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光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有周期性的特點(diǎn),是可再生能源領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分,在經(jīng)歷了2012年歐洲對(duì)我國(guó)的雙反調(diào)查和2018年的“531新政”等多次市場(chǎng)和政策波動(dòng)后,仍展現(xiàn)出持續(xù)的發(fā)展活力。光伏逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新是推動(dòng)光伏發(fā)電行業(yè)向前發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。
21世紀(jì)初,德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)政府補(bǔ)貼等措施支持光伏發(fā)電,推動(dòng)了光伏裝機(jī)量的增長(zhǎng),使歐洲一度成為光伏發(fā)電的領(lǐng)先地區(qū)。中國(guó)自2009年起陸續(xù)推出“金太陽(yáng)示范工程”和“光伏領(lǐng)跑者計(jì)劃”等專項(xiàng)政策扶持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè),有效促進(jìn)了國(guó)內(nèi)光伏裝機(jī)量的快速增長(zhǎng),且自2015年起連續(xù)多年保持世界第一。
據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù),截至2023年11月底,我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模已達(dá)5.58億千瓦,可再生能源發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到14.5億千瓦,占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)超過(guò)50%,歷史性超過(guò)火電裝機(jī),這標(biāo)志著光伏發(fā)電逐漸由輔助能源向主力能源的轉(zhuǎn)變。
光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)

為應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電的天然間歇性和波動(dòng)性,儲(chǔ)能系統(tǒng)的整合成為保證電網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在此過(guò)程中,光伏逆變器在轉(zhuǎn)換能量和協(xié)調(diào)儲(chǔ)能系統(tǒng)等方面發(fā)揮著重要作用,同時(shí),功率半導(dǎo)體作為電能轉(zhuǎn)換和控制的核心,對(duì)提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的影響。加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)交流合作,歡迎加入艾邦I(lǐng)GBT/SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈交流群,掃描以下二維碼即可加入產(chǎn)業(yè)鏈微信群及通訊錄。

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何為光伏逆變器

光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件。光伏發(fā)電將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能,逆變器將直流電(DC)轉(zhuǎn)化為交流電(AC),光伏逆變器將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電,因此又稱電源調(diào)整器。光伏逆變器內(nèi)部主要由升壓回路和逆變橋式回路構(gòu)成,利用晶體管等開關(guān)元件的重復(fù)開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電流類型的轉(zhuǎn)換,這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程對(duì)于保證電能穩(wěn)定輸出至關(guān)重要。

光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)

圖源:光伏電力知識(shí)庫(kù)
此外,它不僅確保了電流的有效轉(zhuǎn)換,還通過(guò)集成的智能功能如主動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)以及防孤島效應(yīng)等,優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的性能和安全性。因此,在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,逆變器既是電力轉(zhuǎn)換的“心臟”,也是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的“大腦”,有效保障了光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

光伏逆變器的分類

光伏逆變器可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類,常見的分類方法是根據(jù)連接方式分為并網(wǎng)型逆變器和離網(wǎng)型逆變器;根據(jù)技術(shù)結(jié)構(gòu)分為集中式、串聯(lián)式、集散式和微型逆變器等,這種分類也是業(yè)界主流方法。不同功率段對(duì)應(yīng)不同形式的逆變器對(duì)應(yīng)不同的場(chǎng)景,其各自主要特點(diǎn)如下表所示。
表:光伏逆變器的類型
特性/機(jī)型 集中式逆變器 組串式逆變器 集散式逆變器 微型逆變器
產(chǎn)品示意圖 光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)  

光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)

光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì) 光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)
最大功率跟蹤對(duì)應(yīng)組件數(shù)量 單個(gè)組件
功率拓?fù)?/span> 單逆變 MPPT升壓+逆變 MPPT升壓+逆變 MPPT升壓+逆變
最大功率跟蹤電壓范圍
功率等級(jí) 500kW--5MW 2--400kW 500kW--5MW 0.2--2kW
發(fā)電效率 一般
安裝占地 機(jī)房或集裝箱 不需要 不需要 不需要

資料來(lái)源:林眾電子

集散式逆變器是近兩年興起的一個(gè)新型概念,它巧妙地結(jié)合了集中式逆變器的逆變部分和組串式逆變器的升壓部分,采用與這兩種逆變器相同的功率半導(dǎo)體方案;微型逆變器主要采用中低壓MOSFET和一些小功率IGBT,適用于功率較低的應(yīng)用場(chǎng)景。

