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    微型光伏逆變器

    編輯:嘉興富上電子制品有限公司  時間:2022/02/17
    1、微型逆變器的設計質量評估

    呈幾何級數增加的微型逆變器可能帶來的安全隱患,你想到了嗎?

    基于組件功率等級(300瓦)的微型逆變器,與組件本身的基本特性有兩個巨大的差異:

    1組件是單一的二極管結構(簡單半導體),而逆變器是多個有源、無源器件的組合且具嵌入軟件的設備(復雜電子),兩者的可靠性在本質上是不能比的。單一的組件可以輕易的做到25年,多個元器件組合的逆變器做到25年卻非易事。

    2不同國家電力系統的差異是巨大的。承受該差異的是逆變器,即逆變器成為了組件的防火墻。所以,組件對電網不敏感,一個認證就可以通行四海;而逆變器則必須針對每個國家的電網進行不同的認證,以滿足電網的不同要求,如電壓、頻率、安全規范等等。

    相對于最小功率等級的集中式小型逆變器(3000瓦),微型逆變器的數量已經增加了一個數量級;而對于大型集中式逆變器(250kW),微型逆變器的數量則增加了三個數量級(1000倍)。這樣巨大的數量變化,必然會導致在電廠級、電網級的一些根本性變化,此所謂量變導致質變。因此,微型逆變器的設計質量的考核標準要比組件(當然也比集中式逆變器)的考核標準復雜、苛刻得多。

    設計質量的第一層面是對產品本身的電氣指標的考核,如功率、電壓、效率、重量、總諧波含量THD、功率因數PF、外觀、價格和耐用性等等。很不幸的是,多數的微型逆變器廠家僅僅止步于這個層面。

    設計質量的第二個層面,是在全球范圍內針對不同國家的電力系統及安全規范進行設計,通過其認證并在應用中得到驗證。澳洲由于標準門檻偏低,所以在那里的中國廠家扎堆;北美由于在分布式發電產業和標準上相對落后,以及出于對本土企業的扶持的考慮,對微型逆變器的標準采取了“網開一面”的態度。比如,北美的標準放棄了作為特種設備的“機械斷開”的要求,對漏電流和直流分量的要求也很低,更是沒有提出讓微型逆變器承擔電力系統的社會責任,即“按頻率變化調節輸出功率”的要求。所以,僅僅通過澳洲或者北美認證,離全球市場的要求還有漫漫長路要走。而且我們認為,隨著澳洲、北美分布式光伏電廠規模的增大,他們自身必然將反省及提高相應的標準,并向歐洲(如意大利、德國)標準看齊。北美對光伏電廠提出無功功率要求,其實已經釋放了一個強烈信號。

    英偉力以不怕困難且耐得住寂寞的精神全面而系統地研究了全球范圍內各國典型電廠,并完成了北美、澳洲、德國、意大利、英國、北歐、西班牙、墨西哥、韓國等諸多國家的認證(環視各家微型逆變器廠家,幾乎都是半導體行業出身的團隊。只有英偉力,才是由真正懂得電力系統的專家領導)。

    設計質量的第三個層面是具有一定量級的且具有廣泛代表性的用戶測試,二者缺一不可。假如只在澳洲測試,那么即便是10萬臺的測試結果代表的可信度遠遠比不上在歐、亞、非、美10個國家測試1萬臺的可信度,同時六個月的測試也是不能跟兩年的測試相比擬的。

    英偉力用近2年的時間完成了40多個國家的近2萬臺的測試。但是A公司及N公司,都只是在不到一年的時間里僅在一兩個國家進行了測試銷售,盡管總量上可能要大些。因為時間的相對短促,以及電氣、地理、氣候甚至人文環境的相對單一性,A公司及N公司甚至E公司都還不具備全球批量發貨的能力。

    我們不便對A公司和N公司的商業策略做過多的評論,但是單從設計質量的控制上講,這種做法是不嚴謹、不科學的。由于時間的相對短促以及測試條件的相似性,許多潛在問題是不能被顯露出來的,這在我們的測試經驗里得到了充分的顯示,為此英偉力做了大量的工作以制定滿足各國電網的不同要求。因此,A公司及N公司的設計中的許多潛在問題會依舊潛伏,這些問題最終是要有人埋單的。

    最后,質量設計的考核要對三個不同層面,并在不同的層面全面形成循環的、不間斷的監控和改進,這是一個曠日持久的、大跨度地理分布的、多種復雜氣候環境的、多種電網適應性的綜合測試及改進過程。任何想跳過這些必要階段的行為都是極其危險的,必將為此付出昂貴的代價。很多先驅成為了先烈,原因大多類似??纯词陙鞩T、EV(電動汽車)走過的路,對分布式智能電網的健康發展,有著深刻的借鑒意義。

