光伏逆变器最新技术进展-王新宇-solarbe文库

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1© 2018 SUNGROW Confidential 光伏逆变器最新技术发展报告人王新宇博士日期 2018/11/08 2 目录光伏系统新挑战01 关键技术高压大容量02 关键技术高功率密度高效率03 关键技术广泛的电网适应性04 3 1.光伏系统新挑战 4 上网电价屡创新低中国 0.31 元 /kWh 印度 3.77 美分 /kWh 沙特 1.79 美分 /kWh 光伏系统的主要挑战美国 2050年 80 德国 2050年 85 中国 2050年 60 渗透率不断增加组件逆变器箱变电网汇流箱支架线缆 5 数据来源彭博社光伏逐年组件价格铜价持续走高组件价格持续降低铜价走势图 1976 1985 2003 2017 2013/06 0.1 1 10 100 2003 1976 2008 2015 2017 1985 百分比美元 /Wp 铜价走势图私营单位就业人员平均工资 32 33 35 36 37 38 39 40 34 2014/06 2015/06 2016/06 2017/06 2018/06 系统成本结构变化对逆变器提出新要求 6 安装场景、电站容量各不相同并网电压不同 220/400V 10/35KV 形式多样屋顶高温环境对设备散热能力要求高潮湿环境， PID现场影响发电量较大高温高湿位置分散、电站运维管理难度大运维不及时导致发电量损失大位置分散环温 50 ℃ 、彩钢瓦 63℃ ，组件大于 70 ℃ 分布式电站主要挑战 7 使命让人人享用清洁电力愿景成为清洁电力转换技术全球领跑者＝生命周期的总成本生命周期的总发电量LCOE 组件逆变器箱变电网汇流箱支架线缆逆变技术向前看向内看向后看我们的使命与技术迭代逻辑 8 关键技术高压大容量 9 0.000 0.200 0.400 0.600 1000V系统 1.25MW方案 1000V系统 2.5MW方案 1500V系统 2.5MW方案线缆施工线缆通讯汇流箱安装汇流箱箱变土建安装箱变逆变器安装逆变器注 0.1 0.05 提高系统电压和单个方阵容量降低系统成本 SG2500HV SG80BF （ 1） 1000V系统 1.25MW单元以 SG1250为例， 1000V系统 2.5MW单元以 SG2500为例 ,1500V系统 2.5MW单元以 SG2500HV为例（ 2）上述成本为除组件、支架外的电气设备成本及安装成本，价格数据基于国内目前市场行情计算，供参考 10 单管并联晶元并联 /模块模块并联逆变器并联单相桥臂并联电流容量 P V D C /D C D C /D C电压等级两电平拓扑三电平拓扑四电平拓扑五电平拓扑常规逆变器容量提升方法 11 最大效率 98.5 更高防护 IP66 单机容量 510MW 直流侧电压 1500V 集成工频变压器隔离升压功能替代 SVG功能 VSG并网技术光储融合 35KV高压直挂 u a u b u c 高频隔离 DC / DC 35 kV C SM PV DC / DC 电池 C SM PV DC / DC 电池 C SM PV DC / DC 电池 C SM PV DC / DC 电池 C SM PV DC / DC 电池 C SM PV DC / DC C SM PV DC / DC C SM PV DC / DC C SM PV DC / DC 电池电池电池电池更高系统电压更大系统容量更高系统效率更低系统成本产品迭代功能扩展性能高压直挂式光伏逆变器 12 关键技术高功率密度高效率 13 集中式逆变器组串式逆变器逆变器效率已达到较高水平组串式和集中式逆变器最高效率均达到 99 下一步需在保持高效率前提下进一步提高功率密度，目标是达到 1W/cm3以上，以应对分布式接入灵活部署的需求，适应各种复杂应用场景，减少运输、安装、维护等费用保持高效率前提下进一步提升功率密度 14 PV inverters 半导体倾向于较低的开关频率来降低开关损耗，相应地也减小散热器的体积和重量磁元件倾向于较高的开关频率来减小体积和重量半导体 - IGBT 磁元件 – 电感辅助电源启动电路电容风扇母排主要的耗能器件次要的耗能器件开关频率选择上的进退两难 15 软开关技术在隔离型 