分布式光伏系统组件级的产品技术应用分析(MLPE)

前言：在今年上海SNEC展会上，组件级电力电子技术及产品(MLPE)出现在多家逆变器品牌的展位上。实际上，绝大多数主流组件厂(晶科、天合、阿特斯、晶澳、尚德等等)早就关注并且都推出过与组件级电力电子技术结合的配套产品：智能组件(Smart module)或者交流组件(AC module)。而组件级电力电子技术与逆变器厂商联合亮相，再一次吸引了业内目光。

什么是组件级电力电子?

组件级电力电子，字面意思即为组件级别的电子设备。该技术包含电力电子、半导体器件、通讯、云计算及高可靠制造等多个方面。 目前现有产品系列包括微型逆变器、优化器、关断器(RSD)等等。

图1.逆变器技术发展图

组件级电力电子市场

图2.MLPE市场体量(来源:IHS报告)

目前全球市场体量在2016年为3GW左右，截止到2020年将会接近10GW。截止到2020年，微型逆变器系列的主流产品交流组件和独立微逆将会平分秋色;而优化器系列产品将出现三足鼎立的局面，分别是优化器结合常规逆变器、优化器结合简化版逆变器及智能组件。

组件及电力电子应用优势

一、安全

先引入一个概念：直流高压。光伏系统采用组串/集中式逆变器，每一串由几块甚至几十块太阳能组件串联而成，系统中即存在600V-1000V的直流高压，而直流高压是导致直流拉弧的直接原因。根据相关数据显示，直流拉弧占光伏火灾起因的52%。

图3.单串中存在600-1000V的直流高压

各国安规

美国:防火协会修改国家电气规范(2014 NEC ARTICLE 690 DRAFT)：“住宅用光伏发电系统中，在紧急情况发生时，光伏系统交流并网端断开后，直流端电压最大不能超过80伏;

德国：率先执行VDE防火安全标准，明确规定在光伏系统中逆变器与组件之间需要增加一个直流电切断装置。此外，德国保险公司也有明确规定，对于消防员在灭火过程中由于光伏电站带电造成的人身伤害不予赔付;

意大利：消防员在建筑物带电的情况下，是不可以进行灭火工作的;

澳大利亚:根据OVE R11-1: 2013规范，在组件附近必须有断路装置;

在国内，目前暂无光伏安全规范对光伏系统中的直流高压进行明确的规定。逆变器厂商也试图通过引入“电弧检测功能”来保证系统安全性，然而该装置并不能裂解直流高压(组件级别)，无法实现组件级别的关断，依然会在灭火时对消防员人身安全造成伤害。
 

微型逆变器技术采用全并联电路设计，组件之间不再有电压叠加，直流电压小于60伏(不高于组件最高输出直流电压)，彻底解决了由于高压直流拉弧引起火灾的风险，同时也解决了当房屋起火时，因光伏电站而阻碍了施救的问题。

图4.微逆系统中单串组件电压不超过60V

优化器系统/断路器(RSD)虽然不能直接解决直流高压问题，但在发生火灾之后能够关断每块组件的直流输出，不会威胁到消防员的人身安全。当逆变器与电网断开时，交流端输出为0V时，优化器/断路器会自动切断连接，实现组件级别的关断，真正意义上的裂解了组件串联形成的直流高压。

二、优化系统效率

图5.传统逆变器系统VS组件级电力电子系统

传统逆变器系统中存在的“短板效应”是造成功率输出损失的主要原因。从生产过程中产生的组件间失配(mismatch)、安装及后期维护过程中的损坏、使用过程中的阴影遮挡、污渍(动物排泄物、落叶、灰尘等等)，及系统后期由于衰减程度不同，这些原因都将造成组件间的失配问题。而组件级电力电子从技术到应用上解决了光伏电站整个生命周期的组件间不匹配的问题。通过采用组件电力电子技术最大程度上保证组件输出功率，保证系统效率。通过测试及长期的数据收集，在相同条件下，组件级电力电子系统相较于传统逆变器系统，发电量可增加5-25%。

三、组件级智能监控

组件级电力电子是目前技术可以企及的最小单位范围内的监控系统。一方面是日常系统运维需求，组件可以在线上平台进行远程集中管理、故障远程诊断，线下团队的维护、检修。组件级电力电子实现真正意义上的O2O运维。

图6.组件级监控界面展示

另一方面是建筑智能化能源管理需求，在未来在统一平台上完成负载/发电量/供暖/供冷/热水等监控是发展趋势，组件级智能监控可以直接融入成为能源管理系统一部分。

图7.建筑智能化能源管理需求

四、着眼未来 进一步提升系统效率

由于国内光伏市场发展，光伏组件技术相对瓶颈，各大组件厂纷纷推出叠片、半片、黑硅、N型、双玻双面、多珊等多款新型组件，希望能够占领技术制高点。其中双玻双面组件(中来、英利、晶科、中盛光电等等)是相对成熟的技术，据相关数据显示，双面组件发电效率高于单面组件(最高可超过30%)，整个周期的发电量增加，固定建筑安装投资/运维成本降低，电力成本下降。然而，双面组件的背面发电量不确定因素太大，组件间失配很严重，配合组件级电力电子技术是理想的解决方案。

图 8.户用系统(采用微型逆变器)及商用系统(采用智能优化器)

组件级电力电子技术在安全、优化系统效率、智能监控及创新技术方面优势显著，是分布式，特别是建筑光伏的最佳解决方案，必将成为未来5年内的一大行业亮点!