论光伏逆变器设计选型中庸之道

光伏逆变器竞争激烈，百花齐放，百家争鸣，各个厂家都在费尽心机，让自己的产品与众不同，有的厂家以控制成本为主，价格上做到极低，有的厂家以控制功率密度为主，把尺寸做到极小，有的厂家着重提升效率，有的厂家喜欢新型器件，有的厂家追求自然冷却，把无风扇进行到底。

光伏逆变器涉及电力电子，智能控制，机械结构，电能质量等多个学科，是一个系统工程，逆变器的体积、重量、效率、噪声、电压范围、温度等每一个参数指标都很重要，如果单纯片面去追求某一两个技术指标的完美，会牺牲逆变器的其它性能，造成综合性能变差。

中庸思想贯穿中华五千年的文明史，其核心就是凡事不可太过，日中则移，月满则亏，器满则倾，水满则溢，物极必反。中庸之道不是说不追求完美，而是在均衡的基础上再追求完美，电子技术发展日新月异，新技术成为市场上销售的新亮点，但并不是所有的新技术都完美无缺的，并不是所有的老技术都是过时的，新技术与旧技术也没有绝对的界限。以适度超前为原则，均衡发展为目标，从实际出发，采取新老技术相结合的方式，从用户的角度出发，在生命周期内实现收益最大化，才是逆变器设计选型中庸之道。

一、适度超前

1、功率模块的技术突破让组串式逆变器产生质的飞跃

2013年前，在地面电站使用集中式逆变器，分布式小电站使用组串式逆变器，随着组串式逆变器功率越做越大，大型地面电站也开始使用组串式逆变器，有关两种方案的争论也一直没有停过，两种方案各有优缺点，集中式逆变器优势中功率器件少，可靠性高，缺点是MPPT数量少，电压范围窄；组串式逆变器优势是MPPT数量多，电压范围宽，缺点是功率器件多，可靠性低。

功率开关器件是逆变器最核心的器件之一，承担电流的转换工作，长时间工作在高温，高电压，大电流状态，是逆变器最容易出故障的器件，每一个功率器件就是一个故障点。光伏逆变器中的功率开关器件主要是指分立器件功率MOSFET和功率模块IGBT。早期的中功率组串式逆变器，一般采取分立器件，由于功率MOSFET电流都比较少，一般都采取多个器件并联的方式。50KW逆变器采用分立器件来设计，需要60多个，这么多开关器件堆在一起，会产生一系列的问题。如均流，电磁干扰等等。

大家都知道，功率开关管的失效模式是过压，过温，过流。分立元器件由于器件多，元器件之间距离比较远，所以电路杂散电感大，造成工作时尖峰电压高，元器件容易出现过压损坏；多个元器件并联，阻抗不一致，每一个元器件电流就不一样，阻抗低的元器件电流大，很容易过流；分立器件单端固定，接触面积小，散热很难保持一致，很容易过温。

早期的采用分立元器件的中功率组串式逆变器，在运行过程中出现过多故障，让人们对中功率组串式逆变器的前程提出了怀疑。不过直到Vincotech和infineon先后推出了包含多个元器件的功率模块改变了这一现状。

下图为Vincotech专为中功率组串式逆变器推出的IGBT功率模块，前级升压采用双Boost功率模块，由2个IGBT和4个二极管组成，包含boost模块的开关器件和二极管外，还包含跨接二极管。电压为1200V，电流为50A，一个模块相当于8个分立器件。模块具有很高的灵活性。由于把大功率的Boost电路一分为二，它在得到Boost电路的升压、高效优势的基础上，通过选择双Boost电路的并联方式（直接并联、交错正向并联、交错反向并联）和占空比的大小，可以取得理想的双Boost电路纹波和减少磁性元器件体积。

双BOOST功率模块

后级采用高效MNPC三电平IGBT模块，由4个50-80A的IGBT组成，一个模块相当于8个分立器件。采用中点钳位型的T型三电平结构，损耗低效率高，元器件承受的电压低，寿命长。

三电平功率模块

相对于MOSFET，IGBT饱和压降低，容易实现高压、大电流化，在中大功率逆变器占主导地位。而IGBT模块比分立的IGBT单管具有更高的可靠性和安全工作区。光伏逆变器前级采用双BOOST升压的IGBT功率模块，后级采用三电平IGBT功率模块，是目前中功率光伏逆变器最佳的方案。