    2、基于微型逆變器的分布式系統:遠遠不止于微逆

    發電機還是發電廠?這是一個問題。

    微型逆變器與組件一同構成了一臺理想的 交流發電機,多個發電機組成了一個發電廠。微型逆變器之美在于,它把可商業化的(靜態)交流發電機做到了300瓦的功率等級,提供了一個徹底的分布式發電解決方案,這是人類電氣文明史上的一個里程碑事件,它進一步的使個人發電真正地、具有商業意義地成為可能??上У氖?,它的深刻內涵與完整外延,連先驅者們也并不十分清楚。不過,就像很多其它的技術革新一樣,這也屬于正常。

    分布式發電系統有兩個層面的:收益的分布式和風險的分布式。兩者都要兼顧,但是會根據電廠的規模而側重點不同。

    住宅屋頂的小型系統(小于10kW)更側重前者,而大型系統(300kW以上)更側重后者。防觸電風險由漏電保護機制提供,防變壓器燒毀風險由電流的直流分量檢測機制提供。

    在集中式逆變器的時代,發電機和電廠是合二為一的,所有的收益控制和風險控制都集中于逆變器一身,所以,集中式逆變器要求做漏電保護、直流分量保護也就理所當然了(成本上也能夠承受)。而在微逆變器的時代,發電機和電廠不再是同一實體。多個合格的發電機(微逆變器)的組合并不等于一個合格的發電廠。最直接的原因是,作為發電機的微逆變器,認證機構并不需要檢測其漏電流及直流分量(且成本上也不能承受),但是電廠卻需要這兩個強制安全保護:因為漏電傷人是嚴重的安全事故,而直流分量燒毀配電變壓器會直接危害電力系統的安全。這兩者都是電廠業主必須承受之巨大責任。

    E公司、A公司和N公司的系統,因為沒有eGate,無法對漏電流和直流分量進行分布式的、智能化的檢測并做出及時的保護,因而他們的方案只適用于小型系統,且外加第三方保護(因而導致成本的不可控)。嚴格意義上將,他們只是“發電機供應商”,而只有英偉力才是“發電廠供應商”。一字之差,千里之遙。事實上,我們的這幾位競爭對手并不了解電力系統(他們的高管和技術團隊是以半導體行業的為主),他們還沒有做好解決百千瓦級、兆瓦級分布式微逆系統方案的準備。

    英偉力的三相eGate+微逆變器的系統,是一個完備的16x3x0.25kW=12kW電廠,它完美地滿足了一個分布式電廠所需的一切電氣安全要求:二級防雷、雙重機械觸電斷開、漏電流檢測及安全斷電/自動恢復、并網電流直流分量檢測及安全斷電/自動恢復?;谶@樣的一個完備的分布式電廠單元,用戶可以像小朋友搭樂高模塊(Lego Blocks)一樣,輕松地搭建任意功率級別的分布式電廠。

    目前,就筆者所知,全球范圍內只有英偉力的eGate+微逆變器系統,可以完全模塊化、智能化地實現真正意義的、任何功率等級的分布式光伏系統。這與筆者20多年來在電力系統、電機控制、先進電力電子變換器方面一線工作中所積累的豐富經驗是密不可分的。

    無論是組件廠還是逆變器廠,都只是自覺不自覺地關注“發電機”(即逆變器)本身,而電網公司則更關心作為一個整體的發電廠是否符合并網要求。

    向終端客戶提供基于微逆變器的分布式解決方案,從收益的角度來講,他們從中得到了實惠??墒?,到目前為止,絕大多數微型逆變器廠家似乎都只關注和滿足了終端客戶的利益訴求,卻忽略了對電網公司的基本尊重:電網公司并沒有從分布式發電的額外收益中獲得任何好處。相反,對于同功率等級的電廠,電力系統要面對比集中式逆變器多得多的發電機(微型逆變器):分布式電廠中的發電機數量的激增使得電力系統的可靠性問題變得空前復雜起來了。

    舉例來講,J公司的奉賢工廠一兆瓦(1MW)項目,選用了英偉力的4200臺微型逆變器,即4200臺發電機。如果選用250kW的集中式逆變器,則只需4臺發電機。4200臺微型發電機的額外發電為J公司的奉賢工廠帶來更好的收益,但是如果處理的不好這些發電機帶來的潛在安全問題卻留給了電網。除了常規的過欠壓、過欠頻保護,頻率調節功率、孤島保護、防雷之外,還有兩個嚴肅的安全問題必須面對:一、漏電流保護;二、直流分量保護。漏電會危及人身安全(其重要性不言而喻);直流分量會危及 升壓變壓器的安全。漏電流危害生命,這會被受害者及保險公司起訴;直流分量會導致配電變壓器異常升溫,甚至燒毀,這會受到電網公司的嚴厲處罰。

    因為成本的關系,微型逆變器本身都不具有主動漏電保護和直流分量保護功能。這兩項重要的電氣安全指標,如果處理不好會對整個系統的安全留下巨大的隱患。試想,J公司的奉賢項目的4200臺微型逆變器中有一臺發生漏電或者直流分量超標,結果將會怎樣?

