論光伏逆變器設計選型中庸之道

光伏逆變器競爭激烈，百花齊放，百家爭鳴，各個廠家都在費盡心機，讓自己的產品與眾不同，有的廠家以控制成本為主，價格上做到極低，有的廠家以控制功率密度為主，把尺寸做到極小，有的廠家著重提升效率，有的廠家喜歡新型器件，有的廠家追求自然冷卻，把無風扇進行到底。

光伏逆變器涉及電力電子，智能控制，機械結構，電能質量等多個學科，是一個系統工程，逆變器的體積、重量、效率、噪聲、電壓範圍、溫度等每一個參數指標都很重要，如果單純片面去追求某一兩個技術指標的完美，會犧牲逆變器的其它性能，造成綜合性能變差。

中庸思想貫穿中華五千年的文明史，其核心就是凡事不可太過，日中則移，月滿則虧，器滿則傾，水滿則溢，物極必反。中庸之道不是說不追求完美，而是在均衡的基礎上再追求完美，電子技術發展日新月異，新技術成為市場上銷售的新亮點，但並不是所有的新技術都完美無缺的，並不是所有的老技術都是過時的，新技術與舊技術也沒有絕對的界限。以適度超前為原則，均衡發展為目標，從實際出發，採取新老技術相結合的方式，從用戶的角度出發，在生命週期內實現收益最大化，才是逆變器設計選型中庸之道。

一、適度超前

1、功率模塊的技術突破讓組串式逆變器產生質的飛躍

2013年前，在地面電站使用集中式逆變器，分佈式小電站使用組串式逆變器，隨著組串式逆變器功率越做越大，大型地面電站也開始使用組串式逆變器，有關兩種方案的爭論也一直沒有停過，兩種方案各有優缺點，集中式逆變器優勢中功率器件少，可靠性高，缺點是MPPT數量少，電壓範圍窄；組串式逆變器優勢是MPPT數量多，電壓範圍寬，缺點是功率器件多，可靠性低。

功率開關器件是逆變器最核心的器件之一，承擔電流的轉換工作，長時間工作在高溫，高電壓，大電流狀態，是逆變器最容易出故障的器件，每一個功率器件就是一個故障點。光伏逆變器中的功率開關器件主要是指分立器件功率MOSFET和功率模塊IGBT。早期的中功率組串式逆變器，一般採取分立器件，由於功率MOSFET電流都比較少，一般都採取多個器件並聯的方式。50KW逆變器採用分立器件來設計，需要60多個，這麼多開關器件堆在一起，會產生一系列的問題。如均流，電磁干擾等等。

大家都知道，功率開關管的失效模式是過壓，過溫，過流。分立元器件由於器件多，元器件之間距離比較遠，所以電路雜散電感大，造成工作時尖峰電壓高，元器件容易出現過壓損壞；多個元器件並聯，阻抗不一致，每一個元器件電流就不一樣，阻抗低的元器件電流大，很容易過流；分立器件單端固定，接觸面積小，散熱很難保持一致，很容易過溫。

早期的採用分立元器件的中功率組串式逆變器，在運行過程中出現過多故障，讓人們對中功率組串式逆變器的前程提出了懷疑。不過直到Vincotech和infineon先後推出了包含多個元器件的功率模塊改變了這一現狀。

下圖為Vincotech專為中功率組串式逆變器推出的IGBT功率模塊，前級升壓採用雙Boost功率模塊，由2個IGBT和4個二極管組成，包含boost模塊的開關器件和二極管外，還包含跨接二極管。電壓為1200V，電流為50A，一個模塊相當於8個分立器件。模塊具有很高的靈活性。由於把大功率的Boost電路一分為二，它在得到Boost電路的升壓、高效優勢的基礎上，通過選擇雙Boost電路的並聯方式（直接並聯、交錯正向並聯、交錯反向並聯）和佔空比的大小，可以取得理想的雙Boost電路紋波和減少磁性元器件體積。

雙BOOST功率模塊

後級採用高效MNPC三電平IGBT模塊，由4個50-80A的IGBT組成，一個模塊相當於8個分立器件。採用中點鉗位型的T型三電平結構，損耗低效率高，元器件承受的電壓低，壽命長。

三電平功率模塊

相對於MOSFET，IGBT飽和壓降低，容易實現高壓、大電流化，在中大功率逆變器占主導地位。而IGBT模塊比分立的IGBT單管具有更高的可靠性和安全工作區。光伏逆變器前級採用雙BOOST升壓的IGBT功率模塊，後級採用三電平IGBT功率模塊，是目前中功率光伏逆變器最佳的方案。

