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微型光伏逆变器的三个命题
作者:admin 浏览次数:2571 发表日期:2012-12-25 14:19:00

1、微型逆变器的设计质量评估

呈几何级数增加的微型逆变器可能带来的安全隐患,你想到了吗?

基于组件功率等级(300瓦)的微型逆变器,与组件本身的基本特性有两个巨大的差异:

1. 组件是单一的二极管结构(简单半导体),而逆变器是多个有源、无源器件的组合且具嵌入软件的设备(复杂电子),两者的可靠性在本质上是不能比的。单一的组件可以轻易的做到25年,多个元器件组合的逆变器做到25年却非易事。

2. 不同国家电力系统的差异是巨大的。承受该差异的是逆变器,即逆变器成为了组件的防火墙。所以,组件对电网不敏感,一个认证就可以通行四海;而逆变器则必须针对每个国家的电网进行不同的认证,以满足电网的不同要求,如电压、频率、安全规范等等。

相对于最小功率等级的集中式小型逆变器(3000瓦),微型逆变器的数量已经增加了一个数量级;而对于大型集中式逆变器(250kW),微型逆变器的数量则增加了三个数量级(1000倍)。这样巨大的数量变化,必然会导致在电厂级、电网级的一些根本性变化,此所谓量变导致质变。因此,微型逆变器的设计质量的考核标准要比组件(当然也比集中式逆变器)的考核标准复杂、苛刻得多。

设计质量的第一层面是对产品本身的电气指标的考核,如功率、电压、效率、重量、总谐波含量THD、功率因数PF、外观、价格和耐用性等等。很不幸的是,多数的微型逆变器厂家仅仅止步于这个层面。

设计质量的第二个层面,是在全球范围内针对不同国家的电力系统及安全规范进行设计,通过其认证并在应用中得到验证。澳洲由于标准门槛偏低,所以在那里的中国厂家扎堆;北美由于在分布式发电产业和标准上相对落后,以及出于对本土企业的扶持的考虑,对微型逆变器的标准采取了“网开一面”的态度。比如,北美的标准放弃了作为特种设备的“机械断开”的要求,对漏电流和直流分量的要求也很低,更是没有提出让微型逆变器承担电力系统的社会责任,即“按频率变化调节输出功率”的要求。所以,仅仅通过澳洲或者北美认证,离全球市场的要求还有漫漫长路要走。而且我们认为,随着澳洲、北美分布式光伏电厂规模的增大,他们自身必然将反省及提高相应的标准,并向欧洲(如意大利、德国)标准看齐。北美对光伏电厂提出无功功率要求,其实已经释放了一个强烈信号。

英伟力以不怕困难且耐得住寂寞的精神全面而系统地研究了全球范围内各国典型电厂,并完成了北美、澳洲、德国、意大利、英国、北欧、西班牙、墨西哥、韩国等诸多国家的认证(环视各家微型逆变器厂家,几乎都是半导体行业出身的团队。只有英伟力,才是由真正懂得电力系统的专家领导)。

设计质量的第三个层面是具有一定量级的且具有广泛代表性的用户测试,二者缺一不可。假如只在澳洲测试,那么即便是10万台的测试结果代表的可信度远远比不上在欧、亚、非、美10个国家测试1万台的可信度,同时六个月的测试也是不能跟两年的测试相比拟的。

英伟力用近2年的时间完成了40多个国家的近2万台的测试。但是A公司及N公司,都只是在不到一年的时间里仅在一两个国家进行了测试销售,尽管总量上可能要大些。因为时间的相对短促,以及电气、地理、气候甚至人文环境的相对单一性,A公司及N公司甚至E公司都还不具备全球批量发货的能力。

我们不便对A公司和N公司的商业策略做过多的评论,但是单从设计质量的控制上讲,这种做法是不严谨、不科学的。由于时间的相对短促以及测试条件的相似性,许多潜在问题是不能被显露出来的,这在我们的测试经验里得到了充分的显示,为此英伟力做了大量的工作以制定满足各国电网的不同要求。因此,A公司及N公司的设计中的许多潜在问题会依旧潜伏,这些问题最终是要有人埋单的。

最后,质量设计的考核要对三个不同层面,并在不同的层面全面形成循环的、不间断的监控和改进,这是一个旷日持久的、大跨度地理分布的、多种复杂气候环境的、多种电网适应性的综合测试及改进过程。任何想跳过这些必要阶段的行为都是极其危险的,必将为此付出昂贵的代价。很多先驱成为了先烈,原因大多类似。看看十年来IT、EV(电动汽车)走过的路,对分布式智能电网的健康发展,有着深刻的借鉴意义。

