光伏漫谈3- 光伏优化与逆变设备

光伏设备最后的目的就是转换成电能供其他用途使用，例如在室外无供电场景下设备，IOT设备，卫星设备等都会采用光伏板作为能源支撑系统用电需求，也有大型光伏发电直接给家庭使用或者并网到电网，更大范围提供能量。

在小型光伏设备上，小型的光伏板输出的能量经过DC-DC输出稳定的电压给小功率设备提供稳定电源，由于光伏能量不稳定，DC-DC电源往往内部带有充电回路，外接锂电池将多余能量存储在电池中。图1是一个单芯片光伏电源管理芯片，芯片可以提供对于负载直接供电，备用电池充电，以及备用电池在无光照或者低光照场景下对于设备供电。

• CLP和CLN用于充电电流检测使用，结合与VIN低压检测，可以实现对于实现MPPT最大功率跟踪；
• 内部集成充电DC-DC支路，BOOST, SW和引脚就是用于充电支路的外接引脚；
• CSP和CSN就是用于检测充电电流检测点，同时在放电的时候也可以用于检测放电使用。
• 通过CELL0/1引脚可以设置串联锂电池数目，根据这个设置设定内部充电的电压值，BATSENSE+用于检测实际上电压，判定充电的阶段（预充，涓流，恒流和关闭充电模式）。NTC_SENSE和NTC电阻用于检测电池充电温度，防止充放电过程中超出电池工作范围；
• 在充电过程中，MN2是关闭的，由于VIN电压是高于电池电压的，MN2的体二极管自然截止，当VIN电压变低到一定程度，此时MN2打开对于负载进行放电；
• 电路中会对BATSENS+和VIN电压进行比较，VIN高于BATSENS+时候，MN1打开，光伏板直接对于负载进行供电，如果VIN低于BATSNES+，MN1关闭，防止电池对于电池板进行倒灌放电。

该电路存在一个问题，就是当光伏板一直没有输入的时候，电池一直放电，即使电池电量到极限，BATFET关闭MN2, MN2的体二极管仍然对于负载进行放电。如果更改成背靠背放置的一对MOSFET就可以解决这个问题。

对于用于发电型的中大型光伏设备，比上述单芯片电路一方面是功率更大，另外就是需要支持DC-AC逆变器器，将直流电转换成交流电给本地离线负载和并网使用。MPPT功率优化，DC-DC到电池充电和放电与图1部分功能是类似的。

对于发电使用的光伏设备，与之配合优化和逆变设备有几种常见的类型，集中式逆变器，组串式逆变器，集散式（带有优化器）逆变器，微型逆变器，光储充一体逆变器等。

1. 1. 集中式逆变器
   此种类型逆变器功率单台可以达到500KW甚至几个MW量级，单个逆变器的输入串联 和并联多个光伏板。该架构优点是使用逆变器数量小，逆变设备每W的成本低。但是此种架构上，无法实现光伏的功率精细化优化，一旦设备出现问题，整个逆变器站就会无法工作，而且发电效率上造成比较大的影响，集中式逆变器主要用在大型发电站光伏设备中。
   

1. 2. 组串式逆变器
   由于集中式逆变器缺点，于是派生了组串式逆变器，组串式逆变器从25KW到350KW功率段不等。单个逆变器有多路MPPT支路和一个三相逆变器组成。每路MPPT串联一组或两组光伏板，一组光伏板的串数与MPPT输入耐压有关，电压在500-1500V的范围，多路MPPT输出并联到直流母线，逆变模块将母线电压变换成交流信号。
   

组串式逆变器可以针对一个组串进行独立的优化，可以提高整个光伏电站发电效率，而且单一组串出现问题时候，其他组串仍然可以正常工作，并可以对于故障组串维修和更换。随着组串式逆变器每W的成本下降，组串逆变器在整个逆变器市场占比逐渐提升。组串逆变器可以用在分布式电站发电，工商业以及户用储能设备中，根据发电等级可以灵活配置MPPT的路数与三相逆变器功率值。
组串逆变器中，可以在每路MPPT上配置电流传感器对于光伏直流拉弧进行检测，可以提高组串安全使用。