（1）減少功率器件的個數，50KW採用功率器件來設計只要5個，數量比同規格的集中式逆變器還少，而採用分立器件來設計，前級升壓需要15個，後級三電平逆變需要48個。整體面積縮小30%以上，可以提高整機功率密度。

（2）單個功率模塊的安裝面積比分立元器件散熱面積大，在安裝上也有很多優勢，雙端緊固，一體化專用夾具，相對於分立器件單端固定，接觸面積更大，應力更小，可靠性更好。功率模塊內部集成一個溫度感應器，測量精度高，能更準確地檢測器件結溫，有利於過熱保護。

（3）IGBT和母線電容連接導線會產生雜散電感，在IGBT關斷的過程中，由於電流快速變化，在IGBT上產生電壓尖峰，會造成嚴重的電磁干擾，增大器件電壓應力。寄生電感會隨著電流的增加、連接導線尺寸增大、距離增長而增大。功率模塊結構緊湊，各功率開關器件之間連接線很短，可以減少電路中的雜散電感，提高逆變器的可靠性。

（4）1200V 的IGBT和1200V的SIC二極管相結合，開關頻率更高，可以提高效率，減少電感的容量。

（5）相對於分立器件，功率模塊不足之處是單位面積熱耗大，整體散熱面積小，功率在30KW以上如果採用自然冷卻的方式散熱，在環境溫度高於40度時，會出現過熱保護。但採用強制風冷的方式散熱，就可以完全避免這個問題。

2、薄膜電容讓組串式逆變器不再有短板

逆變器作為電子產品，電容是最基本的元器件，直流母線支撐電容主要作用是儲能和濾波，要承受很高的脈衝電流和脈衝電壓，是逆變器壽命最短的器件之一，直流母線電容現在有鋁電解電容和薄膜電容兩種，各有優勢，電解電容的主要優勢是單體容量大，價格低，薄膜電容優勢是單體電壓高，但也有很明顯的優勢。

電解電容的壽命一般是2000~3000小時，長壽命的有5000~6000小時，並且容易發生漏液；薄膜電容壽命一般是100000小時以上。而且薄膜電容還具有自愈效應，電容內部微小部分產生短路時，短路產生的能量會融熔和蒸發損壞的電極，從而使該短路點再次處於絕緣狀態。

電解電容耐壓值一般為500-550V，薄膜電容耐壓值一般為1000-1300V，薄膜電容能承受2倍於額定電壓的浪湧電壓的衝擊，能長期承受反向脈衝電壓。

因此，從壽命和可靠性的角度考慮，薄膜電容可以完勝電解電容。

3、包含運維的監控系統為安裝商解除後顧之憂

光伏電站監控現在有兩種形式，一是第三方監控平臺，如淘科，英臻，二是逆變器廠家開發的監控平臺。這兩種各有好處，採用第三方監控平臺，可以監控多家公司的逆變器，適應於有多個廠家的安裝公司；逆變器廠家開發的監控平臺只能監控自己公司的逆變器，有侷限性，但好處也明顯，界面更有針對性，故障處理更快，遠程升級更方便。

古瑞瓦特自主開發的監控設備和雲平臺，操作簡單方便，界面友好，即便沒有經驗的人，5分鐘內也可以註冊成功，通過監控系統可以查看每一臺逆變器的運行情況，界面友好，更重要的十分方便，客戶最關心的逆變器工作狀態、實時功率、每天發電量，就放在每一臺逆變器下面，如果哪一臺機有問題一目瞭然，在線客戶系統還可以提供主動服務，發現問題、故障預警、問題遠程診斷和處理功能。

光伏系統出現故障時，先查看出故障逆變器的報警信息，再根據信息找到相應的故障處理方法，大部分問題都可以當場解決。如果還解決不了，可以選擇向客服提問，服務器端在線客服會耐心解答，如果是系統軟件問題，可以遠程在線升級，如果是逆變器硬件問題，在線客服會第一時間轉到客服中心，相關的技術工程師診斷後，會決定採用維修或者換機最快解決方案。

總結：採用功率模塊和母線薄膜電容的組串式逆變器，兼具了集中式逆變器功率器件數量少，薄膜電容壽命長，整體可靠性高的優點，和組串式逆變器MPPT電壓範圍寬路數多、逆變器體積小重量輕搬運安裝方便等優點。因此說功率模塊的出現，在新技術出現之前，可以讓組串式逆變器和集中式逆變器之間的路線之爭暫時告一段落。

