中国光伏产业发展路线图(逆变器部分)

《中国光伏产业发展路线图》

（三）集中式逆变器发展概述

1、集中式逆变器简介

光伏逆变器作为光伏系统的主要部件之一，核心任务是跟踪光伏阵列的最大功率，并将光伏组件的直流电转换成交流电馈入电网。

逆变器依据单机功率的大小，可分为集中式逆变器、组串式逆变器、微型逆变器。通常情况下单机功率大于100kW称为集中式逆变器。目前主流机型仍然是500KW/630KW,并逐步过渡到单机1MW-2MW，多台并联组成1-6MW单元。直流电压等级逐步从1000V 向1500V过渡。

集中式逆变器通常采用DC/AC单级拓扑结构，主要特点是单机功率大、元器件数量少、稳定性好、单位成本低，同时便于维护，因此可以大幅度降低电站生命周期的系统成本，包括初始投成本和后期运维成本。

集中式逆变器MPPT数量相对较少，因此主要应用于平坦的大型地面电站、水上光伏及大型屋面电站。此类应用场合组件安装朝向一致，没有遮挡，因此500KW/630KW一路MPPT完全可满足应用要求。从仿真和实际运行效果看，在此类平坦应用场景中集中式和组串式发电量持平。

此外，随着光伏发电渗透率不断提高，电网接入要求不断提高，集中式逆变器解决方案由于设备并联数量少，更稳定、快速的响应电网有功、无功调度控制。在弱电网应用时，相互之间产生谐振的风险大大降低。

2、集中式逆变器技术发展现状

光伏逆变器的技术发展是伴随着光伏系统技术和电力电子技术不断进步而不断成长的。在光伏发电应用的早期，由于系统不成熟，成本高，光伏系统功率较小，组串式逆变器最先得到应用。随着组件技术、电力电子技术和逆变器技术的不断进步，以及在国家政策的引导，光伏装机量不断提高。为了进一步降低系统成本，集中式逆变器应运而生，逐渐发展到现在以单机500kW-2MW，几台并联组成1-6MW解决方案的的主流应用形式。近年来，集中式逆变器技术日益成熟，在大型电站中获得了广泛应用。

2.1最大转换效率超过99%，MPPT效率达到99.9%

现有的逆变器最大效率超越了99%，中国效率最高A级。MPPT精度在98%~99%，

以阳光电源为代表的部分逆变器厂家MPPT精度已达99.9%。逆变器效率的提高给投资者带来了最直接的经济效益，以100MW电站为例，按年日照峰值小时数等于1500h计算，当逆变器效率提升0.2%，25年生命周期内可带来750万元收益提升，大约占到光伏电站逆变器总投资额的15%~25%。

2.2 多电平技术的应用

多电平技术可降低开关损耗，提高转换效率，减少注入电网的谐波含量，大幅降低系统成本。集中式逆变器主要是以2电平和3电平为主，国内阳光电源的1000V和1500V集中式逆变器均采用3电平技术，已广泛应用于国内外光伏电站中，另外海外PowerOne的4电平、SMA的5电平、ABB的简化5电平拓扑均有部分应用。H桥级联技术适用于输入不共地的多组件光伏系统。随着光伏逆变器电压的持续提高，单机功率不断增加，模块化多电平MMC也将用于光伏系统中。

2.3功率器件以IGBT 为主，少量采用SIC器件

目前逆变器主电路采用的电力电子器件主要以IGBT模块为主，属于Si功率半导体器件，Si功率半导体器件较低的临界击穿场强限制了器件的最高工作电压及导通电阻，使得IGBT 模块的开关损耗难以达到理想状态，并且IGBT模块禁带宽度较小及热导率较低限制了器件的最高工作温度及最大功率。为了满足电力电子工业发展需求，新型的半导体材料SiC、GaN 等得到了应用。SiC器件禁带宽度大，工作温度高，导通电阻比Si的同类器件低很多，开关损耗低，热导率高适用于高频化，整个系统的体积和成本进一步减小。