2、基于微型逆变器的分布式系统:远远不止于微逆

发电机还是发电厂?这是一个问题。

微型逆变器与组件一同构成了一台理想的交流发电机,多个发电机组成了一个发电厂。微型逆变器之美在于,它把可商业化的(静态)交流发电机做到了300瓦的功率等级,提供了一个彻底的分布式发电解决方案,这是人类电气文明史上的一个里程碑事件,它进一步的使个人发电真正地、具有商业意义地成为可能。可惜的是,它的深刻内涵与完整外延,连先驱者们也并不十分清楚。不过,就像很多其它的技术革新一样,这也属于正常。

分布式发电系统有两个层面的:收益的分布式和风险的分布式。两者都要兼顾,但是会根据电厂的规模而侧重点不同。

住宅屋顶的小型系统(小于10kW)更侧重前者,而大型系统(300kW以上)更侧重后者。防触电风险由漏电保护机制提供,防变压器烧毁风险由电流的直流分量检测机制提供。

在集中式逆变器的时代,发电机和电厂是合二为一的,所有的收益控制和风险控制都集中于逆变器一身,所以,集中式逆变器要求做漏电保护、直流分量保护也就理所当然了(成本上也能够承受)。而在微逆变器的时代,发电机和电厂不再是同一实体。多个合格的发电机(微逆变器)的组合并不等于一个合格的发电厂。最直接的原因是,作为发电机的微逆变器,认证机构并不需要检测其漏电流及直流分量(且成本上也不能承受),但是电厂却需要这两个强制安全保护:因为漏电伤人是严重的安全事故,而直流分量烧毁配电变压器会直接危害电力系统的安全。这两者都是电厂业主必须承受之巨大责任。

E公司 、A公司和N公司的系统,因为没有eGate,无法对漏电流和直流分量进行分布式的、智能化的检测并做出及时的保护,因而他们的方案只适用于小型系统,且外加第三方保护(因而导致成本的不可控)。严格意义上将,他们只是“发电机供应商”,而只有英伟力才是“发电厂供应商”。一字之差,千里之遥。事实上,我们的这几位竞争对手并不了解电力系统(他们的高管和技术团队是以半导体行业的为主),他们还没有做好解决百千瓦级、兆瓦级分布式微逆系统方案的准备。

英伟力的三相eGate+微逆变器的系统,是一个完备的16x3x0.25kW=12kW电厂,它完美地满足了一个分布式电厂所需的一切电气安全要求:二级防雷、双重机械触电断开、漏电流检测及安全断电/自动恢复、并网电流直流分量检测及安全断电/自动恢复。基于这样的一个完备的分布式电厂单元,用户可以像小朋友搭乐高模块(Lego Blocks)一样,轻松地搭建任意功率级别的分布式电厂。

目前,就笔者所知,全球范围内只有英伟力的eGate+微逆变器系统,可以完全模块化、智能化地实现真正意义的、任何功率等级的分布式光伏系统。这与笔者20多年来在电力系统、电机控制、先进电力电子变换器方面一线工作中所积累的丰富经验是密不可分的。

无论是组件厂还是逆变器厂,都只是自觉不自觉地关注“发电机”(即逆变器)本身,而电网公司则更关心作为一个整体的发电厂是否符合并网要求。

向终端客户提供基于微逆变器的分布式解决方案,从收益的角度来讲,他们从中得到了实惠。可是,到目前为止,绝大多数微型逆变器厂家似乎都只关注和满足了终端客户的利益诉求,却忽略了对电网公司的基本尊重:电网公司并没有从分布式发电的额外收益中获得任何好处。相反,对于同功率等级的电厂,电力系统要面对比集中式逆变器多得多的发电机(微型逆变器):分布式电厂中的发电机数量的激增使得电力系统的可靠性问题变得空前复杂起来了。

举例来讲,J公司的奉贤工厂一兆瓦(1MW)项目,选用了英伟力的4200台微型逆变器,即4200台发电机。如果选用250kW的集中式逆变器,则只需4台发电机。4200台微型发电机的额外发电为J公司的奉贤工厂带来更好的收益,但是如果处理的不好这些发电机带来的潜在安全问题却留给了电网。除了常规的过欠压、过欠频保护,频率调节功率、孤岛保护、防雷之外,还有两个严肃的安全问题必须面对:一、漏电流保护;二、直流分量保护。漏电会危及人身安全(其重要性不言而喻);直流分量会危及升压变压器的安全。漏电流危害生命,这会被受害者及保险公司起诉;直流分量会导致配电变压器异常升温,甚至烧毁,这会受到电网公司的严厉处罚。

因为成本的关系,微型逆变器本身都不具有主动漏电保护和直流分量保护功能。这两项重要的电气安全指标,如果处理不好会对整个系统的安全留下巨大的隐患。试想,J公司的奉贤项目的4200台微型逆变器中有一台发生漏电或者直流分量超标,结果将会怎样?