（1）减少功率器件的个数，50KW采用功率器件来设计只要5个，数量比同规格的集中式逆变器还少，而采用分立器件来设计，前级升压需要15个，后级三电平逆变需要48个。整体面积缩小30%以上，可以提高整机功率密度。

（2）单个功率模块的安装面积比分立元器件散热面积大，在安装上也有很多优势，双端紧固，一体化专用夹具，相对于分立器件单端固定，接触面积更大，应力更小，可靠性更好。功率模块内部集成一个温度感应器，测量精度高，能更准确地检测器件结温，有利于过热保护。

（3）IGBT和母线电容连接导线会产生杂散电感，在IGBT关断的过程中，由于电流快速变化，在IGBT上产生电压尖峰，会造成严重的电磁干扰，增大器件电压应力。寄生电感会随着电流的增加、连接导线尺寸增大、距离增长而增大。功率模块结构紧凑，各功率开关器件之间连接线很短，可以减少电路中的杂散电感，提高逆变器的可靠性。

（4）1200V 的IGBT和1200V的SIC二极管相结合，开关频率更高，可以提高效率，减少电感的容量。

（5）相对于分立器件，功率模块不足之处是单位面积热耗大，整体散热面积小，功率在30KW以上如果采用自然冷却的方式散热，在环境温度高于40度时，会出现过热保护。但采用强制风冷的方式散热，就可以完全避免这个问题。

2、薄膜电容让组串式逆变器不再有短板

逆变器作为电子产品，电容是最基本的元器件，直流母线支撑电容主要作用是储能和滤波，要承受很高的脉冲电流和脉冲电压，是逆变器寿命最短的器件之一，直流母线电容现在有铝电解电容和薄膜电容两种，各有优势，电解电容的主要优势是单体容量大，价格低，薄膜电容优势是单体电压高，但也有很明显的优势。

电解电容的寿命一般是2000~3000小时，长寿命的有5000~6000小时，并且容易发生漏液；薄膜电容寿命一般是100000小时以上。而且薄膜电容还具有自愈效应，电容内部微小部分产生短路时，短路产生的能量会融熔和蒸发损坏的电极，从而使该短路点再次处于绝缘状态。

电解电容耐压值一般为500-550V，薄膜电容耐压值一般为1000-1300V，薄膜电容能承受2倍于额定电压的浪涌电压的冲击，能长期承受反向脉冲电压。

因此，从寿命和可靠性的角度考虑，薄膜电容可以完胜电解电容。

3、包含运维的监控系统为安装商解除后顾之忧

光伏电站监控现在有两种形式，一是第三方监控平台，如淘科，英臻，二是逆变器厂家开发的监控平台。这两种各有好处，采用第三方监控平台，可以监控多家公司的逆变器，适应于有多个厂家的安装公司；逆变器厂家开发的监控平台只能监控自己公司的逆变器，有局限性，但好处也明显，界面更有针对性，故障处理更快，远程升级更方便。

自主开发的监控设备和云平台，操作简单方便，界面友好，即便没有经验的人，5分钟内也可以注册成功，通过监控系统可以查看每一台逆变器的运行情况，界面友好，更重要的十分方便，客户最关心的逆变器工作状态、实时功率、每天发电量，就放在每一台逆变器下面，如果哪一台机有问题一目了然，在线客户系统还可以提供主动服务，发现问题、故障预警、问题远程诊断和处理功能。

光伏系统出现故障时，先查看出故障逆变器的报警信息，再根据信息找到相应的故障处理方法，大部分问题都可以当场解决。如果还解决不了，可以选择向客服提问，服务器端在线客服会耐心解答，如果是系统软件问题，可以远程在线升级，如果是逆变器硬件问题，在线客服会第一时间转到客服中心，相关的技术工程师诊断后，会决定采用维修或者换机最快解决方案。

总结：采用功率模块和母线薄膜电容的组串式逆变器，兼具了集中式逆变器功率器件数量少，薄膜电容寿命长，整体可靠性高的优点，和组串式逆变器MPPT电压范围宽路数多、逆变器体积小重量轻搬运安装方便等优点。因此说功率模块的出现，在新技术出现之前，可以让组串式逆变器和集中式逆变器之间的路线之争暂时告一段落。

