大话逆变器之如何提高光伏电站收益率

光伏电站的收益率历来是各个电力投资商、发电企业最关心的话题，而影响光伏电站收益率的因素有很多，主要包括初始投资成本、后期运维成本、电站发电量等。从逆变器侧考虑，影响收益率的因素主要有逆变器的安装维护、初始施工建设投资、发电量、可靠性等。 　　近年来各家逆变器厂商通过不断的研发创新，推出多款技术更先进的光伏并网逆变器，以满足客户对高收益率的要求。TC500KH作为特变电工最新一代的逆变器产品，通过对软硬件、结构进行全面的升级优化后，其最高转换效率高达98.7%，欧洲效率高达98.4%，MPPT跟踪效率分别达到了99.5%（动态）和99.9%（静态），功率密度达到277W/kg，具备强大的市场竞争力。 TC500KH效果图 　　一、TC500KH如何实现98.7%的转换效率？ 　　影响逆变器转换效率的因素主要由硬件因素和软件因素两部分组成，硬件因素主要由功率器件损耗、滤波电抗损耗、散热风机损耗三部分构成，而软件因素主要受调制算法的影响。 　　（1）如何降低功率器件损耗？ 　　功率器件是将光伏阵列输出的直流电转换成工频交流电的重要部分，是逆变器的核心，该部分的损耗占逆变器总损耗的比重最大，降低该部分损耗会使整个逆变器的转换效率得到极大的提升。 　　a.采用最新一代NPT型IGBT 　　NPT型IGBT是一种单晶非穿通型功率半导体器件，该器件相比传统PT型IGBT器件具有开关损耗小，高温特性好等优点。下图为PT型IGBT和NPT型IGBT关断波形，可以明显看出NPT型IGBT的开关损耗远小于PT型IGBT。 PT型IGBT关断波形 NPT型IGBT关断波形 　　b.采用最小开关损耗的SVPWM调制算法 　　最小开关损耗的SVPWM算法即每相开关管在一个周期内120度不动作，总有效开关次数减少了1/3，功率器件在电流正负峰值区域不动作，使逆变器满载损耗降低1400W，有效的降低了功率器件的损耗。 传统SVPWM调制策略最小开关损耗SVPWM调制策略 　　（2）如何降低滤波电抗器的损耗？ 　　滤波电抗器具有将功率器件输出的方波转换为正弦波的功能，是保障逆变器输出电能质量的重要一环。TC500KH并网逆变器采用LCL滤波设计，具有更好的高频衰减特性。相对于L型滤波器，总电感更小，相对于LC型滤波器在三相并网系统中，滤波效果更好，电能质量更高。 　　滤波电抗器的损耗主要由铁损、铜损和杂散损耗组成，铁损与硅钢片的品质和数量有关；铜损与绕组的绕制工艺及通过电流有关；杂散损耗与漏电感有关，而降低铁损，对于降低电抗器的损耗，提升逆变器效率有着明显的作用。于是采用磁集成技术设计的共轭电抗器被成功应用在逆变器中，该款电抗器是将两个电感进行共轭设计，能够抵消铁轭中的部分磁路，减少了硅钢片的用量，降低电抗器铁损，提高电抗器效率。 共轭电抗器设计 　　电抗器优化前后对比： 　　磁路 从图可知共轭铁轭2由于铁轭1和铁轭3磁路相互抵消，铁轭2的损耗将会很小，整机效率可提升。 铁轭2和铁轭3磁路相互独立,磁路不能相互抵消产生铁轭损耗,影响效率。 　　（3）如何降低散热风机损耗 　　散热风机担负着为逆变器内部发热器件进行通风散热的功能，是保障逆变器稳定工作的重要一环，散热风机的损耗同样是逆变器总损耗中不可忽略的一部分。 　　为了降低散热风机的损耗首先要从风机的选型入手，选择功耗较低、品牌知名，并具备调速功能的散热风机是降低损耗最有效的方法之一，但选择较低功耗的散热风机同样会带来不可忽视的问题--排风量降低。为了用最小损耗的风机实现最优化的散热功能，必须对元器件的结构和风道进行合理设计。在经过了一系列的优化设计后，具备智能调速功能的低功耗散热风机被应用在逆变器中，其功耗仅为450W，相比恒速风机降低损耗达44%，在降低散热系统功耗的同时，保障了逆变器散热的可靠性。 　　二、TC500KH如何具备极高的可靠性？ 　　（1）可靠的散热设计 　　TC500KH采用前侧进风，后侧高位出风的散热模式，根据各个元器件的耐温等级进行合理布局，利用流体惯性和负压浮升力作用，对冷空气进行科学分流，使得所有功率器件的温度都达到严格的降额使用标准，散热效率得到了极大的提升，保证设备长期稳定运行。 　　