新型大功率太阳能模块对变流器的适配要求,SMA持续引领全球太阳能技术变革

伴随着全球半导体技术和热点的不断升温,半导体行业加大了对行业顶尖技术的持续聚焦。以12英寸芯片为代表的最新一代半导体技术不断地从芯片行业持续向半导体其他领域外溢,而太阳能行业作为半导体行业和工业生产紧密相关的领域,受益于技术的反复运算和降低成本的需求,也正式打开了新一轮技术升级,从传统6英寸芯片向12英寸芯片跨越。

210mm超高功率太阳能模块横空出世

作为技术升级的直接代表,Tier1品牌系列的天合光能于近期推出了12英寸210mm硅片的大尺寸太阳能模块,使得模块功率密度获得了新一轮的提升,在不明显增加尺寸与重量的前提下提升了发电功率与效率。然而,这也为整个太阳能行业带来了新的变局和挑战。

天合光能210mm Vertex至尊超高功率太阳能模块。

根据天合156mm硅片太阳能模块和210mm硅片太阳能模块的电气性能参数规格表所示(标准测试条件下),随着太阳能模块功率的提升,最大功率点处的输出电流也随之增大。如下图所示,156mm硅片415Wp太阳能模块最大功率点处的输出电流(以下简称Impp)是10.15A;而210mm硅片600Wp模块的Impp值已增大至17.34A。若考虑到双面模块的背面发电增益,Impp值还会略有增加。

另一Tier1系列太阳能模块厂东方日升,也推出了基于210mm硅片的600Wp 组件,其Impp值是18A。

而太阳能模块与变流器之间的匹配,主要体现在变流器与组串输入电压及组串输入电流的二者匹配,但随着太阳能模块功率的提升,对应的电压与电流也在不断拓宽,是否有一款合适的变流器无需技术端调整,即可匹配目前太阳能模块的发展需求,同时不增加系统BOS成本?这已成为太阳能项目业主及EPC迫切关心的问题。

变流器如何适配高电流大功率太阳能模块

变流器,作为太阳能系统的核心部件,承担着将太阳能模块直流电能转换成馈入电网的交流电能的作用。不同太阳能模块对于变流器的要求主要体现在最大系统电压、最大功率点工作电流Impp、短路电流Isc这三个参数上。最大系统电压决定了太阳能模块/变流器可以工作的最大电压范围,目前主要有1000V(1100V)系统和1500V系统(注1);最大功率点工作电流Impp表示太阳能模块/变流器进行最大功率跟踪时对应的最大电流;短路电流Isc则代表变流器组串输入能达到的极限电流。太阳能模块功率越大,Impp和Isc相应也会越大,对变流器输入能力要求也更高。

SMA Solar Technology AG作为太阳能行业变流器领域的全球技术领导者,一直持续跟踪全球顶尖技术的发展步伐,并于2020年发布了最新版本的基于多路MPPT技术的组串式变流器Sunny Tripower CORE2,用以满足全球客户多样化的技术需求,同时满足未来较长一段时间内的全球太阳能行业新一轮的技术升级,是目前业界低压并网方案中,能够最佳匹配12英寸210mm大硅片太阳能模块的变流器产品。

SMA Sunny Tripower CORE2产品图。

210mm大尺寸硅片太阳能模块,由于其硅片表面积大,因此太阳能模块具有输出功率大,电流大等特点。传统的156mm半片太阳能模块,其工作电流就已经接近11A,而采用210mm大硅片技术的太阳能模块,其工作电流往往超过17A,结合目前业界常见的组串式变流器每路MPPT输入电流往往只有26A的现状,很容易发现,普通并网组串式变流器几乎很难满功率接入210mm大尺寸组件。下面将SMA Sunny Tripower CORE2组串式变流器和其他品牌组串式变流器在不同功率太阳能模块下接入能力进行对比。

不同变流器对应大尺寸硅片组件接入能力对比图(表1)。

156mm硅片的415Wp太阳能模块,其开路电压Voc=49.6V,考虑到太阳能模块负温度系数,在1000V系统下每路组串联入18块太阳能模块,由于其Impp电流较小,主流变流器直流侧接入能力都能够接满。但在210mm大硅片600Wp太阳能模块时代,由于太阳能模块输出功率剧增,最大功率点工作电流Impp远远超过13A(注2),因此传统变流器每路MPPT仅能接入1个组串,这就导致了传统变流器接入能力不足的问题,在同样的系统容量下需要额外增加变流器的数量,导致整个系统BOS成本增加。

如(表1)显示,某100KW变流器型号A有9路MPPT,每路MPPT信道有两路组串,但是在600Wp太阳能模块下,由于单串太阳能模块的Impp已经超过17A,因此该100KW型号变流器每路MPPT信道只能接1个组串,一共9个MPPT信道,因此最大可以接入9路组串。考虑到太阳能模块负温度系数,每个组串最大接入20块太阳能模块,其最大接入能力为600Wp * 20块/串* 1串* 9路= 108KW,而该变流器设计的最大输出功率是110KW,意味着在210mm太阳能模块下,其利用率只有98%;同理,某125KW变流器型号B最大接入能力为600Wp * 20块/串* 1串* 10路= 120KW,在210mm太阳能模块下利用率只有87%。

而SMA全新的110KW Sunny Tripower CORE2变流器则由于具有超高的DC/AC容配比(12路MPPT),最大接入能力为600Wp * 20块/串* 1串* 12路= 144KW,在210mm组件下利用率达到131%。再进一步,考虑210mm双面组件的背面发电增益,如下图所示,在10%背面发电增益时,其Impp值为18.5A,Sunny Tripower CORE2变流器仍然可以接入12串太阳能模块,其最大接入能力可以达到642Wp * 20块/串* 1串* 12路= 154.1KW。

由此可见,SMA Sunny Tripower CORE2变流器真可以完美匹配210mm大硅片太阳能模块(注3),实现投资收益的最佳平衡。

SMA全系列变流器产品完美兼容210mm超高功率太阳能模块

事实上,不仅是Sunny Tripower CORE2这一款变流器,SMA全系列变流器设计理念均秉承超高的DC/AC容配比,这样使得SMA变流器既能支持更高的组件超配,更是适配新时代大尺寸组件的不二选择。

譬如,50KW功率的Sunny Tripower CORE1变流器,具有6路MPPT共12路组串输入,在前述210mm双面太阳能模块642Wp(考虑10%背面发电增益)下,其最大接入能力可以达到642Wp * 20块/串* 1串* 6路= 77KW,DC:AC最大容配比为1.54。而额定功率在2.5MW ~ 4.6MW的Sunny Central系列集中式变流器,其DC:AC容配比最大甚至可以达到2.5。

针对最大电压1500V太阳能系统,可以使用SMA 150KW功率型号的Sunny Highpower PEAK3组串式变流器或者Sunny Central系列集中式变流器。

对于集中式变流器而言,由于在太阳能模块输出端会先经过直流潮流箱潮流,因此在大尺寸组件适应性方面普遍比组串式变流器较好,在大型地面电厂应用大尺寸组件也依然推荐适配集中式变流器。

注1:户用及工商业项目主要采用1000V太阳能系统,大型地面电厂主要采用1500V太阳能系统。注2:M10 182mm大硅片尺寸下,双面组件由于背面发电增益,其Impp值同样也会超过13A。注3:由于210mm组件的Impp值比182mm组件的大,因此适配210mm太阳能模块的变流器可以向下兼容182mm及更小尺寸的太阳能模块。

(首图来源:SMA;数据源:SMA)

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