2016年下半年推出的Growatt 30000TL3-S到Growatt 50000TL3-S中功率系列逆变器，全部采用功率模块和母线薄膜电容，配置组串检测，熔丝保护，交直流防雷模块，防PID模块和AFCI模块。经过近半年的应用，得到了客户的高度评价。

二、均衡之道

1、散热方案与体积重量的选取

组串式逆变器散热方式主要有自然冷却和强制冷风两种，自然冷却：散热效果差，高温环境下出现降额运行，导致发电量损失，影响投资方收益。强制冷风：散热效果优，有利于延长逆变器的使用寿命，并保障高效工作。强制冷风采用的风扇又分为高速风扇和中速风扇两种：高速风扇，优点是减少散热器的体积和重量，缺点是增加噪声，风扇使用寿命较短；中速风扇，优点：风扇的使用寿命长，缺点是散热器较大。

目前市面上国内逆变器厂家有以下方案：

A、大面积自然散热。采用分立器件，把热源分散，散热器体积很大、很重，逆变器尺寸做得很大，60KW逆变器重量可以达到约70kg。这种方案的缺点是成本高，安装和维护不方便，如果是安装在屋顶，搬运是一件很困难的事。

B、自然散热。同时又为了缩小体积，采用了降额设计，实际最大输出功率比型号宣称功率小。这种方案一般在逆变器周围环境温度达到50度以上时逆变器就会开始降低输出功率。这种方案的缺点：一是组件配板少，二是在夏天中午发电高峰期间，逆变器安装在室外，周围环境温度很容易超过50度，降额输出会造成发电量的损失，严重影响客户的收益。

C、强制高速风冷，为了做到全球体积最小重量最轻的逆变器，采用业界最高速的散热风扇。这种方案在安装运维方面的好处比较明显，但同时缺点也明显：风扇运转声音特别大，特别尖锐；风扇的寿命很难保证，高速风扇的选型很考究，一般的风扇规格都会定义多少度环境温度下可工作多少小时，需要选择一款高性能的风扇确保在各种严苛的环境下长期工作；为了散热方面的要求，受输出电流的限制，输出电压设计偏高，元器件的耐压选型如果裕量不足，会使得元器件会经常工作在超负荷的状态，影响元器件寿命。

D、智能风冷，采用中速的散热调速风扇，散热器稍微大一些，但是在低功率时，风扇不转自然散热，在中功率时风扇低速运行，高功率时全速运行强制风冷，实际是逆变器满功率运行时间不是很多，因此风扇的寿命可以很长，这个方案兼顾自然散热声音小和强制风冷体积少的优点，又克服了自然散热体积大重量重和强制风冷噪声大的缺点，是目前最合适的方案。

2、MPPT路数与发电量及效率

如果组件不一致、组件安装角度，或者朝向不一样，从解决失配的问题角度来说，MPPT数量越多越有利，因为如果其中一路MPPT的组件出了问题，不会影响其它路的组件，是不是MPPT路数越多，实际发电量就越高，这就不一定了，需要从实际情况出来辩证的看待；从稳定性和效率上来说，MPPT的数量越少越好，因为MPPT数量越多，系统成本越高，每一路电流越小稳定性越差，损耗越多。

1）功能损耗：MPPT算法很多，有干扰观察法、增量电导法、电导增量法等等，不管是哪一种算法，都是通过持续不断改变直流电压，去判断阳光的强度变化，因此都会存在误差，比如说当电压实际正处于最佳工作点时，逆变器还是会尝试改变电压，来判断是不是最佳工作点，多一路MPPT，就会多一路损耗。

2）测量损耗：MPPT工作时，逆变器需要测量电流和电压。一般来说，电流越大，抗干扰能力就越大，误差就越少，2路MPPT比4路MPPT电流大1倍，误差就少一倍。如某公司50KW的逆变器，使用开环直流电流传感器HLSR20-P，电流为20A，误差为1%，当输入电流小于0.5A时，误差就经常发生，当输入电流小于0.2A时，就基本上不能工作了。

3）电路损耗：MPPT主电路有一个电感和一个开关管，在运行时也会产生损耗。一般来说，电流越大，电感量可以做得更小，损耗就越少。

下图是在两个不同的地方，选择不同MPPT逆变器实际发电量的示意图文并茂，由图可以看出，在平地无遮挡光照好的地区，两种逆变器发电量相差不多，在山地或者屋顶有遮挡光照条件一般的地区，双级多路MPPT的逆变器发电量高。