我们的竞争对手,E公司、A公司和N公司的系统,只能加入第三方的漏电保护和直流分量保护。但是,他们马上就面临两个两难的命题:这些保护,是集中在中央配电箱呢,还是分布在各处?

如果要在中央配电箱集中加入第三方的漏电流和直流分量保护,那么,如果有一台微逆变器、或者一条线缆发生漏电,这时只能把这4000多台微逆全部拆下来、逐一排查,这是因为没有漏电故障定位系统,因而无法准确定位是哪里出现了故障。

如果要在各处加入第三方的漏电流和直流分量保护设备,那么,虽然这可以人工地定位漏电故障,可是这样做的成本将大大超过eGate的解决方案的成本。最让客户无法接受的是,花了分布式的钱,却买了一个“半自动”的“伪分布式”系统,此类系统所带来的经常的人工干预、繁杂的检修,远远超过(传统的)集中式系统所需的维护。而使用英伟力的eGate系统,任何问题都可以实时地定位在16个(一组的)微逆变器和相应的电缆,这包括常规的电气隔离、漏电保护、直流分量以及防雷等问题。

不彻底的分布式系统的安全性、智能性反而比集中式的还要糟糕。我们暂且称之为“伪分布式系统”。

光伏行业应该也必须严肃地对待这种“伪分布式系统”所带来的对业主、对电力系统的潜在危害。真正意义的组件级的、智能化的分布式系统,目前只有英伟力的eGate+微逆变器是最佳的解决方案。

3、基于微逆变器的智能电网:远远不止于数据采集

智能电网:麻烦才刚刚开始。

五年前,英伟力即开始研发微逆变器:一个高级的数字电源(发电机)。今天回眸这五年的历程,最终英伟力交付给客户的是一个完全意义上的智能电网系统。这个飞跃,如果不加解释,很多人都是不能意识到的。

首先,集中式的逆变器由于数量相对较少,都采取有线方式通讯。而数量巨大的微型逆变器系统的局域网则只能采用无线或虚拟无线方案。无线及虚拟无线的应用于工业级的高实时性、高可靠性设计,本身就是一个全新的、富有挑战的课题。

我们且不展开讨论智能电网的应用,诸如功率干预、计费认证、地理信息、气象信息、产业用电分布信息、虚拟电厂、电能质量分析、基于专家系统的数据挖掘工作、参与峰谷调节、谐波治理、低压穿越、无功补偿等等,单就数据采集而言,实时性和安全性是必须严格保障的两大永恒的主题。基于电力线载波通讯(PLCC)的局域网如何保证数据的实时性和安全性,据笔者所了解,A公司和N公司都存在对此要求认识不足的问题。

首先,A公司和N公司都采用了深圳R公司的方案,而且是一种“透明”传输的“总包方案”,即R公司提供数据链路层的全套协议封装,只将接口参数开放给A公司和N公司。R公司的产品设计,都是围绕远程抄表展开的,也就是说,一个月收一次数据(数据量小、发送频率极低)。对于这种应用,实时性和安全性都不是他们所要考虑的问题。因为“方案外包”,A公司和N公司的“通讯组”都能力较弱,而英伟力则配备了十多位通讯工程师的团队(具有无线通讯和工厂自动化领域经验),从事基础理论到应用的研究。英伟力已经实现了由单纯的电力电子变换器向智能电网系统的成长,即由单纯的电力电子技术,向工业局域网以及远程数据库技术,并进一步实现结算与高级应用程序方向发展。英伟力已经成长为一家提供完整智能电网方案的公司,而A公司和N公司还只是电力电子公司。

电力系统一次侧(即发电及输电侧)的系统,电力系统伦理关系明确且固定。基于BFSK(Binary Frequency Shift Keying)的低速电力线载波通讯(PLCC)一直由于其出色的安全性和经济性而成为首选。而且,由于配电变压器的自然衰减,一次侧(即发电及输电侧)所使用的电力线载波通讯(PLCC)中的物理信号是相对封闭的,其受外界的干扰则很小。所以,这种明确的系统结构以及封闭性,决定了在电力系统一次侧(即发电及输电侧)应用电力线载波通讯(PLCC)的技术条件比较容易得到满足从而保证通讯质量(不间断性和安全性)。

