新型大功率太陽能模組對變流器的適配要求

發佈日期: 2021 年 07 月 08 日 12:00 | 作者: | 分類: 產業資訊

伴隨著全球半導體技術和熱點的不斷升溫,中國半導體產業加大對產業頂尖技術的持續聚焦。以 12 英寸晶圓為代表的最新一代半導體技術不斷地從晶圓產業持續向半導體其他領域外溢,而太陽能產業作為半導體產業和工業生產緊密相關的領域,受益於技術的反覆運算和降低成本的需求,也正式開啟了新一輪技術升級,從傳統 6 英寸晶圓向 12 英寸晶圓跨越。


210mm 超高功率太陽能模組橫空出世

作為技術升級的直接代表,Tier1 品牌系列的天合光能於近期推出了 12 英寸 210mm 矽晶圓的大尺寸太陽能模組,使得模組功率密度獲得了新一輪的提升,在不明顯增加尺寸與重量的前提下提升了發電功率與效率。然而,這也為整個太陽能產業帶來了新的變局和挑戰。

根據天合 156mm 矽晶圓太陽能模組和 210mm 矽晶圓太陽能模組的電氣性能參數規格表所示(標準測試條件下),隨著太陽能模組功率的提升,最大功率點處的輸出電流也隨之增大。如下圖所示,156mm 矽晶圓 415Wp 太陽能模組最大功率點處的輸出電流(以下簡稱 Impp)是 10.15A;而 210mm 矽晶圓 600Wp 模組的 Impp 值已增大至 17.34A 。若考慮到雙面模組的背面發電增益, Impp 值還會略有增加。

另一 Tier1 系列太陽能模組廠東方日升,也於推出了基於 210mm 矽晶圓的 600Wp +模組,其 Impp 值是 18A。

而太陽能模組與變流器之間的匹配,主要體現在變流器與組串輸入電壓及組串輸入電流的二者匹配,但隨著太陽能模組功率的提升,對應的電壓與電流也在不斷拓寬,是否有一款合適的變流器無需技術端調整,即可匹配目前太陽能模組的發展需求,同時不增加系統 BOS 成本?這已成為太陽能專案業主及 EPC 迫切關心的問題。

變流器如何適配高電流大功率太陽能模組

變流器,作為太陽能系統的核心部件,承擔著將太陽能模組直流電能轉換成饋入電網的交流電能的作用。不同太陽能模組對於變流器的要求主要體現在最大系統電壓、最大功率點工作電流 Impp、短路電流 Isc 這三個參數上。

最大系統電壓決定了太陽能模組/變流器可以工作的最大電壓範圍,目前主要有 1000V(1100V)系統和 1500V 系統(註 1)。

最大功率點工作電流 Impp 表示太陽能模組/變流器進行最大功率跟蹤時對應的最大電流;短路電流 Isc 則代表變流器組串輸入能達到的極限電流。太陽能模組功率越大,Impp 和 Isc 相應也會越大,對變流器輸入能力要求也更高。

SMA Solar Technology AG 作為太陽能產業變流器領域的全球技術領導者,一直持續跟蹤全球頂尖技術的發展步伐, 並於 2020 年發佈了最新版本的基於多路 MPPT 技術的組串式變流器 Sunny Tripower CORE2,用以滿足全球客戶多元化的技術需求,同時滿足未來較長一段時間內的全球太陽能產業新一輪的技術升級,是目前業界低壓併網方案中,能夠最佳匹配 12 英寸 210mm 大矽晶圓太陽能模組的變流器產品。

SMA Sunny Tripower CORE2 產品圖

Sunny Tripower CORE2 技術參數

210mm 大尺寸矽晶圓太陽能模組,由於其矽晶圓表面積大,因此太陽能模組具有輸出功率大,電流大等特點。傳統的 156mm 半片太陽能模組,其工作電流就已經接近 11A,而採用 210mm 大矽晶圓技術的太陽能模組,其工作電流往往超過 17A,結合目前業界常見的組串式變流器每路 MPPT 輸入電流往往只有 26A 的現狀,很容易發現,普通並網組串式變流器幾乎很難滿功率接入 210mm 大尺寸模組。