逆变器MPPT技术的多样性，给电站设计带来了极大的便利。结合实际，科学设计，不同的地形，光照条件，选择不同的逆变器，降低电站成本，提高经济效益。复杂山丘电站和多面屋顶电站，存在朝向不一致和局部遮挡的现象，且不同的山丘遮挡特性不一样，带来组件失配问题，建议选择2路以上MPPT逆变器，可以增加早晚发电时间。比较平的山丘电站和中大型屋顶电站，建议选择2路MPPT逆变器，可以兼顾系统稳定性和发电量；平地无遮挡，光照条件好的地区，建议选择单路MPPT，单级结构的逆变器，可以提高系统可靠性，降低系统成本。

三、安全至上

在光伏系统运行过程中，由于组件的质量，外部环境影响或者安装施工操作不当，会造成组件损伤，电路故障等问题，光伏电站一般安装在荒郊野外，或者屋顶，自然环境恶劣，不可避免会遇到天灾人祸，台风，雪灾，沙尘等自然灾害会损坏设备，老鼠等小动物咬坏设备，电缆也有可难被小偷剪断。电站的安全性非常重要。

组串监控，监控光伏输入每一个组件的电压和电流，在光伏系统运行过程中，由于组件的质量，外部环境影响或者安装施工操作不当，会造成组件损伤，电路故障等问题。如果没有组串监测功能，有些小问题前期检测不到，最后造成大问题；有些问题需要专门人员去现场排查，时间长，发电量损失大。

PID效应（Potential Induced Degradation）全称为电势诱导衰减，PID直接危害就是大量电荷聚集在电池片表面，造成电池片表面钝化，使得组件功率衰减，发电量减少，太阳能发电站的电站收益降低。通过在逆变器中集成PID防护模块，可以有效的避免组件发生PID现象，减少电站发电量损失。同时，PID模块具有修复功能，可以对已发生PID问题的组件进行修复，使组件各项指标参数恢复正常。

直流电弧检测，火灾是光伏电站经济效益损失最大的事故，如果是安装在厂房或者民居屋顶上，还很容易危及人身安全。光伏电站一旦发生火灾，不能直接用水来灭火，首先要以最快的速度切断电源，光伏电站中的火灾事故因素很多，直流拉弧是主要的原因。公司推出一种电路保护装置AFCI，其主要作用是防止故障电弧引起火灾。它有检测并区别逆变器在启停或开关时产生的正常电弧和故障电弧的能力，发现故障电弧后及时切断电路。

直流熔丝不可或缺，由于器件选型不当、安装方式不对，或者熔丝质量问题，在一段时间内，光伏电站直流侧熔丝故障事故频发，给客户造成一定的损失，其实这些问题并不是熔丝本身有问题，现在已有解决方案，有的逆变器生产厂家就因此取消了直流端熔丝保护，改为采取每路MPPT中只有两路组串并联，和使用防反二极管作为过电流保护。

熔断器作为一种过电流保护器件，在系统出现短路故障时，能以最快速度切断故障回路，避免更大的损失，光伏电站一般安装在荒郊野外，或者屋顶，自然环境恶劣，不可避免会遇到台风，雪灾，沙尘等自然灾害，老鼠等小动物咬坏电缆造成绝缘破损，接头松动等天灾人祸。直流熔丝在光伏系统中不可或缺，完全取消直流熔丝保护，是一种不负责的做法。

逆变器系统由多路MPPT输入回路组成，每路MPPT接两路组串，各光伏组串通过Boost升压电路后并联在一起，前级Boost升压电路一般都并联旁路元件，目的是当电压升高到一定值后将Boost升压电路旁路，提高系统的效率，这时候就相当于只有一路MPPT，前级所有的回路都连到一起，如此时某一路发生短路，电压会下降，其它组串的电流就会流到这一路，造成短路的回路电流扩大几倍，如果没有熔断器保护，就会引起火灾。

逆变器的熔丝设计选型和安装要注意以下几点，可以有效减少熔丝无故障熔断带来的影响。

（1）熔断器要选择正规生产厂家的合格产品，合适的额定电流，电流过小容易误判，电流过大起不到保护作用。

（2）熔断器安装地点选用进风口，温度低的地方，

（3）熔断器不裸露，外部有防电弧罩，以防止熔断器产生电弧起火