戶用型光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)展新特點

光伏并網(wǎng)逆變器按照應(yīng)用場合的不同通常分為戶用型，商用型和電站型等幾大類。其中戶用型和商用型通常是用于光伏建筑BIPV, BAPV或者屋頂電站等光伏系統(tǒng)中，具有相近的使用場景和共通的技術(shù)特點，因此通常歸為一類，稱為戶用型或組串型并網(wǎng)逆變器，以區(qū)別于大型電站型或者集中型逆變器。戶用型光伏并網(wǎng)逆變器輸出的功率等級范圍通常為1kw~30kw或者幾十千瓦以下，這類的逆變器通常要滿足以下幾個要求： 　　單相或三相低/中壓并網(wǎng) 　　無變壓器設(shè)計，大于96%的轉(zhuǎn)換效率 　　壁掛式安裝，IP65防護(hù)等級，滿足戶外使用條件 　　整機(jī)輕便，顯示界面友好，造型美觀等 　　以上這些基本要求實際上滿足了最終用戶、系統(tǒng)集成商、安裝商等各方面需求主體要求光伏系統(tǒng)或者光伏變器能夠產(chǎn)生更多的電力，能夠安全可靠的并網(wǎng)運行，方便安裝、維護(hù)、系統(tǒng)的監(jiān)控和電費的計量等多方面的訴求。 圖1 住宅型光伏系統(tǒng)應(yīng)用場景 　　在光伏市場的發(fā)展中，最早開始的是國外的戶用型系統(tǒng)。在歐洲，澳大利亞等光伏市場發(fā)展較早和較快的國家，政府較早的出臺了相應(yīng)的補貼政策，相關(guān)的機(jī)構(gòu)出臺了并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在這些政策和標(biāo)準(zhǔn)的鼓勵推動下，這些國家的戶用型光伏市場啟動和發(fā)展的很快。光伏逆變器受到來自兩方面的需求和約束，一方面是來自用戶，無論是直接用戶還是間接用戶對逆變器廠商提出的產(chǎn)品功能和性能的需求，另一方面并網(wǎng)逆變器要應(yīng)對入網(wǎng)國家的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，滿足產(chǎn)品認(rèn)證的要求，以適應(yīng)并網(wǎng)區(qū)域或者國家的電網(wǎng)要求。光伏市場在這些國家發(fā)展的速度很快，因此來自以上兩個方面的要求變化也很快，推動了逆變器技術(shù)、產(chǎn)品的創(chuàng)新以及更新?lián)Q代。本文將全面總結(jié)和分析最近出現(xiàn)的針對戶用型并網(wǎng)逆變器在技術(shù)、產(chǎn)品功能等方面出現(xiàn)的一些新的特點和要求 　　能夠接收來自電網(wǎng)的指令，進(jìn)行并網(wǎng)電氣參數(shù)的調(diào)整 　　在2012年德國最新頒布的逆變器并入低壓電網(wǎng)的《VDE-AR-N 4105》標(biāo)準(zhǔn)中，有兩個重要的技術(shù)要求，第一是明確要求由電網(wǎng)管理者降低有功，其要點如下： 　　出于安全考慮：電網(wǎng)過載。 　　電網(wǎng)管理者能過遠(yuǎn)程降低有功功率。 　　逆變器需在技術(shù)能以小于10%Pn的步長降有功。 　　通常的功率降低水平是100%,，60%,，30%，0% 　　響應(yīng)時間1分鐘以內(nèi)。 　　另一項是關(guān)于無功功率控制的新要求，具體要求如下： 　　系統(tǒng)最大總視在功率ΣSmax≤3.68KVA，不需無功可調(diào)，功率因數(shù)范圍是±0.95。 　　系統(tǒng)最大總視在功率3.68KVA< ΣSmax ≤13.8KVA，在±0.95范圍內(nèi)按電網(wǎng)管理者提供特征曲線運行。 　　系統(tǒng)最大總視在功率13.8KVA< ΣSmax ，在±0.90范圍內(nèi)按電網(wǎng)管理者提供特征曲線運行。 　　