DC/DC领域得到广泛引用，为提高功率密度产生巨大贡献逆变器软开关技术在学术领域也常出现，但在实际应用中较少见到逆变器的软开关实现条件较为苛刻，带来通态损耗的上升和成本的上升较为明显兼顾功率密度和效率的方案方向 1软开关技术宽禁带半导体器件开关性能得到突破，即使采用较高的开关频率其开关损耗也在可接受范围内，从而缓解磁性元件的压力宽禁带半导体器件成本仍然比较高，可以考虑混合型拓扑方向 2宽禁带半导体器件多电平技术使得功率半导体的频率和磁性元件的等效频率解耦，也就是说可以让半导体的频率比较低，而磁性元件的等效频率比较高，有效缓解两者的需求矛盾多电平技术拓扑和控制相对而言较为复杂方向 3 多电平技术方向 1 方向 2 方向 3 16 额定功率 165 kW 功率密度 1.2 W/cm3 开关频率 40 kHz 最高效率 99.2 欧洲效率 99 80cm 70cm 24.5cm 效率曲线基于 SiC器件的组串式光伏逆变器 17 ANPC 三电平拓扑I-NPC 三电平拓扑 S i I G B T S i D i od e S i I G B T S i D i od e S i I G B T S i I G B T S i I G B T S i I G B T S i I G B T S i I G B T S i C M O S S i C M O S采用 SiC MOSFET与 Si IGBT混合器件拓扑以降低成本 18 散热方法最高温升最低温升温升差别传统方法 ℃ 45.7 27.7 18.0 相变散热 ℃ 20.1 16.2 3.9 改善温度 Δ℃ 25.6 11.5 14.1 宽禁带半导体的特性可以使得小面积的 SiC晶元具有和大面积 Si晶元相同的导通电阻但由此带来的问题是 SiC器件的热阻比 Si器件更大采用类似相变散热等先进散热技术提高逆变器功率密度器件 Vds Tj Rthj-c SiC MOSFET C2M0280120D 1200V 150 1.8K/W Si CoolMOS IPW90R120C3 900V 150 0.3K/W Si IGBT IGW40T120 1200V 150 0.45K/W 相变散热采用不同散热方法的温升比较先进散热技术不同器件热阻 19 关键技术广泛的电网适应性 20 强电网弱电网逆变器并网点与电网之间的阻抗阻抗很小，可以忽略存在相对较大且波动的等效阻抗并网点电压等于电网电压不等于电网电压，且电压出现明显波动或谐波强网特性弱网特性逆变器要具备广泛的电网阻抗适应能力具有时变特性的电网阻抗大量的分布式发电设备及渗透率的增加电网中级联多级变压器较长的输电线路或末端电网电网改造增大变压器容量 21 辨识并网点等效电网阻抗，是实现并网逆变器在强弱电网场合下高性能自适应稳定控制的关键技术根据阻抗分析的稳定性理论， Zcs ≠Zgs 或 ZcsZgs时，需要具有足够的相位裕量，系统才稳定 L 1 C 1 C 1 i L 2 gz P C C 新能源发电DC DC ZgsZcs 相位裕量系统稳定性理论 22 主动检测方案主动在控制中注入非特征次谐波 - hc h h c sj  − c oc sj   c oc sj  − Es hu 1u  1u  −g u  c ocs jn  − c oc s jn   nu  − nu  MCCF控制框图此方案可实现电网阻抗的阻性、感性分量的准确辨识基于多模块复数滤波器（ MCCF）的电网阻抗辨识方案系统框图 23 设置如下工况在 0.65s向电网注入 5次谐波和 7次谐波，分量所占大小均为 5 .10 - 3 L g/H 1.5 0.9 2.1 R g/ Ω - 3 1 5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 t / s 基于传统复数滤波器（ CCF）的电网阻抗辨识方案输出结果出现波动，无法准确收敛基于多模块复数滤波器（ MCCF）的电网阻抗辨识方案输出结果能够准确收敛 .10 - 3 L g/H 1.5 0.9 2.1 R g/ Ω - 3 1 5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 t / s 电网阻抗辨识效果 24 总结光伏逆变器最新技术发展  高压大容量  高功率密度高效率  广泛的电网适应性组件逆变器箱变电网汇流箱支架线缆 25© 2018 SUNGROW Confidential THANK YOU