SiC器件在光伏發(fā)電領(lǐng)域中的作用能否達(dá)到降本增效的效果？

全球化能源變革不斷推進(jìn)，綠色、低碳發(fā)展成為時(shí)代的主旋律，太陽(yáng)能光伏發(fā)電成為未來(lái)清潔能源利用的重要組成部分。迄今為止，技術(shù)已經(jīng)較為成熟，光伏逆變器的研發(fā)即將進(jìn)入深層次階段，以適應(yīng)市場(chǎng)所持續(xù)追求的高效率、高功率密度、高可靠性和低成本等目標(biāo)。未來(lái)如需從根本上提高光伏逆變器的性能，采用SiC等寬禁帶器件將成為必然的趨勢(shì)。

SiC器件在光伏發(fā)電領(lǐng)域的作用，能否達(dá)到降本增效的效果，有行業(yè)專家通過(guò)以下幾個(gè)維度進(jìn)行了對(duì)比和評(píng)估，僅供參考：

三種光伏逆變器拓?fù)涞膶?duì)比

下圖為典型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的原理示意圖，該系統(tǒng)主要包括光伏電池組、DC/DC變換器、電壓源逆變器和LCL輸出濾波器。根據(jù)光伏系統(tǒng)的功率大小，DC/DC變換器可以采用不同的方案，這里采用的是Buck-Boot變換器。下圖還給出了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的主要控制策略。

由于光伏發(fā)電的成本高，因此光伏逆變器必須具有高效率才能提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于硅基逆變器，受開關(guān)損耗限制，開關(guān)頻率不宜過(guò)高(一般均低于16kHz)，這會(huì)增加磁性元件和散熱器的尺寸。

為了提高光伏系統(tǒng)的效率，目前硅基光伏逆變器普遍采用的方案是三電平拓?fù)洌?L-DNPC逆變器。與兩電平逆變器相比，三電平逆變器可以通過(guò)采用更低電壓定額的功率器件以及降低對(duì)濾波的要求來(lái)提高整機(jī)性能。很多光伏逆變器公司均采用這種設(shè)計(jì)，其效率典型值可達(dá)98%。

為了利用寬禁帶半導(dǎo)體器件的高擊穿電壓和低開關(guān)損耗優(yōu)勢(shì)，一些光伏逆變器公司還提出了一種同時(shí)使用SiC器件和Si器件的3L- BSNPC逆變器。

為了降低成本，中點(diǎn)鉗位采用 Si IGBT實(shí)現(xiàn)。這個(gè)變換器的最高效率可達(dá)98.5%，目前已有企業(yè)量產(chǎn)投入市場(chǎng)。這種3L- BSNPC逆變器雖然提高了效率，但器件成本增加。為了在效率提升的同時(shí)控制成本，研究人員根據(jù)SiC器件的特點(diǎn)，提出重新采用兩電平全橋逆變器的方案。

下表對(duì)基于 Si IGBT的3L-DNPC、基于 SiC MOSFET作為開關(guān)器件和基于 Si IGBT作為鉗位開關(guān)的3L- BSNPC，以及基于 SiC MOSFET的兩電平全橋逆變器進(jìn)行了對(duì)比。

在SiC器件未出現(xiàn)時(shí)，3L-DNPC拓?fù)湎啾扔趦呻娖酵負(fù)溆幸欢▋?yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)上占有一定地位。但與兩電平逆變器相比，三電平逆變器的器件數(shù)量增多1倍，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路也會(huì)增加，并且需要設(shè)置直流側(cè)電壓平衡控制策略。此外，三電平逆變器還存在開關(guān)器件損耗分布不均衡等問(wèn)題，從而導(dǎo)致整機(jī)溫度分布不均衡。開關(guān)頻率的增加也會(huì)加劇損耗和溫度分布的不均衡，影響系統(tǒng)的可靠性。

SiC基兩電平全橋逆變器的功率器件損耗和溫度分布都較為均衡，功率電路較為簡(jiǎn)單。由于SiC器件的開關(guān)速度快，因此開關(guān)頻率可取得較高，從而降低濾波元件的尺寸和重量。輸入側(cè)直流母線的電容量可以大大減小，從而可用小容值的薄膜電容器代替鋁電解電容器，克服后者壽命較短的問(wèn)題。SiC器件損耗低和耐高溫的性能優(yōu)勢(shì)使得散熱器的尺寸也可明顯減小，從而進(jìn)一步降低整機(jī)的體積、重量和成本。