在選擇功率器件時(shí),模塊化或中到大功率產(chǎn)品通常是主流,因此我們特別關(guān)注集中式和組串式逆變器兩種形式:集中式逆變器適合于大規(guī)模光伏電站,優(yōu)勢(shì)在于高功率容量和經(jīng)濟(jì)效益;而組串式逆變器則因其對(duì)單獨(dú)光伏組件的優(yōu)化而受到青睞,特別適用于中小規(guī)模的光伏系統(tǒng)。在過(guò)去十年中,集中式光伏逆變器和組串式逆變器經(jīng)歷了顯著的發(fā)展和優(yōu)化,發(fā)展趨勢(shì)分別如下所示:

光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)

1.? 集中式逆變器發(fā)展趨勢(shì)

●?單機(jī)功率逐步提升:?jiǎn)螜C(jī)功率等級(jí)從500kW逐步提升至1.25MW-->2.5MV-->3.125MW-->4.4MW,單瓦成本降低
●?直流母線電壓提升:主流機(jī)型從1100V直流母線電壓提升至1500V,降低直流線纜成本
●?電路拓?fù)鋭?chuàng)新:從傳統(tǒng)兩電平發(fā)展成普遍采用三電平拓?fù)?/span>
●?功率半導(dǎo)體模塊方案:有逆集成化趨勢(shì),逐步從使用高端的黑模塊切換到更為普通的白模塊,成本和供應(yīng)鏈更好
●?防護(hù)等級(jí)提升:逐步從IP20/IP23發(fā)展到IP65,從必須要安裝在室內(nèi)或集裝箱內(nèi)到室外機(jī)型
●?光儲(chǔ)融合:支持儲(chǔ)能接口

光伏逆變器的發(fā)展趨勢(shì)

圖源:林眾電子

2.? 組串式逆變器發(fā)展趨勢(shì)

●?單機(jī)功率逐步提升:功率等級(jí)從最大30kW逐步提升至50kW-->100kW-->200kW-->300+kW,單瓦成本降低
●?直流母線電壓提升:主流機(jī)型從1100V直流母線電壓提升至1500V,降低直流線纜成本
●?功率半導(dǎo)體器件方案:先進(jìn)硅器件650V 第五代IGBT,950V第七代IGBT芯片迅速普及應(yīng)用;SiC器件,主要是SiC SBD大量應(yīng)用;
●?功率半導(dǎo)體封裝方案:100kW以下功率等級(jí)有逆集成化趨勢(shì),大量使用單管并聯(lián)方案代替功率模塊,國(guó)產(chǎn)單管替代滲透率提高;1500V系統(tǒng)功率等級(jí)均為100kW以上,繼續(xù)以功率模塊方案為主,國(guó)產(chǎn)滲透率較低。

圖源:林眾電子

功率半導(dǎo)體在光伏逆變器中的應(yīng)用發(fā)展

功率半導(dǎo)體作為電能轉(zhuǎn)換和電路控制的核心組件,在光伏逆變器中扮演著至關(guān)重要的角色,負(fù)責(zé)整流、分流、逆變、穩(wěn)壓、變頻、功率控制等多種功能。隨著全球?qū)稍偕茉吹年P(guān)注和中國(guó)“雙控”及“雙碳”政策的推動(dòng),光伏產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大,功率半導(dǎo)體也被廣泛應(yīng)用于光伏逆變器領(lǐng)域。
在光伏逆變器中,硅基IGBT仍然是主流的功率半導(dǎo)體器件,特別是在集中式逆變器中,幾乎都采用IGBT+FRD的全硅器件方案,對(duì)SiC MOSFET需求不大。這主要是由于光伏逆變器經(jīng)常工作在高負(fù)載條件下,SiC MOSFET在大電流和高結(jié)溫下的導(dǎo)通壓降增長(zhǎng)幅度大,使其效率優(yōu)勢(shì)不如IGBT顯著。
對(duì)于組串式逆變器,IGBT+SiC SBD混合方案成為主流,它結(jié)合了IGBT的高效率和SiC的低損耗特性,特別適用于中小功率應(yīng)用。同時(shí),組串式MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)升壓電路中,少量方案采用SiC MOSFET,以進(jìn)一步提升效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
在封裝形式上,集中式逆變器通常采用功率模塊,以滿足大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的需要;而組串式逆變器則根據(jù)功率等級(jí),中小功率機(jī)型多采用功率單管,中大功率機(jī)型則傾向于使用功率模塊。
總體而言,功率半導(dǎo)體在光伏逆變器應(yīng)用中的角色日益重要,隨著技術(shù)的不斷革新,其在提升光伏逆變器的效率、可靠性與整體性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)功率半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化,光伏逆變器正朝向更高效、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保的方向發(fā)展,這進(jìn)一步推動(dòng)了全球向清潔能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。
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作者 liu, siyang

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