碳化硅光伏逆變器,擁抱光伏新機遇

電源與新能源 時間:2022-04-19來源:網絡

全球光伏產業發展迅速,已進入大平價時代

隨著光伏投資成本的下降及發電效率的提升,全球已經進入光伏平價時代。光伏因具有綠色環保,取之不盡,用之不竭的特點,近年來呈高速發展態勢。根據中國光伏協會預測,未來五年全球光伏市場最高年均新增裝機可達到287GW,2025年最高可達391GW,年復合增速16%。

未來五年全球光伏年均新增裝機預測(GW)

來源:CPIA

我國正在構建可再生能源“十四五”規劃藍圖,并且在“碳中和、碳達峰”目標指引下,光伏產業成長迅速,中國光伏協會預測未來5年我國光伏年均新增裝機樂觀情況可達到90GW,2025年最高可達123GW,年復合增速21%。

未來五年中國光伏年均新增裝機預測(GW)

來源:CPIA

光伏逆變器類型

光伏逆變器是實現光伏并網的一項關鍵技術。根據是否含有隔離變壓器,光伏并網逆變器可以分為隔離型和非隔離型兩大類。其中隔離型逆變器可以根據工作頻率分為工頻和高頻兩種;而非隔離型逆變器根據構成不同可以分為單級和多級兩種。

(1)隔離型光伏逆變器

工頻隔離型變壓器是最常見的一種方式,太陽能板PV產生直流電,經過一個逆變器轉變為交流電,這個交流電的相位可以經過控制,與電網電壓保持一致,但它的幅值與電網電壓幅值不同,所以要經過一個工作頻率為電網電壓工作頻率的變壓器,才能接入電網。但工頻變壓器效率不高,導致整個逆變器效率較低。

工頻隔離型逆變器工作示意圖

來源:CNKI

高頻隔離型逆變器比工頻隔離型逆變器多了一個DC-DC環節,可以提高變壓器的工作頻率而不受電網頻率的限制,優點是減小了變壓器的體積和質量,增加了逆變器的功率密度。

高頻隔離型逆變器工作示意圖

來源:CNKI

(2)非隔離型光伏逆變器

在隔離型光伏逆變器中,電能會先后轉化為磁能和電能,這個轉化的過程會產生能量損耗,同時也增加了逆變器的體積。為了提高光伏逆變系統的效率,可以采用非隔離型方案,非隔離型根據電路拓撲可分為單級式以及多級式。

單級式非隔離型逆變器將太陽能板輸出直接逆變為電網電壓,對逆變器輸出電壓的控制要求較高,達到直接并網的電壓等級。

單級式非隔離型逆變器工作示意圖

來源:CNKI

對于兩級式光伏逆變系統,逆變電路之前有一級DC-DC電路,通常是Boost電路,以增加對光伏陣列的輸出電壓范圍的適應性,經過解耦電容后再進行逆變,接入電網。解耦電容可以解決輸入輸出功率不匹配的問題。

兩級式非隔離型逆變器

來源:CNKI

SiC光伏逆變器提效顯著,備受市場關注

在光伏領域高速發展的時代,SiC光伏逆變器備受市場關注的原因大致有三個:

(1)SiC二極管的逆變器,可以使系統的電力損失得到減少。相比于Si二極管,使用SiC二極管可以減少約30%的損失。

(2)SiC二極管可以使逆變器的體積和質量大大減小。由于SiC散熱快,縮小了系統的冷卻結構。利用SiC二極管,可使逆變器的體積和重量減少40%~60%左右。

(3)SiC逆變器已在國內外市場得到廣泛實際應用驗證。

軌道交通方面,東京地鐵銀座線的新“01系列車”采用了SiC逆變器,不僅降低了逆變器的電能損耗,還提高了電能再生性能,從而降低了耗電量;我國株洲中車時代聯合深圳地鐵集團基于3300V等級高壓大功率SiC MOSFET的高頻化應用自主開發了地鐵列車全碳化硅牽引逆變器,在節能方面表現優異,經裝車試驗測試,同比傳統硅基IGBT牽引逆變器的傳動系統,綜合能耗降低10%以上,牽引電機在中低速段噪聲同比下降5分貝以上,溫升同比降低40℃以上。