通过在环境温度50℃，海拔3000m进行热仿真后可以明显看出，TC500KH散热系统设计的优越性，核心器件IGBT的温度均未超过100℃（IGBT允许最高芯温为175℃）。 逆变器的速度场  逆变器的温度场 　　（2）可靠的防护设计 　　a.机柜表面的防护设计 　　机柜外部的防护设计主要从壳体材料的选型和表面处理入手，TC500KH并网逆变器壳体采用优质热镀锌板装配而成，柜体表面采用静电粉末喷涂处理，与普通冷轧钢板相比防腐性能更高，强度更好，能够有效抵御风沙的侵袭。 　　b.机柜进风口的防护设计 　　防尘网作为逆变器最直接防护器件，对机柜的防护效果起着重要的作用。TC500KH并网逆变器在进风口处配备有双层防尘网，能够有效防止灰尘处进入机柜内部，保护内部元件免受灰尘覆盖。 进风口外部图进风口内部图 　　c.机柜缝隙的防护设计 　　机柜的缝隙处理对整机的防护性能十分重要，通常情况下缝隙主要出现在门板部位。TC500KH并网逆变器为了保障内部风道的密闭性，机柜后部及两侧均采用封闭式设计，能够防止灰尘从门板缝隙进入机柜。另外，机柜外框边缘采用翻边处理，柜门内侧边缘装有密封泡棉，当柜门关闭时，泡棉与翻边贴合，灰尘无法从柜门缝隙进入。 密封泡棉的位置 　　d.控制部分的防护设计 　　逆变器控制部分主要由PCBA构成，这部分对灰尘的耐受性较差，需要进行更加严格的防护处理。首先，TC500KH并网逆变器通过将控制部分封装在模块中，为其提供外围保护。其次，对电路板进行两次三防涂覆处理，能够保护电路板免受灰尘侵蚀。三防漆具有良好的耐高低温性能，其固化后形成一层透明保护膜，具有优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防老化、耐电晕等性能。 三防漆涂覆效果图 　　（3）可靠的高海拔设计 　　海拔高度对电气设备的影响主要体现在三个方面：①温度低，电子器件工况恶劣；②气压低，电气绝缘受到影响；③空气稀薄，散热条件差。为了保障逆变器能够在高海拔地区可靠运行，在设计时应充分考虑这三个方面对逆变器的影响。 　　温度低：高海拔地区环境温度较低，有的地区温度甚至低于-40℃，严重影响电子器件的运行的可靠性。TC500KH并网逆变器通过在逆变器内部配置加热器，能够快速将机柜内部的温度提升到合理的范围，确保逆变器能够在低温下可靠运行。 　　气压低：气压低会造成电气间隙的击穿电压降低，影响电气设备的绝缘，增加其在高电压下被击穿的可能性。TC500KH并网逆变器在设计时严格按照高海拔标准执行，电气间隙按照标准海拔1.5倍以上设计。 电气间隙修正系数表 　　空气稀薄：在空气稀薄处空气密度降低，导致逆变器散热条件变差。TC500KH并网逆变器在设计时充分考虑海拔高度的影响，通过多次热仿真和实验对比，合理优化发热器件在风道中的布局；另外，对散热器、散热风机进行最优化的选型设计，满足海拔3000m，环境温度50℃的情况下，逆变器仍然能够满功率运行。 　　三、TC500KH如何降低电站建设投资？ 　　TC500KH作为一款高功率密度的逆变器，整机尺寸仅为1500mm×2150mm×850mm（宽×高×深），占地空间小，能够有效缩减逆变器室面积，降低逆变器室建设投资，对于降低电站初始建设施工成本，有着重要的意义。 　　四、TC500KH如何降低运维成本？ 　　TC500KH并网逆变器在设计时充分考虑到电站维护对现场发电量的影响，从而合理的优化了逆变器的结构布局。通过将散热风机、控制系统、三相IGBT等封装成单独的模块，故障定位后，运维人员可将故障模块抽出更换，单个模块更换时间不超过20分钟，将设备故障对发电量的影响降至最低。 模块化前维护 　　五、总结 　　逆变器作为光伏电站的核心发电设备之一，对提高电站整体的收益率起着至关重要的作用。采用具备高效率、高可靠性、高功率密度和可维护性好的并网逆变器可以为用户带来更高的发电量收益、更少的建设投资和更低的维护成本，为光伏电站的高收益率保驾护航。