2.4 智能风冷为主的散热技术

散热设计作为逆变器的一项核心技术，对逆变器转换效率、系统的发电能力都至关重要，同时逆变器的散热方式对逆变器寿命和系统可靠性影响较大。散热方式可根据逆变器功率等级进行选择，集中式逆变器目前仍然以风冷为主，散热效率高，逆变器具有更宽的工作温度范围，适用于沙漠等高温应用场景。国内阳光电源、特变电工等厂家的集中式逆变器均可做到环境温度50℃满载运行，45℃1.1倍过载。同时也有少量采用水冷方式的应用研究，散热效率高，但成本较高，后期维护不便。

2.5单机功率不断提高，最大可达2.5MW

提高单个功率单元的容量，是降低系统成本的有效手段，目前在欧美等光伏应用领先的市场，容量1MW~2.5MW的功率单元是集中式光伏电站的主流方案，其中印度地区有部分6MW的集成方案已投入应用。2014年德国逆变器厂家SMA发布了单机容量2457kVA 的集中式逆变器，2015年阳光电源推出了1000V系统单机2.5MW的箱式逆变器解决方案、1500V系统单机功率3MW的方案，2017年推出了6MW解决方案。国内大型电站也在做

这方面的尝试，早在2013年国内西北电站就出现了单个功率单元2MW的应用案例。单机容量增大后，运输、安装成本降低，系统箱变、通讯、高压等部件成本大幅度降低。

2.6直流电压逐步从1000V向1500V过渡

集中式逆变器目前的仍然以1000V拓扑技术主。随着电力电子的器件技术、拓扑技术、绝缘技术、直流灭弧等技术的进步，1500V直流电压等级的逆变器已基本成熟，并在多个电站中成功应用。

光伏系统电压等级的提升，可有效降低系统成本，降低系统损耗。相比1000V直流电压等级，1500V汇流箱和逆变器数量减少，安装维护工作量减少，施工成本和运维成本降低，同时相同容量电站并网点减少，高压线缆用量减少，变压器数量和成本降低。目前1500V 的逆变器、1500V组件、汇流箱等相关部件已满足大批量生产条件。国内2015年已经安装了部分示范电站，2016~2017年已经完成了从示范向商业化应用阶段，，美国、印度等地区也已实现大批量安装。

3、集中式逆变器技术发展趋势

随着电力电子技术、元器件等多种新技术的快速发展及与互联网技术的整合带动逆变器技术的不断进步，同时在追求更低度电成本（LCOE）的驱动下，集中式逆变器正朝着更高效率、更高功率等级、更高直流电压、更高集成度、更智能化、电网更加友好的方向发展。另外，随着全球可再生分布式能源的大规模应用，逆变器结合储能技术将是保障分布式电网稳定运行和规模化应用的重要发展方向。

3.1更高效率

SiC、GAN等新型半导体材料、高效的磁性材料、性能优异的DSP、新型拓扑结构的应用、MPPT技术改善，促使逆变器的效率不断提高，目前逆变器的最大效率已经达到99%，下一个目标是99.5%；中国效率已经达到A级，下一个目标是A+，A++。

3.2更大功率、更高集成度、更高电压等级、更高防护等级

2.5MW及以上更大功率等级的逆变器将广泛应用，与1MW方案相比，2.5MW的方案至少可降低成本0.1元/W，即100MW的电站可降低1000万初始投资。此外，通过电缆匹配后，可保证直流部分的损耗一致。

更高集成度的逆变器及方案将得到广泛应用，如箱式中压逆变器，高度集成逆变器、变压器、配电、通讯、照明、烟感等。集成度提升一方面可降低系统生命周期的成本，包括电缆成本、项目施工成本、项目管理成本、后期运维成本等，另一方面系统之间耦合性更强，更加可靠。