以上描述的VDE4105標(biāo)準(zhǔn)明確要求對無功，有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，同時提出了調(diào)節(jié)的方式，這些對逆變器廠商，系統(tǒng)提供商和其它的配套產(chǎn)品提供商都提出了新的要求，特別是逆變器。為了滿足新的標(biāo)準(zhǔn)，低壓并網(wǎng)型逆變器必須在技術(shù)上做升級，這些升級包含幾個方面的具體細(xì)節(jié)，第一是在控制上增加輸出功率額度可調(diào)的功能，第二是功率因數(shù)cosθ能夠在一定范圍內(nèi)可調(diào)，即增加無功可調(diào)功能，通常為了實現(xiàn)cosθ在±0.9范圍內(nèi)可調(diào)付出的代價并不大。第三為了滿足逆變器能夠接受電網(wǎng)指令來完成以上要求的參數(shù)調(diào)整，逆變器必須在通信上能夠提供接受電網(wǎng)指令的接口，通信協(xié)議能夠兼容一些配套的監(jiān)控設(shè)備，當(dāng)然逆變器廠商并不一定提供此類產(chǎn)品。因此在VDE4105標(biāo)準(zhǔn)出臺以后，立刻對國內(nèi)外的小功率逆變器廠商制造了一個新的技術(shù)門檻，不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)，意味著此類產(chǎn)品將不能再德國售賣，同時歐洲的其它國家也會參照德國的新標(biāo)準(zhǔn)制定本國的標(biāo)準(zhǔn)，在這些技術(shù)點上將出臺類似的要求，很快這些標(biāo)準(zhǔn)將在整個歐洲國家內(nèi)，甚至于在全球推廣開來。 　　作為國內(nèi)的逆變器廠商，其戶用型產(chǎn)品的市場一直在國外，因此包括VDE4105標(biāo)準(zhǔn)等新頒布的并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對這些企業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，目前國內(nèi)有些企業(yè)，包括北京昆蘭在內(nèi)都已經(jīng)通過了該項認(rèn)證，但也有很多的企業(yè)持觀望態(tài)度，并沒有提供類似功能，或者沒有做此類認(rèn)證。從短期利益考慮，目前在歐洲的許多國家以及其他的國家并沒有明確提出類似VDE4105標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，因此抱著觀望態(tài)度的這些企業(yè)在當(dāng)前利益沒有收到影響或者影響很小的驅(qū)動下，并沒有認(rèn)真考慮這些技術(shù)要求。但是從未來的發(fā)展趨勢分析，德國作為光伏技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)和市場發(fā)展最為先進(jìn)的國家，往往起到風(fēng)向標(biāo)的作用，它的政策，標(biāo)準(zhǔn)的影響力很大，其它歐洲國家及歐洲以外的國家都有效仿和跟隨的態(tài)勢，一旦該標(biāo)準(zhǔn)大面積推廣，那些不能滿足該標(biāo)準(zhǔn)新要求的企業(yè)勢必遭受到挫折和損失。 　　另一方面德國出臺新的標(biāo)準(zhǔn)從技術(shù)上而言是對分布式發(fā)電的一項約束和貢獻(xiàn)的要求，約束體現(xiàn)在電網(wǎng)管理者會更具電網(wǎng)的承受能力，局部電網(wǎng)的穩(wěn)定性考慮等原因要求分布式發(fā)電裝置降低發(fā)電功率，動態(tài)的調(diào)整輸出功率，貢獻(xiàn)體現(xiàn)在逆變器除了輸出有功功率外，也可以向電網(wǎng)輸出無功功率，并且輸出的額度，輸出容型有功還是感性無功是可以調(diào)節(jié)的，該點要求完全是基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)能夠做到無功補償這一事實而提出的，在較早的電力電子技術(shù)中，不可控和半可控器件以及落后的控制技術(shù)等方面制約了類似的要求被實現(xiàn)出來。