下一代太阳能逆变器产品技术趋势

编者按：凭借在光伏电站中所起到的作用随着电站运营持续增加，逆变器成为了持续创新领域内的重点。弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer ISE)的Stephan Liese先生对下一代太阳能逆变器技术进一步发展的关键领域进行了研究。

随着全球对于碳中和类能源供应的追求，可再生能源来源在全球范围内变得愈加重要。其中光伏能源在这一背景下也格外突出。在最近几年内，光伏平准化能源成本与传统能源形式相比出现大幅下降[1]。作为光伏系统的关键组成，在忽略功率范围的条件下，太阳能发电的效与可靠性实际上是由光伏逆变器的特性来决定的。由于成本压力的不断加大，增加了对新一代光伏逆变器产品的需求，新产品不仅需要具有技术创新与可靠性，同时还要在成本优化和智能操作方面起到关键作用。

功率密度

功率密度和功重比已经在上个世纪九十年代逆变器产品发展之初起到了重要的作用。过去的几十年已经通过使用变压器消除电路拓扑结构和增添半导体新技术获得了角度的技术发展。不仅效率提升至几近99%的理论极限值[2]，同时其功率密度和功重比也得到了大幅提高。

最新的半导体技术的引入大幅提升了功率密度，特别是在光伏逆变器领域。碳化硅半导体的引入实现了更高的交换频率，从而大幅减少了如电感器等无源零部件的使用(参见图一)。

由于宽带隙半导体产品市场渗透率的提高，SiC-MOSFET(碳化硅-金属氧化物半导体型场效应管)在光伏逆变器上的应用也不断增加。宽带隙半导体可使得设备能够在与传统硅基半导体更高的电压、频率和温度下运行。硅基IGBT(绝缘栅双极型晶体管)与SiC Schottky(碳化硅肖特基)二极管在被称作混合功率组件中的结合已经成为商业化逆变器内的先进技术。由于运输领域的电气化进程及其带来的半导体产品在光伏行业之外的大规模市场(参加图二)，可以假定，碳化硅半导体的价格将在未来几年内持续下降。在运输领域，功率密度或功重比所具有的重要性要远高于光伏领域。所减少的每公斤重量都将提高电动汽车的运行里程。因此，碳化硅技术将在未来几年内成为光伏逆变器领域内的先进技术。在光伏逆变器领域内，已有首批制造商推出了完全基于碳化硅技术的设备。

氮化镓(GaN)等半导体技术目前仍旧主导着消费类电子产品市场，并逐步被电力电子市场所关注。通过在兆赫范围内提高交换频率，重量与容量，以及相关的材料成本将得到进一步下降。与碳化硅半导体不同，后者在商用领域可实现高达1700V的反向电压，商用氮化镓半导体的最高反向电压仅为650V，其最大电流为60A，反过来也阻碍了功率等级的可扩展性。由于较高的价格和较低的反向电压，氮化镓半导体仍旧主要用于对小规模电力电子设备(<5kW)的研究项目中。该技术未来的一个挑战是针对并联方式改善氮化镓半导体，以覆盖更高的功率范围等级。氮化镓半导体较高的交换频率将需要额外的创新式、内外电磁兼容(EMC)设备理念，并同时兼容现有标准。

光伏逆变器可基本上被分为两类。一类是功率范围在125kW左右的组串式逆变器，另一类是功率从几百千瓦至兆瓦级别的集中式逆变器。在组串式逆变器中，多级拓扑结构奠定了其先进的技术地位。大量相关电压等级的引入使得输出滤波器中的无源元件数量进一步减少，同时，新式半导体还使得交换频率得到提高。然而，多级拓扑结构与电压等级数量的增加同时也具有缺陷，其操作运行涉及了大量额外电路与控制技术。所谓的三级拓扑结构可在复杂性与功率密度之间实现较好的妥协。多级拓扑结构与最新一代半导体产品的结合，在加上较高的交换频率，不仅将继续应用在组串式逆变器领域中，同时还将不断增加自身在集中式逆变器领域内的应用。

对于集中式逆变器来说，其发展趋势明显倾向于朝着更高功率和输入电压的方向发展。所开展的相关研究项目也致力于凭借半导体技术和创新设计理念来大幅缩减集中式逆变器的产品尺寸(参见图三) [3]。

提高功重比

光伏逆变器的成本明细表明，实际的电力电子器件及相关半导体及其控制部分仅占总成本的三分之一左右。高达70%的其他绝大多数成本与机械和机电部件有关。机械部件包括外壳(主要由压铸铝或金属片组成，具体使用状况取决于性能等级)、部分集成在外壳结构中的铝制散热片和支撑结构。电感器、印刷电路板(PCB)和连接器可配给机电部件。除了凭借将新型半导体与更高交换频率相结合而变得越来越小的电感器之外，在所有其他领域内，仅出现了少量技术创新产品，却对成本做出了重大贡献。

例如，少数逆变器制造商已经开始使用聚碳酸酯外壳，可有效减少原材料的使用，从而促进成本下调。与外壳和改良后生产流程相关的新材料组合不仅可以满足EMC要求，同时，这些创新还能够确保在未来具有大规模的成本下调潜力。