新能源汽車方面,特斯拉率先開展SiC器件的應用,Model 3采用了意法半導體推出的650V SiC MOSFET逆變器,相較Model X等車型上采用的IGBT能帶來5%~8%的逆變器效率提升,之后相繼推出的Model Y以及Model S Plaid也采用了SiC技術。國內方面,比亞迪·漢EV高性能四驅版本也搭載了SiC器件,為國內首款采用SiC技術的車型。蔚來首款純電轎車——ET7也將搭載采用SiC模塊的第二代電驅平臺。

SiC光伏逆變器開發案例

(1)英飛凌推出用于光伏逆變器的SiC 型 JFET

英飛凌開發出了適用于光伏發電用逆變器的耐壓為 1200V的SiC型JFET“CoolSiC產品群”并于2012年投產。如果采用SiC型JFET代替傳統逆變器裝置中使用的IGBT,可以實現裝置的小型輕量化,同時提高工作頻率,也能降低開關損耗。

(2)富士電機SiC MOSFET首先用于光伏逆變器

富士電機積極推進 SiC MOSFET的實用化,用于2014年8月開始量產輸出功率為1000kW的百萬瓦級光伏電站使用的光伏逆變器。

(3)田淵電機在光伏逆變器中采用SiC二極管

田淵電機是日本首家在光伏逆變器中采用SiC二極管的企業。該公司采用SiC二極管的逆變器通過減少開關損耗和導通損耗,大幅降低了轉換損失。雖然仍需組合采用IGBT,但今后通過完全采用SiC,估計損耗還將減少60%左右,并且成本反而可能下降。

(4)三菱電機推出采用 SiC 的光伏逆變器產品

在可再生能源技術及產品展會“PVJapan2014”上,三菱電機展示了“全SiC-IPM(Intelligent Power Module,智能功率模塊)”電源調整器產品,只使用一個逆變器,可支持4.4kW的輸出功率,將直流電力轉換成交流電力的轉換效率為98.0%。

(5)西門子推出首款采用碳化硅晶體管的155/165KW組串型逆變器

德國知名工業集團西門子旗下子公司,知名逆變器制造商Kaco new energy于2020年12月推出了兩款用于大型光伏項目的組串型逆變器,blueplanet 155 TL3和165 TL3,額定輸出功率分別為155kW和165kW,均采用了碳化硅晶體管設計。與傳統逆變器相比,采用碳化硅晶體管的逆變器具有更高的功率密度、更少的冷卻需求和更低的整體系統成本。

(6)德國Fraunhofer ISE研發出用于光伏中壓電網的250kW碳化硅逆變器

德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(Fraunhofer ISE)研發了一款250kW的碳化硅逆變器,可用于連接中壓系統的公用事業規模的光伏項目,其運行轉換效率為98.4%,可以節省高達40% 的體積。

(7)安森美半導體的碳化硅(SiC)功率模塊可支持臺達的太陽能光伏逆變器

2020年,安森美半導體推出了一款適用于太陽能逆變器應用的全SiC功率模塊,該產品已被全球領先的電源和熱管理方案供應商臺達選用,用于支持其M70A三相光伏組串逆變器,產品能實現高達98.8%的峰值能量轉換能效。

(8)陽光電源已實現SiC器件在其光伏組串逆變器中的全線應用

2013年,陽光電源開發了采用碳化硅二極管的組串逆變器SG30KTL-M;2014年,陽光電源SG60KTL-M、SG60KTL組串逆變器采用了SiC MOS器件;2017年,陽光電源將SiC模塊規?;瘧糜赟G80KTL-M組串逆變器。

(9)北京低碳清潔能源研究院開發了全球首個超薄全碳化硅高頻隔離光伏逆變器

國家能源集團北京低碳清潔能源研究院自主開發了全球首個超薄全碳化硅高頻隔離光伏逆變器,與現有光伏逆變器相比具有體積小、重量輕等優點,既降低了系統成本,又提高了系統效率和系統安全性,可以以此構建低成本高效率的光伏建筑一體化電氣系統。為了解更多關于碳化硅光伏逆變器方面的最新研究進展,“第六屆國際碳材料大會暨產業展覽會——碳化硅半導體論壇”特邀北京低碳清潔能源研究院 楊文強研發經理與大家分享全碳化硅高頻隔離光伏逆變器的研制。

關鍵詞: 太陽能逆變器 光伏逆變器

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