國內(nèi)的逆變器廠商也應(yīng)該充分的認(rèn)識到新標(biāo)準(zhǔn)要求后面的深刻技術(shù)背景，分布式發(fā)電要作為電網(wǎng)的一個補充，首先要做到安全，可靠，受控，清潔（電網(wǎng)的清潔指的是諧波含量盡可能?。?，因此接受來自電網(wǎng)的指令，完成相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整是完全必要而且是必須的，微電源的優(yōu)勢之一恰恰就在于雙向可控。 　　多路MPPT追蹤，提高系統(tǒng)發(fā)電效率 　　在光伏逆變器的第一個技術(shù)競爭大潮中，追求單機(jī)轉(zhuǎn)換效率，MPPT追蹤效率成為了大家競相比拼的技術(shù)點，擁有更高轉(zhuǎn)換效率的逆變器無疑能夠贏得在這類競爭。當(dāng)前一方面組串型逆變器還在技術(shù)朝著提高單機(jī)整體效率，單路MPPT效率等方面發(fā)展，另一方面的事實也必須引起我們的關(guān)注，即在電力電子器件，新型成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在較長的時間內(nèi)沒有重大突破的現(xiàn)實下，提高效率的空間已經(jīng)不大，國內(nèi)的小功率逆變器廠商的產(chǎn)品和國外的主流逆變器廠商產(chǎn)品在效率參數(shù)上已經(jīng)看齊，在某些機(jī)型上甚至超過了國外產(chǎn)品。但組串型，無變壓器設(shè)計的逆變器的整機(jī)效率已經(jīng)達(dá)到了98%以上，逆變器廠商開始了在"小數(shù)點"上的掙扎，單機(jī)效率的提升已經(jīng)到了一個飽和線，進(jìn)一步提升的空間已經(jīng)不大，但帶來的代價也許很大。舉例而言，多電平技術(shù)能夠提升一定的系統(tǒng)效率，但代價是單管使用量加大，三相三電平如果采用傳統(tǒng)的二電平全橋，使用6個IGBT，如果改到三電平拓?fù)洌瑒t要在逆變部分增加到12個IGBT，增加器件意味著增加了整機(jī)的成本，但能夠提升的效率空間在個位數(shù)以下，這些性能的提高往往并不能被客戶所埋單，客戶更加青睞性價比綜合較優(yōu)的機(jī)器選擇，而不會單純的追求單機(jī)效率。 　　事實上，要使太陽能逆變器的效率提高 1%非常困難，然而由于系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)，而導(dǎo)致發(fā)電效果降低10%的情況，卻并不少見，有些甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法長期正常運行。從這個事實出發(fā)，對逆變器設(shè)計提出了新的要求，即滿足更加靈活的系統(tǒng)配置。在單路MPPT追蹤的情況下，所有的PV組件串接起來，接入逆變器，如果組串中有PV組件失效情況發(fā)生，則該路的整體MPPT效率會受到影響，從而有可能使得系統(tǒng)的效率大大下降，無論逆變器有多高的轉(zhuǎn)換效率和追蹤效率，都無法發(fā)揮作用。為了減少這種失效帶來的系統(tǒng)效率降低的風(fēng)險，戶用型小功率逆變器出現(xiàn)了多路獨立MPPT追蹤的技術(shù)趨勢，多路MPPT能夠減小單路MPPT失效帶來的損失，給系統(tǒng)的配置帶來了更大的靈活性。 圖2 一種兩路獨立MPPT逆變拓?fù)潆娐? 　　