古瑞瓦特2016年下半年推出的Growatt 30000TL3-S到Growatt 50000TL3-S中功率系列逆變器，全部採用功率模塊和母線薄膜電容，配置組串檢測，熔絲保護，交直流防雷模塊，防PID模塊和AFCI模塊。經過近半年的應用，得到了客戶的高度評價。

二、均衡之道

1、散熱方案與體積重量的選取

組串式逆變器散熱方式主要有自然冷卻和強制冷風兩種，自然冷卻：散熱效果差，高溫環境下出現降額運行，導致發電量損失，影響投資方收益。強制冷風：散熱效果優，有利於延長逆變器的使用壽命，並保障高效工作。強制冷風采用的風扇又分為高速風扇和中速風扇兩種：高速風扇，優點是減少散熱器的體積和重量，缺點是增加噪聲，風扇使用壽命較短；中速風扇，優點：風扇的使用壽命長，缺點是散熱器較大。

目前市面上國內逆變器廠家有以下方案：

A、大面積自然散熱。採用分立器件，把熱源分散，散熱器體積很大、很重，逆變器尺寸做得很大，60KW逆變器重量可以達到約70kg。這種方案的缺點是成本高，安裝和維護不方便，如果是安裝在屋頂，搬運是一件很困難的事。

B、自然散熱。同時又為了縮小體積，採用了降額設計，實際最大輸出功率比型號宣稱功率小。這種方案一般在逆變器周圍環境溫度達到50度以上時逆變器就會開始降低輸出功率。這種方案的缺點：一是組件配板少，二是在夏天中午發電高峰期間，逆變器安裝在室外，周圍環境溫度很容易超過50度，降額輸出會造成發電量的損失，嚴重影響客戶的收益。

C、強制高速風冷，為了做到全球體積最小重量最輕的逆變器，採用業界最高速的散熱風扇。這種方案在安裝運維方面的好處比較明顯，但同時缺點也明顯：風扇運轉聲音特別大，特別尖銳；風扇的壽命很難保證，高速風扇的選型很考究，一般的風扇規格都會定義多少度環境溫度下可工作多少小時，需要選擇一款高性能的風扇確保在各種嚴苛的環境下長期工作；為了散熱方面的要求，受輸出電流的限制，輸出電壓設計偏高，元器件的耐壓選型如果裕量不足，會使得元器件會經常工作在超負荷的狀態，影響元器件壽命。

D、智能風冷，採用中速的散熱調速風扇，散熱器稍微大一些，但是在低功率時，風扇不轉自然散熱，在中功率時風扇低速運行，高功率時全速運行強制風冷，實際是逆變器滿功率運行時間不是很多，因此風扇的壽命可以很長，這個方案兼顧自然散熱聲音小和強制風冷體積少的優點，又克服了自然散熱體積大重量重和強制風冷噪聲大的缺點，是目前最合適的方案。

2、MPPT路數與發電量及效率

如果組件不一致、組件安裝角度，或者朝向不一樣，從解決失配的問題角度來說，MPPT數量越多越有利，因為如果其中一路MPPT的組件出了問題，不會影響其它路的組件，是不是MPPT路數越多，實際發電量就越高，這就不一定了，需要從實際情況出來辯證的看待；從穩定性和效率上來說，MPPT的數量越少越好，因為MPPT數量越多，系統成本越高，每一路電流越小穩定性越差，損耗越多。

1）功能損耗：MPPT算法很多，有干擾觀察法、增量電導法、電導增量法等等，不管是哪一種算法，都是通過持續不斷改變直流電壓，去判斷陽光的強度變化，因此都會存在誤差，比如說當電壓實際正處於最佳工作點時，逆變器還是會嘗試改變電壓，來判斷是不是最佳工作點，多一路MPPT，就會多一路損耗。

2）測量損耗：MPPT工作時，逆變器需要測量電流和電壓。一般來說，電流越大，抗干擾能力就越大，誤差就越少，2路MPPT比4路MPPT電流大1倍，誤差就少一倍。如某公司50KW的逆變器，使用開環直流電流傳感器HLSR20-P，電流為20A，誤差為1%，當輸入電流小於0.5A時，誤差就經常發生，當輸入電流小於0.2A時，就基本上不能工作了。

3）電路損耗：MPPT主電路有一個電感和一個開關管，在運行時也會產生損耗。一般來說，電流越大，電感量可以做得更小，損耗就越少。

下圖是在兩個不同的地方，選擇不同MPPT逆變器實際發電量的示意圖文並茂，由圖可以看出，在平地無遮擋光照好的地區，兩種逆變器發電量相差不多，在山地或者屋頂有遮擋光照條件一般的地區，雙級多路MPPT的逆變器發電量高。

