大話逆變器之如何提高光伏電站收益率

光伏電站的收益率歷來是各個電力投資商、發(fā)電企業(yè)最關(guān)心的話題，而影響光伏電站收益率的因素有很多，主要包括初始投資成本、后期運維成本、電站發(fā)電量等。從逆變器側(cè)考慮，影響收益率的因素主要有逆變器的安裝維護、初始施工建設(shè)投資、發(fā)電量、可靠性等。 　　近年來各家逆變器廠商通過不斷的研發(fā)創(chuàng)新，推出多款技術(shù)更先進的光伏并網(wǎng)逆變器，以滿足客戶對高收益率的要求。TC500KH作為特變電工最新一代的逆變器產(chǎn)品，通過對軟硬件、結(jié)構(gòu)進行全面的升級優(yōu)化后，其最高轉(zhuǎn)換效率高達98.7%，歐洲效率高達98.4%，MPPT跟蹤效率分別達到了99.5%（動態(tài)）和99.9%（靜態(tài)），功率密度達到277W/kg，具備強大的市場競爭力。 TC500KH效果圖 　　一、TC500KH如何實現(xiàn)98.7%的轉(zhuǎn)換效率？ 　　影響逆變器轉(zhuǎn)換效率的因素主要由硬件因素和軟件因素兩部分組成，硬件因素主要由功率器件損耗、濾波電抗損耗、散熱風機損耗三部分構(gòu)成，而軟件因素主要受調(diào)制算法的影響。 　　（1）如何降低功率器件損耗？ 　　功率器件是將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)換成工頻交流電的重要部分，是逆變器的核心，該部分的損耗占逆變器總損耗的比重最大，降低該部分損耗會使整個逆變器的轉(zhuǎn)換效率得到極大的提升。 　　a.采用最新一代NPT型IGBT 　　NPT型IGBT是一種單晶非穿通型功率半導體器件，該器件相比傳統(tǒng)PT型IGBT器件具有開關(guān)損耗小，高溫特性好等優(yōu)點。下圖為PT型IGBT和NPT型IGBT關(guān)斷波形，可以明顯看出NPT型IGBT的開關(guān)損耗遠小于PT型IGBT。 PT型IGBT關(guān)斷波形 NPT型IGBT關(guān)斷波形 　　b.采用最小開關(guān)損耗的SVPWM調(diào)制算法 　　最小開關(guān)損耗的SVPWM算法即每相開關(guān)管在一個周期內(nèi)120度不動作，總有效開關(guān)次數(shù)減少了1/3，功率器件在電流正負峰值區(qū)域不動作，使逆變器滿載損耗降低1400W，有效的降低了功率器件的損耗。 傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制策略最小開關(guān)損耗SVPWM調(diào)制策略 　　（2）如何降低濾波電抗器的損耗？ 　　濾波電抗器具有將功率器件輸出的方波轉(zhuǎn)換為正弦波的功能，是保障逆變器輸出電能質(zhì)量的重要一環(huán)。TC500KH并網(wǎng)逆變器采用LCL濾波設(shè)計，具有更好的高頻衰減特性。相對于L型濾波器，總電感更小，相對于LC型濾波器在三相并網(wǎng)系統(tǒng)中，濾波效果更好，電能質(zhì)量更高。 　　濾波電抗器的損耗主要由鐵損、銅損和雜散損耗組成，鐵損與硅鋼片的品質(zhì)和數(shù)量有關(guān)；銅損與繞組的繞制工藝及通過電流有關(guān)；雜散損耗與漏電感有關(guān)，而降低鐵損，對于降低電抗器的損耗，提升逆變器效率有著明顯的作用。于是采用磁集成技術(shù)設(shè)計的共軛電抗器被成功應(yīng)用在逆變器中，該款電抗器是將兩個電感進行共軛設(shè)計，能夠抵消鐵軛中的部分磁路，減少了硅鋼片的用量，降低電抗器鐵損，提高電抗器效率。 共軛電抗器設(shè)計 　　電抗器優(yōu)化前后對比： 　　磁路 從圖可知共軛鐵軛2由于鐵軛1和鐵軛3磁路相互抵消，鐵軛2的損耗將會很小，整機效率可提升。 鐵軛2和鐵軛3磁路相互獨立,磁路不能相互抵消產(chǎn)生鐵軛損耗,影響效率。 　?。?）如何降低散熱風機損耗 　　散熱風機擔負著為逆變器內(nèi)部發(fā)熱器件進行通風散熱的功能，是保障逆變器穩(wěn)定工作的重要一環(huán)，散熱風機的損耗同樣是逆變器總損耗中不可忽略的一部分。 　　為了降低散熱風機的損耗首先要從風機的選型入手，選擇功耗較低、品牌知名，并具備調(diào)速功能的散熱風機是降低損耗最有效的方法之一，但選擇較低功耗的散熱風機同樣會帶來不可忽視的問題--排風量降低。為了用最小損耗的風機實現(xiàn)最優(yōu)化的散熱功能，必須對元器件的結(jié)構(gòu)和風道進行合理設(shè)計。在經(jīng)過了一系列的優(yōu)化設(shè)計后，具備智能調(diào)速功能的低功耗散熱風機被應(yīng)用在逆變器中，其功耗僅為450W，相比恒速風機降低損耗達44%，在降低散熱系統(tǒng)功耗的同時，保障了逆變器散熱的可靠性。 　　二、TC500KH如何具備極高的可靠性？ 　?。?）