由于采用了新型的拓?fù)湓O(shè)計，提供了多路的MPPT追蹤通道，單通道的效率依然可以做到很高，但同時給用戶提供了更加靈活的系統(tǒng)配置以及降低了潛在的系統(tǒng)效率損失的風(fēng)險，毫無疑問多路MPPT追蹤是受用戶歡迎的一個新功能。 　　多重通信解決方案，滿足靈活的監(jiān)控需求 　　戶用型逆變器安裝，使用的場合較為復(fù)雜，可以適用于住宅，倉庫，公用建筑，辦公樓宇，車棚等環(huán)境，這也對逆變器的監(jiān)控提出了更加靈活多變的需求。以前的逆變器設(shè)計中，通信多采用有線，如基于RS485的通信接口，客戶免不了要在安裝時進(jìn)行布線，同時客戶端監(jiān)控的手段多為基于PC機(jī)的應(yīng)用軟件，可以實現(xiàn)一對多的監(jiān)控。現(xiàn)在這一模式受到了很大的挑戰(zhàn)，客戶不在滿足于有線的方式，而是更多的要求逆變器能夠提供無線的監(jiān)控方案，這一變化一方面要求逆變器本身能夠兼容無線通信協(xié)議和接口，另一方面能夠提供整體的監(jiān)控方案，特別是客戶端的無線監(jiān)控方案。對于逆變器的設(shè)計而言，突破了傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)通信接口和系統(tǒng)監(jiān)控方案設(shè)計的技術(shù)路線將對許多從傳統(tǒng)電力行業(yè)轉(zhuǎn)型過來的逆變器企業(yè)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。新型的通信和監(jiān)控方案更多的是基于IT通信領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)，和傳統(tǒng)的電氣技術(shù)開發(fā)截然不同，并且這類產(chǎn)品和解決方案有一定的獨立性，可以單獨進(jìn)行產(chǎn)品銷售。因此對于逆變器廠商完全可以同專門進(jìn)行監(jiān)控產(chǎn)品開發(fā)的廠商合作，并提供整體解決方案給客戶，逆變器廠商只要開放其部分協(xié)議給監(jiān)控廠商，這種合作模式在目前的逆變器行業(yè)中是較為普遍的一種。 　　監(jiān)控產(chǎn)品并不只限于對逆變器等光伏系統(tǒng)產(chǎn)品的監(jiān)控，前面分析提到，逆變器同樣要接收來自電網(wǎng)的指令并完成一些電氣的控制動作，也就是說監(jiān)控系統(tǒng)和逆變器的通信是雙向的，并且下行指令（監(jiān)控系統(tǒng)到逆變器）具有一定的實時性要求。因此監(jiān)控類產(chǎn)品逐漸的具有更強的專業(yè)性，提供此類產(chǎn)品的公司應(yīng)當(dāng)更加廣泛而深入的了解新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更加緊密的和逆變器等下游產(chǎn)品合作，不斷完善產(chǎn)品和解決方案。圖3為KLNE提供的戶用系統(tǒng)監(jiān)控方案。 圖3 戶用系統(tǒng)監(jiān)控方案 　　更加的注重外觀、結(jié)構(gòu)的設(shè)計 　　在最近的幾場光伏展會上，越來越少有全新的產(chǎn)品推出來，各逆變器廠商在產(chǎn)品功能，性能等關(guān)鍵因素上趨于相同，競爭的差異化不在于核心技術(shù)，而是轉(zhuǎn)向了產(chǎn)品外觀設(shè)計、顯示面板、機(jī)構(gòu)設(shè)計等非核心技術(shù)的差異化。 圖4 新型戶用型逆變器外觀設(shè)計 　　戶用型逆變器的終端用戶是個人，家庭，因此逆變器的外觀設(shè)計向著家用電器類的產(chǎn)品設(shè)計靠攏，美觀，體積小巧，安裝方便，整機(jī)重量輕巧，做工細(xì)膩，顯示面板圖形化，直觀。