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碳化硅光伏逆变器拥抱光伏新机遇 2022-10-05 12:18:37

来源:易倍体育官网首页 作者:emc体育官方网站

  随着光伏投资成本的下降及发电效率的提升,全球已经进入光伏平价时代。光伏因具有绿色环保,取之不尽,用之不竭的特点,近年来呈高速发展态势。根据中国光伏协会预测,未来五年全球光伏市场最高年均新增装机可达到287GW,2025年最高可达391GW,年复合增速16%。

  我国正在构建可再生能源“十四五”规划蓝图,并且在“碳中和、碳达峰”目标指引下,光伏产业成长迅速,中国光伏协会预测未来5年我国光伏年均新增装机乐观情况可达到90GW,2025年最高可达123GW,年复合增速21%。

  光伏逆变器是实现光伏并网的一项关键技术。根据是否含有隔离变压器,光伏并网逆变器可以分为隔离型和非隔离型两大类。其中隔离型逆变器可以根据工作频率分为工频和高频两种;而非隔离型逆变器根据构成不同可以分为单级和多级两种。

  工频隔离型变压器是最常见的一种方式,太阳能板PV产生直流电,经过一个逆变器转变为交流电,这个交流电的相位可以经过控制,与电网电压保持一致,但它的幅值与电网电压幅值不同,所以要经过一个工作频率为电网电压工作频率的变压器,才能接入电网。但工频变压器效率不高,导致整个逆变器效率较低。

  高频隔离型逆变器比工频隔离型逆变器多了一个DC-DC环节,可以提高变压器的工作频率而不受电网频率的限制,优点是减小了变压器的体积和质量,增加了逆变器的功率密度。

  在隔离型光伏逆变器中,电能会先后转化为磁能和电能,这个转化的过程会产生能量损耗,同时也增加了逆变器的体积。为了提高光伏逆变系统的效率,可以采用非隔离型方案,非隔离型根据电路拓扑可分为单级式以及多级式。

  单级式非隔离型逆变器将太阳能板输出直接逆变为电网电压,对逆变器输出电压的控制要求较高,达到直接并网的电压等级。

  对于两级式光伏逆变系统,逆变电路之前有一级DC-DC电路,通常是Boost电路,以增加对光伏阵列的输出电压范围的适应性,经过解耦电容后再进行逆变,接入电网。解耦电容可以解决输入输出功率不匹配的问题。

  在光伏领域高速发展的时代,SiC光伏逆变器备受市场关注的原因大致有三个:

  (1)SiC二极管的逆变器,可以使系统的电力损失得到减少。相比于Si二极管,使用SiC二极管可以减少约30%的损失。

  (2)SiC二极管可以使逆变器的体积和质量大大减小。由于SiC散热快,缩小了系统的冷却结构。利用SiC二极管,可使逆变器的体积和重量减少40%~60%左右。

  轨道交通方面,东京地铁银座线系列车”采用了SiC逆变器,不仅降低了逆变器的电能损耗,还提高了电能再生性能,从而降低了耗电量;我国株洲中车时代联合深圳地铁集团基于3300V等级高压大功率SiC MOSFET的高频化应用自主开发了地铁列车全碳化硅牵引逆变器,在节能方面表现优异,经装车试验测试,同比传统硅基IGBT牵引逆变器的传动系统,综合能耗降低10%以上,牵引电机在中低速段噪声同比下降5分贝以上,温升同比降低40℃以上。

  新能源汽车方面,特斯拉率先开展SiC器件的应用,Model 3采用了意法半导体推出的650V SiC MOSFET逆变器,相较Model X等车型上采用的IGBT能带来5%~8%的逆变器效率提升,之后相继推出的Model Y以及Model S Plaid也采用了SiC技术。国内方面,比亚迪·汉EV高性能四驱版本也搭载了SiC器件,为国内首款采用SiC技术的车型。蔚来首款纯电轿车——ET7也将搭载采用SiC模块的第二代电驱平台。

  英飞凌开发出了适用于光伏发电用逆变器的耐压为 1200V的SiC型JFET“CoolSiC产品群”并于2012年投产。如果采用SiC型JFET代替传统逆变器装置中使用的IGBT,可以实现装置的小型轻量化,同时提高工作频率,也能降低开关损耗。

  富士电机积极推进 SiC MOSFET的实用化,用于2014年8月开始量产输出功率为1000kW的百万瓦级光伏电站使用的光伏逆变器。

  田渊电机是日本首家在光伏逆变器中采用SiC二极管的企业。该公司采用SiC二极管的逆变器通过减少开关损耗和导通损耗,大幅降低了转换损失。虽然仍需组合采用IGBT,但今后通过完全采用SiC,估计损耗还将减少60%左右,并且成本反而可能下降。

  在可再生能源技术及产品展会“PVJapan2014”上,三菱电机展示了“全SiC-IPM(Intelligent Power Module,智能功率模块)”电源调整器产品,只使用一个逆变器,可支持4.4kW的输出功率,将直流电力转换成交流电力的转换效率为98.0%。

  德国知名工业集团西门子旗下子公司,知名逆变器制造商Kaco new energy于2020年12月推出了两款用于大型光伏项目的组串型逆变器,blueplanet 155 TL3和165 TL3,额定输出功率分别为155kW和165kW,均采用了碳化硅晶体管设计。与传统逆变器相比,采用碳化硅晶体管的逆变器具有更高的功率密度、更少的冷却需求和更低的整体系统成本。

  (6)德国Fraunhofer ISE研发出用于光伏中压电网的250kW碳化硅逆变器

  德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)研发了一款250kW的碳化硅逆变器,可用于连接中压系统的公用事业规模的光伏项目,其运行转换效率为98.4%,可以节省高达40% 的体积。

  (7)安森美半导体的碳化硅(SiC)功率模块可支持台达的太阳能光伏逆变器

  2020年,安森美半导体推出了一款适用于太阳能逆变器应用的全SiC功率模块,该产品已被全球领先的电源和热管理方案供应商台达选用,用于支持其M70A三相光伏组串逆变器,产品能实现高达98.8%的峰值能量转换能效。

  (8)阳光电源已实现SiC器件在其光伏组串逆变器中的全线年,阳光电源开发了采用碳化硅二极管的组串逆变器SG30KTL-M;2014年,阳光电源SG60KTL-M、SG60KTL组串逆变器采用了SiC MOS器件;2017年,阳光电源将SiC模块规模化应用于SG80KTL-M组串逆变器。

  (9)北京低碳清洁能源研究院开发了全球首个超薄全碳化硅高频隔离光伏逆变器

  国家能源集团北京低碳清洁能源研究院自主开发了全球首个超薄全碳化硅高频隔离光伏逆变器,与现有光伏逆变器相比具有体积小、重量轻等优点,既降低了系统成本,又提高了系统效率和系统安全性,可以以此构建低成本高效率的光伏建筑一体化电气系统。