就冷却流程而言，研究项目“PV-Pack”[4]近期对被称为“热芯”(hot core)的概念进行了实验性研究。该项目的目标从其名称中即可窥见一斑：《光伏套装：用于10至40kW功率范围内的高效、高速交换、高度集成光伏逆变器的冷却、包装和装配优化技术》(PV Pack: Optimised cooling, packaging and assembly technologies for efficient, fast-switching and highly integrated PV inverters in the 10 to 40 kW power range)。

为实现这一目标，包括SMA公司、弗劳恩霍夫制造与应用材料研究所(IFAM)、菲尼克斯电气(Phoenix Contact)和Fraunhofer ISE在内的多家资深机构成立相关联盟。凭借散热片的隔热性，可以实现更高的温度水平，尤其是在与碳化硅半导体相结合之后，其工作温度高达200 ℃，可以更有效地利用散热片和半导体特性。复合材料的使用可以进一步降低散热器的材料成本，从而提高功重比。此外，在这一概念中还引入了不同的温度区域，这意味着可启用对温度要求较低的电子和机电部件，继而反过来又对成本产生影响(参见图四)。

冷却和外壳的连接是组串式逆变器领域内的最新技术，同时，其中还包括逆变器的支撑结构。在上述研究项目中，这两个部件是完全相互分离的，这又使得支撑结构能够被分开对待。在未来，多功能轻质结构概念可在此进行应用，例如集成传热机制或部分导电性等，这样可以更有效地对安装空间进行利用。考虑到成本和相关材料的使用，这一领域内仍有相当大的优化潜力来进行进一步的创新。新兴的电动汽车大众市场也会对成本削减潜力产生巨大影响。

然而，要提高功重比，仅仅关注上述几点是不够的。光伏逆变器和相关的电力电子设备还需要许多其他部件，这些部件通常是需要单独购买的。例如，EMC滤波器、电容器和各类断路器等都属于此范围。未来还应该对这些部件进行更深入的研究，以确保可实现的功重比增加程度，以及如何实现成本优化。特别是在集中式逆变器领域内已存在一段时间，并引入组串逆变器(>50kW)领域的1500V技术，可以见到相当多数量的零件和部件尚未实现商业销售以用于增加电压电阻，特别是对于有组串式逆变器来说，部分相关部件须按需开发。

可靠性与智能性

光伏逆变器在电子功率方面的主要失效原因目前集中在功率半导体或电容器上。在未来，必须要么确保增加这两个部件的可靠性，要么确保电子功率设备能够对逆变器或这两个部件的健康状态进行智能报告。容错型光伏逆变器还有助于通过各种方式来确保系统服务，例如：根据故障类型仅以较低的功率运行等。在工业4.0时代，为了提高光伏逆变器的内部智能程度，目前仍需在监控上进行一系列创新。对比一下风力涡轮机制造商们的做法就足以知晓这一方式的前景，这些制造商在这一特定发展线路上已经超前许多。光伏逆变器的通常使用寿命为20年，但必须考虑到这一计算方式“仅”考虑到了日照时间。然而近年来，逆变器越来越多地接管了传统发电机所应承担的各种系统服务；为了能够长期提供这些服务，逆变器的尺寸也必须适合夜间操作。按照规定，辅助服务包括各类电网支持方式，例如通过有功功率进行频率支持或通过无功功率进行电压维护。

由于所使用的控制技术，大多数逆变器只能用作电流源，因此仅在有限的范围内有助于电网维护。然而，由于馈入逆变器对电网的渗透愈来愈高，以及同步发电机等“常规”旋转设备的替换，未来逆变器自身须能够确保电网的维护。

通常，光伏逆变器在并网单元模式下运行。由于逆变器的多功能性日益增强，例如具有光伏电力输入功能和电池连接选项等，这些设备通常具有两种操作模式。一种是电网并联运行，另一种是孤岛运行。在电网并联运行模式中，逆变器与电网电压和电网频率同步并向电网输送电流。因此，源特性为电流源。这种操作模式被称为“电网馈送”(grid feeding)。然而，在孤岛运行模式中，孤岛电网的电网电压和频率由逆变器形成。源特性是电压源。电流由所接的负载决定。这种操作模式被称为“电网组成”(grid-forming)。

随着越来越多的逆变器馈入互联电网并减少同步发电机的使用，通过逆变器控制电网电压和频率的需求正在增加。这种在互联电网或孤岛电网中运行的逆变器运行模式称为电网维持(grid-sustaining)。这种操作模式需要复杂且通用的控制算法，这些算法目前正在开发中，并且仍仅用于研究目的。在未来，这项功能应作为标准功能应用在多功能设备、电池逆变器和光伏逆变器之中，从而使得光伏即使在功率受限的条件下，也能够为所有可再生能源供应作出相应贡献，以维持电网运行。

此外，可再生能源电站不断发展的互联和数字化进程也将变得越来越重要，特别是在光伏和风电发电量存在波动的情况下。通常来说，所产电力并不会直接在现场消耗掉，而是必须传输至所需要的地方。蓄电设施的额外扩张将有助于将生产和消耗紧密结合在一起。精确获取和控制电力流动至关重要。为了保证这一点且不会危及电网稳定性，设备的通信能力在未来将发挥越来越重要的作用，特别是与上级电网运营商之间的通信能力，以优化电网中的电力流动控制。

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