1. 3. 集散式光伏逆变器
   集散式光伏逆变器在光伏组件直接增加MPPT或者优化器的方式，可以单个或者少数几个组件效率发挥到最大，同时在优化器内部集成了保护等设备，可以做到组件级别优化，保护和关断，是一种最高效，最安全的方式。优化器再行串联后在连接到逆变器设备，进行集中逆变器。
   

组件级优化先行者是美国的SolarEdge, 针对组件的优化器自研的AISC芯片来满足组件级优化器识别，华为数字能源后来也主打光伏组件级别的优化，在2023年光伏展上华为展出了水星系列组件优化器，内置了功率优化，快速关断与拉弧检测功能，一个产品包打天下。组件级优化的光伏逆变器系统唯一的缺点就是贵，原来几十块甚至几百块光伏板合起来使用的一个电子设备被分散的一两块的级别，每度成本可谓大幅度上升。

但是针对户用以及工商业光伏，可能存在遮挡，以及安全等级高等需求时候，组件级别的光伏逆变器有可能成为一个未来趋势，特别是组件级别器件低压，如果ASIC价格可以随着产品数量增加快速下降，那么这种价格劣势就会的改善。

1. 4. 微型光伏逆变器
   微型逆变器可以认为在组件优化器+集中逆变基础上更进了一步，就是在一个或者几个光伏板后面直接配备MPPT，逆变器以及保护功能，所以整体上功率较小，适合用在户用发电系统中，单个逆变器功率一般在2KW-5KW数量级。微型逆变器每W成本是最高的，仅适用于户用小型光伏系统。但是厂商为了降低单位成本，可以把多个光伏板优化和逆变器放在一起。微型逆变器主要头部厂商是美国SolarEdge和Enphase，国内头部厂商是煜能和禾迈。该类型逆变器对于欧美house自用电系统非常方便。
   

无论是组件级优化，还是微型逆变器都有个学名叫做组件级电力电子（MPLE），随着光伏发电从粗狂发展，到精细化管理，效率提升与安全使用提高，MPLE在细分终端市场中将是未来的一个增长点。

5. 光储充一体逆变器

光储充一体逆变器，实际上并不是一种全新的逆变器架构，而是在工商业，户用光伏系统中，为了简化安装，同一个逆变器中，会把多路MPPT, 光伏到电池单向的DC-DC，MPPT到交流单向逆变器和电池到交流双向逆变做在一起。

总结，光伏逆变器作为光伏组件后面能量转换的设备，是光伏系统最重要的部件之一。考虑到成本，效率和使用场景不同，派生出了集中式，组串式，集散式，微型逆变与光储充一体等多种方式。每一种方式在对应使用场景上都有自己身的优势，但是从趋势上看，组串式将在占据最高的比例，其次是集中式，集散式和微型逆变器在精细化管理上具有更多优势，但是由于成本原因，目前装机量较小，但是随着半导体发展带来成本下降，组件级别检测，保护和优化将会有较大的增长空间，光储充也是在特定的场景下使用，装机比例也比较低

逆变器与光伏组件一样，都成为了中国优势产业，本土产业规模化量产和技术革新也给本土半导体产业带来巨大牵引作用，就如当前中国消费电子和手机对于中国消费芯片促进一样，本土逆变器企业一定会牵引本土半导体厂商前行。由于逆变器等产品恶劣的使用环境与超长的寿命，一定会进一步提高中国版图半导体可靠性和性能提升。而且，逆变器大量使用功率器件，在功率半导体特别是宽禁带半导体产业上，中国半导体实现弯道超车的绝佳机会

以此同时，逆变器属于功率转换设备，其原理与XEV电动车上很多动力和存储能量方式类似，也将进一步推动中国本土XEV核心技术的发展。

2023年10月6日 写于北京

参考文献：

1. 张兴，曹仁贤；机械工业出版社-《太阳能光伏并网发电及其逆变控制》

2. 文中部分图片拍摄于 2023年5月上海光伏展公开展示的产品- 包含上能，华为，煜能等厂商