    我們的競爭對手,E公司、A公司和N公司的系統,只能加入第三方的漏電保護和直流分量保護。但是,他們馬上就面臨兩個兩難的命題:這些保護,是集中在中央配電箱呢,還是分布在各處?

    如果要在中央配電箱集中加入第三方的漏電流和直流分量保護,那么,如果有一臺微逆變器、或者一條線纜發生漏電,這時只能把這4000多臺微逆全部拆下來、逐一排查,這是因為沒有漏電故障定位系統,因而無法準確定位是哪里出現了故障。

    如果要在各處加入第三方的漏電流和直流分量保護設備,那么,雖然這可以人工地定位漏電故障,可是這樣做的成本將大大超過eGate的解決方案的成本。最讓客戶無法接受的是,花了分布式的錢,卻買了一個“半自動”的“偽分布式”系統,此類系統所帶來的經常的人工干預、繁雜的檢修,遠遠超過(傳統的)集中式系統所需的維護。而使用英偉力的eGate系統,任何問題都可以實時地定位在16個(一組的)微逆變器和相應的電纜,這包括常規的電氣隔離、漏電保護、直流分量以及防雷等問題。

    不徹底的分布式系統的安全性、智能性反而比集中式的還要糟糕。我們暫且稱之為“偽分布式系統”。

    光伏行業應該也必須嚴肅地對待這種“偽分布式系統”所帶來的對業主、對電力系統的潛在危害。真正意義的組件級的、智能化的分布式系統,目前只有英偉力的eGate+微逆變器是最佳的解決方案。

    3、基于微逆變器的智能電網:遠遠不止于數據采集

    智能電網:麻煩才剛剛開始。

    五年前,英偉力即開始研發微逆變器:一個高級的數字電源(發電機)。今天回眸這五年的歷程,最終英偉力交付給客戶的是一個完全意義上的智能電網系統。這個飛躍,如果不加解釋,很多人都是不能意識到的。

    首先,集中式的逆變器由于數量相對較少,都采取有線方式通訊。而數量巨大的微型逆變器系統的局域網則只能采用無線或虛擬無線方案。無線及虛擬無線的應用于工業級的高實時性、高可靠性設計,本身就是一個全新的、富有挑戰的課題。

    我們且不展開討論智能電網的應用,諸如功率干預、計費認證、地理信息、氣象信息、產業用電分布信息、虛擬電廠、電能質量分析、基于專家系統的數據挖掘工作、參與峰谷調節、諧波治理、低壓穿越、無功補償等等,單就數據采集而言,實時性和安全性是必須嚴格保障的兩大永恒的主題?;陔娏€載波通訊(PLCC)的局域網如何保證數據的實時性和安全性,據筆者所了解,A公司和N公司都存在對此要求認識不足的問題。

    首先,A公司和N公司都采用了深圳R公司的方案,而且是一種“透明”傳輸的“總包方案”,即R公司提供數據鏈路層的全套協議封裝,只將接口參數開放給A公司和N公司。R公司的產品設計,都是圍繞遠程抄表展開的,也就是說,一個月收一次數據(數據量小、發送頻率極低)。對于這種應用,實時性和安全性都不是他們所要考慮的問題。因為“方案外包”,A公司和N公司的“通訊組”都能力較弱,而英偉力則配備了十多位通訊工程師的團隊(具有無線通訊和工廠自動化領域經驗),從事基礎理論到應用的研究。英偉力已經實現了由單純的電力電子變換器向智能電網系統的成長,即由單純的電力電子技術,向工業局域網以及遠程數據庫技術,并進一步實現結算與高級應用程序方向發展。英偉力已經成長為一家提供完整智能電網方案的公司,而A公司和N公司還只是電力電子公司。

    電力系統一次側(即發電及輸電側)的系統,電力系統倫理關系明確且固定?;贐FSK(Binary Frequency Shift Keying)的低速電力線載波通訊(PLCC)一直由于其出色的安全性和經濟性而成為首選。而且,由于配電變壓器的自然衰減,一次側(即發電及輸電側)所使用的電力線載波通訊(PLCC)中的物理信號是相對封閉的,其受外界的干擾則很小。所以,這種明確的系統結構以及封閉性,決定了在電力系統一次側(即發電及輸電側)應用電力線載波通訊(PLCC)的技術條件比較容易得到滿足從而保證通訊質量(不間斷性和安全性)。

