

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