逆變器MPPT技術的多樣性，給電站設計帶來了極大的便利。結合實際，科學設計，不同的地形，光照條件，選擇不同的逆變器，降低電站成本，提高經濟效益。複雜山丘電站和多面屋頂電站，存在朝向不一致和局部遮擋的現象，且不同的山丘遮擋特性不一樣，帶來組件失配問題，建議選擇2路以上MPPT逆變器，可以增加早晚發電時間。比較平的山丘電站和中大型屋頂電站，建議選擇2路MPPT逆變器，可以兼顧系統穩定性和發電量；平地無遮擋，光照條件好的地區，建議選擇單路MPPT，單級結構的逆變器，可以提高系統可靠性，降低系統成本。

三、安全至上

在光伏系統運行過程中，由於組件的質量，外部環境影響或者安裝施工操作不當，會造成組件損傷，電路故障等問題，光伏電站一般安裝在荒郊野外，或者屋頂，自然環境惡劣，不可避免會遇到天災人禍，颱風，雪災，沙塵等自然災害會損壞設備，老鼠等小動物咬壞設備，電纜也有可難被小偷剪斷。電站的安全性非常重要。

組串監控，監控光伏輸入每一個組件的電壓和電流，在光伏系統運行過程中，由於組件的質量，外部環境影響或者安裝施工操作不當，會造成組件損傷，電路故障等問題。如果沒有組串監測功能，有些小問題前期檢測不到，最後造成大問題；有些問題需要專門人員去現場排查，時間長，發電量損失大。

PID效應（Potential Induced Degradation）全稱為電勢誘導衰減，PID直接危害就是大量電荷聚集在電池片表面，造成電池片表面鈍化，使得組件功率衰減，發電量減少，太陽能發電站的電站收益降低。通過在逆變器中集成PID防護模塊，可以有效的避免組件發生PID現象，減少電站發電量損失。同時，PID模塊具有修復功能，可以對已發生PID問題的組件進行修復，使組件各項指標參數恢復正常。

直流電弧檢測，火災是光伏電站經濟效益損失最大的事故，如果是安裝在廠房或者民居屋頂上，還很容易危及人身安全。光伏電站一旦發生火災，不能直接用水來滅火，首先要以最快的速度切斷電源，光伏電站中的火災事故因素很多，直流拉弧是主要的原因。古瑞瓦特公司推出一種電路保護裝置AFCI，其主要作用是防止故障電弧引起火災。它有檢測並區別逆變器在啟停或開關時產生的正常電弧和故障電弧的能力，發現故障電弧後及時切斷電路。

直流熔絲不可或缺，由於器件選型不當、安裝方式不對，或者熔絲質量問題，在一段時間內，光伏電站直流側熔絲故障事故頻發，給客戶造成一定的損失，其實這些問題並不是熔絲本身有問題，現在已有解決方案，有的逆變器生產廠家就因此取消了直流端熔絲保護，改為採取每路MPPT中只有兩路組串並聯，和使用防反二極管作為過電流保護。

熔斷器作為一種過電流保護器件，在系統出現短路故障時，能以最快速度切斷故障迴路，避免更大的損失，光伏電站一般安裝在荒郊野外，或者屋頂，自然環境惡劣，不可避免會遇到颱風，雪災，沙塵等自然災害，老鼠等小動物咬壞電纜造成絕緣破損，接頭鬆動等天災人禍。直流熔絲在光伏系統中不可或缺，完全取消直流熔絲保護，是一種不負責的做法。

逆變器系統由多路MPPT輸入迴路組成，每路MPPT接兩路組串，各光伏組串通過Boost升壓電路後並聯在一起，前級Boost升壓電路一般都並聯旁路元件，目的是當電壓升高到一定值後將Boost升壓電路旁路，提高系統的效率，這時候就相當於只有一路MPPT，前級所有的迴路都連到一起，如此時某一路發生短路，電壓會下降，其它組串的電流就會流到這一路，造成短路的迴路電流擴大幾倍，如果沒有熔斷器保護，就會引起火災。

逆變器的熔絲設計選型和安裝要注意以下幾點，可以有效減少熔絲無故障熔斷帶來的影響。

（1）熔斷器要選擇正規生產廠家的合格產品，合適的額定電流，電流過小容易誤判，電流過大起不到保護作用。

（2）熔斷器安裝地點選用進風口，溫度低的地方，

（3）熔斷器不裸露，外部有防電弧罩，以防止熔斷器產生電弧起火