论光伏逆变器设计选型中庸之道
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光伏逆变器竞争激烈，百花齐放，百家争鸣，各个厂家都在费尽心机，让自己的产品与众不同，有的厂家以控制成本为主，价格上做到极低，有的厂家以控制功率密度为主，把尺寸做到极小，有的厂家着重提升效率，有的厂家喜欢新型器件，有的厂家追求自然冷却，把无风扇进行到底。 光伏逆变器涉及电力电子，智能控制，机械结构，电能质量等多个学科，是一个系统工程，逆变器的体积、重量、效率、噪声、电压范围、温度等每一个参数指标都很重要，如果单纯片面去追求某一两个技术指标的完美，会牺牲逆变器的其它性能，造成综合性能变差。 中庸思想贯穿中华五千年的文明史，其核心就是凡事不可太过，日中则移，月满则亏，器满则倾，水满则溢，物极必反。中庸之道不是说不追求完美，而是在均衡的基础上再追求完美，电子技术发展日新月异，新技术成为市场上销售的新亮点，但并不是所有的新技术都完美无缺的，并不是所有的老技术都是过时的，新技术与旧技术也没有绝对的界限。以适度超前为原则，均衡发展为目标，从实际出发，采取新老技术相结合的方式，从用户的角度出发，在生命周期内实现收益最大化，才是逆变器设计选型中庸之道。
一、适度超前 1、功率模块的技术突破让组串式逆变器产生质的飞跃 2013年前，在地面电站使用集中式逆变器，分布式小电站使用组串式逆变器，随着组串式逆变器功率越做越大，大型地面电站也开始使用组串式逆变器，有关两种方案的争论也一直没有停过，两种方案各有优缺点，集中式逆变器优势中功率器件少，可靠性高，缺点是MPPT数量少，电压范围窄；组串式逆变器优势是MPPT数量多，电压范围宽，缺点是功率器件多，可靠性低。 功率开关器件是逆变器最核心的器件之一，承担电流的转换工作，长时间工作在高温，高电压，大电流状态，是逆变器最容易出故障的器件，每一个功率器件就是一个故障点。光伏逆变器中的功率开关器件主要是指分立器件功率MOSFET和功率模块IGBT。早期的中功率组串式逆变器，一般采取分立器件，由于功率MOSFET电流都比较少，一般都采取多个器件并联的方式。50KW逆变器采用分立器件来设计，需要60多个，这么多开关器件堆在一起，会产生一系列的问题。如均流，电磁干扰等等。 大家都知道，功率开关管的失效模式是过压，过温，过流。分立元器件由于器件多，元器件之间距离比较远，所以电路杂散电感大，造成工作时尖峰电压高，元器件容易出现过压损坏；多个元器件并联，阻抗不一致，每一个元器件电流就不一样，阻抗低的元器件电流大，很容易过流；分立器件单端固定，接触面积小，散热很难保持一致，很容易过温。 早期的采用分立元器件的中功率组串式逆变器，在运行过程中出现过多故障，让人们对中功率组串式逆变器的前程提出了怀疑。不过直到Vincotech和infineon先后推出了包含多个元器件的功率模块改变了这一现状。 下图为Vincotech专为中功率组串式逆变器推出的IGBT功率模块，前级升压采用双Boost功率模块，由2个IGBT和4个二极管组成，包含boost模块的开关器件和二极管外，还包含跨接二极管。电压为1200V，电流为50A，一个模块相当于8个分立器件。模块具有很高的灵活性。由于把大功率的Boost电路一分为二，它在得到Boost电路的升压、高效优势的基础上，通过选择双Boost电路的并联方式（直接并联、交错正向并联、交错反向并联）和占空比的大小，可以取得理想的双Boost电路纹波和减少磁性元器件体积。
双BOOST功率模块 后级采用高效MNPC三电平IGBT模块，由4个50-80A的IGBT组成，一个模块相当于8个分立器件。采用中点钳位型的T型三电平结构，损耗低效率高，元器件承受的电压低，寿命长。
三电平功率模块