這些特征恰恰符合了人們對一個進(jìn)入家庭的日用產(chǎn)品的需求，很多情況下，家用型逆變器是放置在室內(nèi)使用的，因此產(chǎn)品本身應(yīng)該滿足噪音低，美觀，體積小，顯示界面直觀，美觀，重量小的特點，對于逆變器廠商而言，應(yīng)該充分的研究目標(biāo)市場用戶對這類電氣產(chǎn)品在外觀，審美，安裝等方面的需求，滿足客戶的差異化需求，使得逆變器產(chǎn)品除了具備安全性，高效率等條件外，也能夠符合用戶對外觀，界面顯示，安裝等方面的需求，以更好的滿足客戶需求，促進(jìn)市場發(fā)展和產(chǎn)品更新?lián)Q代。 　　國內(nèi)逆變器廠商在產(chǎn)品的性能方面已經(jīng)和國外的同行站到了同一起跑線上，但在產(chǎn)品的穩(wěn)定性，特別是產(chǎn)品的外觀設(shè)計方面還整體落后于國外產(chǎn)品，產(chǎn)品外觀設(shè)計缺乏創(chuàng)意，外觀較為古板，顯示面板簡單樸素，顏色材質(zhì)也很單一，這樣在和國外同類產(chǎn)品在同一市場競爭缺乏優(yōu)勢。 　　造成這一結(jié)果的原因是多方面，既有主觀的，也有客觀的原因，主觀的原因在于國內(nèi)的逆變器產(chǎn)品是跟在國外逆變器產(chǎn)品后面發(fā)展起來的，開始是在產(chǎn)品的穩(wěn)定性，性能方面投入了大量的盡力和關(guān)注度，并沒有非常的重視非核心技術(shù)方面的產(chǎn)品特征，另一方面的客觀原因是產(chǎn)品設(shè)計并不是很了解國外客戶對產(chǎn)品外觀等方面的需求，同時也缺乏這方面的研發(fā)人才，這并不是逆變器產(chǎn)品的個例，實際上國內(nèi)很多產(chǎn)品在外觀，客戶體驗方面都和國外產(chǎn)品有很大差距，因此這也是造成這一結(jié)果的一個原因。 　　在當(dāng)前戶用型變器產(chǎn)品在國際市場競爭日益激烈的情況下，特別是產(chǎn)品的功能，性能等方面趨同的情況下，國內(nèi)逆變器產(chǎn)品應(yīng)該更加的重視產(chǎn)品的外觀設(shè)計，培養(yǎng)和引進(jìn)產(chǎn)品外觀，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的專業(yè)人才，深入研究和了解國外用戶的需求，借鑒國外同行產(chǎn)品在這方面的經(jīng)驗，大力縮小這一差距。 　　以上總結(jié)了戶用型逆變器出現(xiàn)的一些新的技術(shù)特點，毫無疑問，市場當(dāng)前和未來不僅僅追求一個高效率的發(fā)電裝置，來自各方面的技術(shù)約束條件和需求使得這類逆變器要更要著重整機(jī)的外觀設(shè)計，體積重量將進(jìn)一步減小，功率密度增大，具有高級顯示面板和圖形化的顯示界面，具備進(jìn)行無線通信的接口，具有多路MPPT追蹤以及更寬的MPPT電壓范圍，能夠接受電網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)指令進(jìn)行無功，有功功率等實時調(diào)節(jié)，低電壓穿越的功能(德國BDEW技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求)。國內(nèi)的逆變器產(chǎn)品在國外銷售具有很強的價格優(yōu)勢，但一位的追求低價并不是一個企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的策略，也不利于國內(nèi)光伏逆變器企業(yè)在國外整體的競爭，一味的低價勢必導(dǎo)致類似于電池組件遭遇的"雙反"懲罰，給整個行業(yè)的發(fā)展帶來危機(jī)。因此國內(nèi)的逆變器企業(yè)應(yīng)該做好產(chǎn)品的細(xì)節(jié)，主動適應(yīng)最新的技術(shù)要求和規(guī)范，在提升產(chǎn)品的綜合競爭力上下功夫。