可靠的散熱設(shè)計 　　TC500KH采用前側(cè)進風，后側(cè)高位出風的散熱模式，根據(jù)各個元器件的耐溫等級進行合理布局，利用流體慣性和負壓浮升力作用，對冷空氣進行科學分流，使得所有功率器件的溫度都達到嚴格的降額使用標準，散熱效率得到了極大的提升，保證設(shè)備長期穩(wěn)定運行。 　　通過在環(huán)境溫度50℃，海拔3000m進行熱仿真后可以明顯看出，TC500KH散熱系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)越性，核心器件IGBT的溫度均未超過100℃（IGBT允許最高芯溫為175℃）。 逆變器的速度場  逆變器的溫度場 　?。?）可靠的防護設(shè)計 　　a.機柜表面的防護設(shè)計 　　機柜外部的防護設(shè)計主要從殼體材料的選型和表面處理入手，TC500KH并網(wǎng)逆變器殼體采用優(yōu)質(zhì)熱鍍鋅板裝配而成，柜體表面采用靜電粉末噴涂處理，與普通冷軋鋼板相比防腐性能更高，強度更好，能夠有效抵御風沙的侵襲。 　　b.機柜進風口的防護設(shè)計 　　防塵網(wǎng)作為逆變器最直接防護器件，對機柜的防護效果起著重要的作用。TC500KH并網(wǎng)逆變器在進風口處配備有雙層防塵網(wǎng)，能夠有效防止灰塵處進入機柜內(nèi)部，保護內(nèi)部元件免受灰塵覆蓋。 進風口外部圖進風口內(nèi)部圖 　　c.機柜縫隙的防護設(shè)計 　　機柜的縫隙處理對整機的防護性能十分重要，通常情況下縫隙主要出現(xiàn)在門板部位。TC500KH并網(wǎng)逆變器為了保障內(nèi)部風道的密閉性，機柜后部及兩側(cè)均采用封閉式設(shè)計，能夠防止灰塵從門板縫隙進入機柜。另外，機柜外框邊緣采用翻邊處理，柜門內(nèi)側(cè)邊緣裝有密封泡棉，當柜門關(guān)閉時，泡棉與翻邊貼合，灰塵無法從柜門縫隙進入。 密封泡棉的位置 　　d.控制部分的防護設(shè)計 　　逆變器控制部分主要由PCBA構(gòu)成，這部分對灰塵的耐受性較差，需要進行更加嚴格的防護處理。首先，TC500KH并網(wǎng)逆變器通過將控制部分封裝在模塊中，為其提供外圍保護。其次，對電路板進行兩次三防涂覆處理，能夠保護電路板免受灰塵侵蝕。三防漆具有良好的耐高低溫性能，其固化后形成一層透明保護膜，具有優(yōu)越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防老化、耐電暈等性能。 三防漆涂覆效果圖 　?。?）可靠的高海拔設(shè)計 　　海拔高度對電氣設(shè)備的影響主要體現(xiàn)在三個方面：①溫度低，電子器件工況惡劣；②氣壓低，電氣絕緣受到影響；③空氣稀薄，散熱條件差。為了保障逆變器能夠在高海拔地區(qū)可靠運行，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮這三個方面對逆變器的影響。 　　溫度低：高海拔地區(qū)環(huán)境溫度較低，有的地區(qū)溫度甚至低于-40℃，嚴重影響電子器件的運行的可靠性。TC500KH并網(wǎng)逆變器通過在逆變器內(nèi)部配置加熱器，能夠快速將機柜內(nèi)部的溫度提升到合理的范圍，確保逆變器能夠在低溫下可靠運行。 　　氣壓低：氣壓低會造成電氣間隙的擊穿電壓降低，影響電氣設(shè)備的絕緣，增加其在高電壓下被擊穿的可能性。TC500KH并網(wǎng)逆變器在設(shè)計時嚴格按照高海拔標準執(zhí)行，電氣間隙按照標準海拔1.5倍以上設(shè)計。 電氣間隙修正系數(shù)表 　　空氣稀薄：在空氣稀薄處空氣密度降低，導致逆變器散熱條件變差。TC500KH并網(wǎng)逆變器在設(shè)計時充分考慮海拔高度的影響，通過多次熱仿真和實驗對比，合理優(yōu)化發(fā)熱器件在風道中的布局；另外，對散熱器、散熱風機進行最優(yōu)化的選型設(shè)計，滿足海拔3000m，環(huán)境溫度50℃的情況下，逆變器仍然能夠滿功率運行。 　　三、TC500KH如何降低電站建設(shè)投資？ 　　TC500KH作為一款高功率密度的逆變器，整機尺寸僅為1500mm×2150mm×850mm（寬×高×深），占地空間小，能夠有效縮減逆變器室面積，降低逆變器室建設(shè)投資，對于降低電站初始建設(shè)施工成本，有著重要的意義。 　　四、TC500KH如何降低運維成本？ 　　TC500KH并網(wǎng)逆變器在設(shè)計時充分考慮到電站維護對現(xiàn)場發(fā)電量的影響，從而合理的優(yōu)化了逆變器的結(jié)構(gòu)布局。通過將散熱風機、控制系統(tǒng)、三相IGBT等封裝成單獨的模塊，故障定位后，運維人員可將故障模塊抽出更換，單個模塊更換時間不超過20分鐘，將設(shè)備故障對發(fā)電量的影響降至最低。 模塊化前維護 　　五、總結(jié) 　　逆變器作為光伏電站的核心發(fā)電設(shè)備之一，對提高電站整體的收益率起著至關(guān)重要的作用。采用具備高效率、高可靠性、高功率密度和可維護性好的并網(wǎng)逆變器可以為用戶帶來更高的發(fā)電量收益、更少的建設(shè)投資和更低的維護成本，為光伏電站的高收益率保駕護航。