而电力系统二次侧(即配电系统末端的用电侧)基于分布式发电系统的通讯系统,还是一个非常新的研究课题,有很多技术、经济甚至是社会和法律制度问题有待深入研究。研究适合于电力系统二次侧的配电网底端的分布式发电系统的电力线载波通讯(PLCC)方案,目前还处于起步阶段,无论是物理层、数据链路层、还是应用层,都还没有行业标准。英伟力是唯一提出此课题、付诸于认真研究的实际行动,并实现和应用了成熟的技术方案的公司。

相对于电力系统的中、高压端的电力线载波通讯(PLCC)环境,低压配电网(即微逆变器所在的电网)面临更多的技术难题。第一,电力系统的一次侧(即发电及输电侧)从高频阻抗上看是稳定的封闭网络,而二次侧则是开放网络(其负载的接入几乎不受限制),进而高频阻抗也就无法控制;第二,二次侧配电网中的谐波污染日益严重(如家电的不稳定的用电所带来的瞬间电流的变化),且呈增长趋势,在这样的系统中,电力线载波通讯(PLCC)的电磁环境无法得到保证。如果采用抗干扰性强的宽带PLCC方案,其高技术门槛及高成本会限制它的广泛应用。基于窄带技术的低压PLCC应用,目前还主要局限于抄表系统、路灯控制这种数据量不大、实时性要求都不高的领域。第三,在集中式发电系统中,电能的流向是单向的,电力信息系统的重点在于继电保护、电能质量分析,系统可以给出强制性指令,电力系统的从属关系(电力系统伦理)是明确的。而根本上改变了电网的潮流生态的微小型的分布式发电,系统中的从属关系不再明确,系统不但不能给出强制性指令,甚至即便是纯技术信息的获得也必须考虑到对不同发电厂和个人信息的法律保护条规,以及用户对信息分享和数据安全的认可度。

因此,在分布式发电系统中存在信息传输媒介不稳定且不可控、对数据的实时性要求较高、且对公众信息安全构成潜在风险的的诸多问题,而在这种系统中应用基于窄带技术的低压电力线载波通讯(PLCC)技术,的确是个全新的技术挑战。R公司方案的物理层信号的开放性,会面临着巨大的泄露用户个人商业信息的安全风险;同时,R公司的基于以太网协议的框架,也在多电厂应用及复杂电气环境的应用中捉襟见肘(即数据传输的高度不可靠性,这在A公司、E公司的客户的实际应用中已经凸显出来,并使这些厂家的市场策略和应用中出现了“不提供通讯功能”或“数据长时间不变化”的怪现象,这和“微逆变器系统可以实时地、连续地监控每个组件的发电状况”的初衷大相庭径)。

由智能电网而引起的电力系统生态与伦理的变化,我们也应当给予更多严肃的思考。新能源并网系统的通讯问题必须综合考虑技术性、经济性以及社会性的各方面因素。在微网内部,最合适的通讯技术应选窄带电力线载波技术;在微网与公共电力网接口处,可以通过加装高频滤波器及阻抗匹配网络,使得微网内部的电力线上的信噪环境、阻抗稳定性得到保证,进而保证可靠的低成本通讯;微网之间的互联,可以考虑基于工业总线技术的局域网或无线网方案;微网至远程中央数据库的外部上下行通讯,则应首选商业通讯网络特别是互联网。

一百年前,电气时代的初期(全模拟)创造了通用、西门子。三十年前,电气时代的中期(信息数字化)创造了IBM、微软、谷歌。今天,电气时代进入了后期(能量数字化),可以预言,谁掌握了智能电网的核心技术,谁就能在这场电气革命中掌握主动权。

智能电网的发展,使得分布式发电信息系统可以打破传统电力供应商的物理疆界,使全球电力系统在信息环上的互联成为可能。同时,它又构造了一个跨国界的特殊的物联网框架。随着基于这种技术的基础设施之不断完善,更多的商业模式和商业价值必将被挖掘和创造出来。

在战略性地进入微逆变器领域之前,笔者认为非常有必要遵循以上思路,充分考虑从发电机(微逆变器)、电厂、电网,从技术、制度标准、法律的诸多问题,对外延不断扩大、内涵不断深入的三个命题进行全面的、深刻的思考:

1、发电机(微型逆变器)本身的设计质量考核的三个层次;

2、发电机功能实现分布式的同时,必须考虑发电厂电气安全的智能化、分布式实现;

3、必须在全面保障数据实时性、信息安全性的基础上,开发智能电网的框架下的各项应用。

对以上三个命题的深入探讨,请参考笔者的博士学位论文“组件级光伏发电并网系统关键技术研究”。

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