    而電力系統二次側(即配電系統末端的用電側)基于分布式發電系統的通訊系統,還是一個非常新的研究課題,有很多技術、經濟甚至是社會和法律制度問題有待深入研究。研究適合于電力系統二次側的配電網底端的分布式發電系統的電力線載波通訊(PLCC)方案,目前還處于起步階段,無論是物理層、數據鏈路層、還是應用層,都還沒有行業標準。英偉力是唯一提出此課題、付諸于認真研究的實際行動,并實現和應用了成熟的技術方案的公司。

    相對于電力系統的中、高壓端的電力線載波通訊(PLCC)環境,低壓配電網(即微逆變器所在的電網)面臨更多的技術難題。第一,電力系統的一次側(即發電及輸電側)從高頻阻抗上看是穩定的封閉網絡,而二次側則是開放網絡(其負載的接入幾乎不受限制),進而高頻阻抗也就無法控制;第二,二次側配電網中的諧波污染日益嚴重(如家電的不穩定的用電所帶來的瞬間電流的變化),且呈增長趨勢,在這樣的系統中,電力線載波通訊(PLCC)的電磁環境無法得到保證。如果采用抗干擾性強的寬帶PLCC方案,其高技術門檻及高成本會限制它的廣泛應用?;谡瓗Ъ夹g的低壓PLCC應用,目前還主要局限于抄表系統、路燈控制這種數據量不大、實時性要求都不高的領域。第三,在集中式發電系統中,電能的流向是單向的,電力信息系統的重點在于繼電保護、電能質量分析,系統可以給出強制性指令,電力系統的從屬關系(電力系統倫理)是明確的。而根本上改變了電網的潮流生態的微小型的分布式發電,系統中的從屬關系不再明確,系統不但不能給出強制性指令,甚至即便是純技術信息的獲得也必須考慮到對不同發電廠和個人信息的法律保護條規,以及用戶對信息分享和數據安全的認可度。

    因此,在分布式發電系統中存在信息傳輸媒介不穩定且不可控、對數據的實時性要求較高、且對公眾信息安全構成潛在風險的的諸多問題,而在這種系統中應用基于窄帶技術的低壓電力線載波通訊(PLCC)技術,的確是個全新的技術挑戰。R公司方案的物理層信號的開放性,會面臨著巨大的泄露用戶個人商業信息的安全風險;同時,R公司的基于以太網協議的框架,也在多電廠應用及復雜電氣環境的應用中捉襟見肘(即數據傳輸的高度不可靠性,這在A公司、E公司的客戶的實際應用中已經凸顯出來,并使這些廠家的市場策略和應用中出現了“不提供通訊功能”或“數據長時間不變化”的怪現象,這和“微逆變器系統可以實時地、連續地監控每個組件的發電狀況”的初衷大相庭徑)。

    由智能電網而引起的電力系統生態與倫理的變化,我們也應當給予更多嚴肅的思考。新能源并網系統的通訊問題必須綜合考慮技術性、經濟性以及社會性的各方面因素。在微網內部,最合適的通訊技術應選窄帶電力線載波技術;在微網與公共電力網接口處,可以通過加裝高頻濾波器及阻抗匹配網絡,使得微網內部的電力線上的信噪環境、阻抗穩定性得到保證,進而保證可靠的低成本通訊;微網之間的互聯,可以考慮基于工業總線技術的局域網或無線網方案;微網至遠程中央數據庫的外部上下行通訊,則應首選商業通訊網絡特別是互聯網。

    一百年前,電氣時代的初期(全模擬)創造了通用、西門子。三十年前,電氣時代的中期(信息數字化)創造了IBM、微軟、谷歌。今天,電氣時代進入了后期(能量數字化),可以預言,誰掌握了智能電網的核心技術,誰就能在這場電氣革命中掌握主動權。

    智能電網的發展,使得分布式發電信息系統可以打破傳統電力供應商的物理疆界,使全球電力系統在信息環上的互聯成為可能。同時,它又構造了一個跨國界的特殊的物聯網框架。隨著基于這種技術的基礎設施之不斷完善,更多的商業模式和商業價值必將被挖掘和創造出來。

    在戰略性地進入微逆變器領域之前,筆者認為非常有必要遵循以上思路,充分考慮從發電機(微逆變器)、電廠、電網,從技術、制度標準、法律的諸多問題,對外延不斷擴大、內涵不斷深入的三個命題進行全面的、深刻的思考:

    1、發電機(微型逆變器)本身的設計質量考核的三個層次;

    2、發電機功能實現分布式的同時,必須考慮發電廠電氣安全的智能化、分布式實現;

    3、必須在全面保障數據實時性、信息安全性的基礎上,開發智能電網的框架下的各項應用。
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