相对于MOSFET，IGBT饱和压降低，容易实现高压、大电流化，在中大功率逆变器占主导地位。而IGBT模块比分立的IGBT单管具有更高的可靠性和安全工作区。光伏逆变器前级采用双BOOST升压的IGBT功率模块，后级采用三电平IGBT功率模块，是目前中功率光伏逆变器最佳的方案。 （1）减少功率器件的个数，50KW采用功率器件来设计只要5个，数量比同规格的集中式逆变器还少，而采用分立器件来设计，前级升压需要15个，后级三电平逆变需要48个。整体面积缩小30%以上，可以提高整机功率密度。 （2）单个功率模块的安装面积比分立元器件散热面积大，在安装上也有很多优势，双端紧固，一体化专用夹具，相对于分立器件单端固定，接触面积更大，应力更小，可靠性更好。功率模块内部集成一个温度感应器，测量精度高，能更准确地检测器件结温，有利于过热保护。 （3）IGBT和母线电容连接导线会产生杂散电感，在IGBT关断的过程中，由于电流快速变化，在IGBT上产生电压尖峰，会造成严重的电磁干扰，增大器件电压应力。寄生电感会随着电流的增加、连接导线尺寸增大、距离增长而增大。功率模块结构紧凑，各功率开关器件之间连接线很短，可以减少电路中的杂散电感，提高逆变器的可靠性。 （4）1200V 的IGBT和1200V的SIC二极管相结合，开关频率更高，可以提高效率，减少电感的容量。 （5）相对于分立器件，功率模块不足之处是单位面积热耗大，整体散热面积小，功率在30KW以上如果采用自然冷却的方式散热，在环境温度高于40度时，会出现过热保护。但采用强制风冷的方式散热，就可以完全避免这个问题。
2、薄膜电容让组串式逆变器不再有短板 逆变器作为电子产品，电容是最基本的元器件，直流母线支撑电容主要作用是储能和滤波，要承受很高的脉冲电流和脉冲电压，是逆变器寿命最短的器件之一，直流母线电容现在有铝电解电容和薄膜电容两种，各有优势，电解电容的主要优势是单体容量大，价格低，薄膜电容优势是单体电压高，但也有很明显的优势。 电解电容的寿命一般是2000~3000小时，长寿命的有5000~6000小时，并且容易发生漏液；薄膜电容寿命一般是100000小时以上。而且薄膜电容还具有自愈效应，电容内部微小部分产生短路时，短路产生的能量会融熔和蒸发损坏的电极，从而使该短路点再次处于绝缘状态。 电解电容耐压值一般为500-550V，薄膜电容耐压值一般为1000-1300V，薄膜电容能承受2倍于额定电压的浪涌电压的冲击，能长期承受反向脉冲电压。 因此，从寿命和可靠性的角度考虑，薄膜电容可以完胜电解电容。
3、包含运维的监控系统为安装商解除后顾之忧 光伏电站监控现在有两种形式，一是第三方监控平台，如淘科，英臻，二是逆变器厂家开发的监控平台。这两种各有好处，采用第三方监控平台，可以监控多家公司的逆变器，适应于有多个厂家的安装公司；逆变器厂家开发的监控平台只能监控自己公司的逆变器，有局限性，但好处也明显，界面更有针对性，故障处理更快，远程升级更方便。 自主开发的监控设备和云平台，操作简单方便，界面友好，即便没有经验的人，5分钟内也可以注册成功，通过监控系统可以查看每一台逆变器的运行情况，界面友好，更重要的十分方便，客户最关心的逆变器工作状态、实时功率、每天发电量，就放在每一台逆变器下面，如果哪一台机有问题一目了然，在线客户系统还可以提供主动服务，发现问题、故障预警、问题远程诊断和处理功能。 光伏系统出现故障时，先查看出故障逆变器的报警信息，再根据信息找到相应的故障处理方法，大部分问题都可以当场解决。如果还解决不了，可以选择向客服提问，服务器端在线客服会耐心解答，如果是系统软件问题，可以远程在线升级，如果是逆变器硬件问题，在线客服会第一时间转到客服中心，相关的技术工程师诊断后，会决定采用维修或者换机最快解决方案。 总结：采用功率模块和母线薄膜电容的组串式逆变器，兼具了集中式逆变器功率器件数量少，薄膜电容寿命长，整体可靠性高的优点，和组串式逆变器MPPT电压范围宽路数多、逆变器体积小重量轻搬运安装方便等优点。因此说功率模块的出现，在新技术出现之前，可以让组串式逆变器和集中式逆变器之间的路线之争暂时告一段落。 2016年下半年推出的Growatt 30000TL3-S到Growatt 50000TL3-S中功率系列逆变器，全部采用功率模块和母线薄膜电容，配置组串检测，熔丝保护，交直流防雷模块，防PID模块和AFCI模块。经过近半年的应用，得到了客户的高度评价。 |