下面將 SMA Sunny Tripower CORE2 組串式變流器和其他品牌組串式變流器在不同功率太陽能模組下接入能力進行對比。

不同變流器對應大尺寸矽晶圓模組接入能力對比圖

156mm 矽晶圓的 415Wp 太陽能模組,其開路電壓 Voc=49.6V,考慮到太陽能模組負溫度係數,在 1000V 系統下每路組串接入 18 塊太陽能模組,由於其 Impp 電流較小,主流變流器直流側接入能力都能夠接滿。但在 210mm 大矽晶圓 600Wp 太陽能模組時代,由於太陽能模組輸出功率劇增,最大功率點工作電流 Impp 遠遠超過 13A(註 2),因此傳統變流器每路 MPPT 僅能接入 1 個組串,這就導致傳統變流器接入能力不足的問題,在同樣的系統容量下需要額外增加變流器的數量,導致整個系統 BOS 成本增加。

如表 1 顯示,某 100KW 變流器型號 A 有 9 路 MPPT,每路 MPPT 通道有兩路組串,但是在 600Wp 太陽能模組下,由於單串太陽能模組的 Impp 已經超過 17A,因此該 100KW 型號變流器每路 MPPT 通道只能接 1 個組串,一共 9 個 MPPT 通道,因此最大可以接入 9 路組串。考慮到太陽能模組負溫度係數,每個組串最大接入 20 塊太陽能模組,其最大接入能力為 600Wp * 20 塊/串 * 1 串 * 9 路 = 108KW,而該變流器設計的最大輸出功率是 110KW,意味著在 210mm 太陽能模組下,其利用率只有 98%。

同理,某 125KW 變流器型號B最大接入能力為 600Wp * 20塊/串 * 1串 * 10路 = 120KW,在 210mm 太陽能模組下利用率只有 87%。

而 SMA 全新的 110KW Sunny Tripower CORE2 變流器則由於具有超高的 DC/AC 容配比(12 路MPPT),最大接入能力為 600Wp * 20 塊/串 * 1 串 * 12 路 = 144KW, 在 210mm 模組下利用率達到 131% 。再進一步,考慮 210mm 雙面模組的背面發電增益,如下圖所示,在 10% 背面發電增益時,其 Impp 值為 18.5A,Sunny Tripower CORE2 變流器仍然可以接入 12 串太陽能模組,其最大接入能力可以達到 642Wp * 20塊/串 * 1 串 * 12 路= 154.1KW!

由此可見,SMA Sunny Tripower CORE2 變流器真可以完美匹配 210mm 大矽晶圓太陽能模組(註 3),實現投資收益的最佳平衡。

SMA 全系列變流器產品完美相容 210mm 超高功率太陽能模組

事實上,不僅是 Sunny Tripower CORE2 這一款變流器,SMA 全系列變流器設計理念均秉承超高的 DC/AC 容配比,這樣使得 SMA 變流器既能支援更高的模組超配,更是適配新時代大尺寸模組的不二選擇。

譬如,50KW 功率的 Sunny Tripower CORE1 變流器, 具有 6 路 MPPT 共 12 路組串輸入,在前述 210mm 雙面太陽能模組 642Wp(考慮 10% 背面發電增益)下,其最大接入能力可以達到 642Wp * 20塊/串 * 1串 * 6路 = 77KW ,DC:AC 最大容配比為 1.54 。而額定功率在 2.5MW ~ 4.6MW 的 Sunny Central 系列集中式變流器,其 DC :AC 容配比最大甚至可以達到 2.5!

針對最大電壓 1500V 太陽能系統,可以使用 SMA 150KW 功率型號的 Sunny Highpower PEAK3 組串式變流器或者 Sunny Central 系列集中式變流器。

對於集中式變流器而言,由於在太陽能模組輸出端會先經過直流匯流箱匯流,因此在大尺寸模組適應性方面普遍比組串式變流器較好,在大型地面電廠應用大尺寸模組也依然推薦適配集中式變流器。

(資料、圖片來源:SMA)

註 1:戶用及工商業專案主要採用 1000V 太陽能系統,大型地面電廠主要採用 1500V 太陽能系統。
註 2:M10 182mm 大矽晶圓尺寸下 ,雙面模組由於背面發電增益,其 Impp 值同樣也會超過 13A。
註 3:由於 210mm 模組的 Impp 值比 182mm 模組的大,因此適配 210mm 太陽能模組的變流器可以向下相容 182mm 及更小尺寸的太陽能模組。
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