兩電平SiC逆變器與三電平混合逆變器

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主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)

為了進(jìn)一步對(duì)兩電平SiC逆變器和三電平SiC/Si混合逆變器的成本和效率進(jìn)行評(píng)估，按照下表的技術(shù)參數(shù)制作了25kV·A功率等級(jí)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。最大直流母線電壓為1kV額定輸出電流有效值為37A。由于市面上沒(méi)有現(xiàn)成的三相功率模塊可供這一功率等級(jí)的逆變器使用，因此為了構(gòu)成3L-DNPC逆變器，采用了單橋臂 Si IGBT模塊，每相用一個(gè)模塊。對(duì)于2L-FB光伏逆變器，直接采用三相 SiC MOSFET模塊。

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成本比較

根據(jù)逆變器中所有的元器件，對(duì)Si基3L-DNPC和SiC基2L-FB光伏逆變器的硬件成本進(jìn)行了評(píng)估對(duì)比，具體考慮如下：

1）功率模塊

如前所述，兩種逆變器選擇相近定額的功率模塊。3L-DNPC逆變器使用Si IGBT模塊，每相需要1個(gè)，三相一共用3個(gè)。2L-FB逆變器使用三相SiC MOSFET模塊。

2)驅(qū)動(dòng)電路

功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路是專門定制的，由驅(qū)動(dòng)芯片、隔離型DC/DC電源模塊和線性調(diào)節(jié)器等構(gòu)成。

3)印制電路板(PCB)

PCB采用 Altium Designer軟件設(shè)計(jì)，由PCB專業(yè)廠家 PCBCART公司生產(chǎn)。PCB價(jià)格基本上由層數(shù)和面積決定。

4)散熱器

散熱器從HS- Marston公司訂購(gòu)。散熱器價(jià)格主要由冷卻方法、散熱器熱阻抗和功率損耗決定。散熱器的熱阻Z選取值根據(jù)最大允許結(jié)溫和器件在額定工況下工作的外殼溫度計(jì)算得到

5)直流母線電容

直流母線電容按照最大電壓紋波為直流母線電壓的5%計(jì)算。SiC基逆變器所需的電容量?jī)H為Si基逆變器的1/3。電容器從 Vishay Roederstein公司購(gòu)得

6)LCL濾波器

輸出濾波器由 Trafox公司制作。SiC基逆變器的濾波電感值比Si基逆變器的降低了40%左右。

光伏逆變器主要部件的價(jià)格,與Si基3L-DNPC逆變器相比，由于SiC基2L-FB逆變器的輸出濾波器的尺寸減小(濾波電感值降低40%)，直流母線電容減小(電容量降低70%)，柵極驅(qū)動(dòng)電路數(shù)量減半，PCB尺寸更小，因此其硬件總成本比3L-DNPC逆變器的低約8.8%。

由成本對(duì)比可見，雖然SiC MOS模塊的價(jià)格高于Si IGBT模塊，但應(yīng)用SiC MOSFET模塊制成的2L-FB逆變器降低了電路復(fù)雜程度。與Si基的3L-DNPC拓?fù)湎啾?，SiC基的2L-FB逆變器可選擇更高的開關(guān)頻率，使得無(wú)源元件的尺寸和成本都有明顯降低，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路和PCB板的成本也更低，從而降低光伏逆變器的總體成本。從表中可見，這里所研制的25kVA功率等級(jí)的SiC基2L-FB逆變器已有硬件成本優(yōu)勢(shì)

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效率對(duì)比

下表為效率測(cè)試對(duì)比。當(dāng)輸出功率為9kW以上時(shí)，SiC基2L-FB逆變器(開關(guān)頻率為50kHz)的效率高于Si基3L-DNPC逆變器的效率。需要說(shuō)明的是，這里的效率測(cè)試僅測(cè)試了逆變器本身的效率，而未考慮LCL濾波器。

從以上分析對(duì)比可見，SiC基兩電平全橋逆變器具有更高的效率，同時(shí)因器件數(shù)目大幅減少，熱量分布更加均勻，所以提高了整機(jī)的可靠性，降低了電路的復(fù)雜程度、重量和尺寸，且在成本上也具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

因此，新型SiC功率器件的器件優(yōu)勢(shì)給光伏逆變器帶來(lái)整機(jī)性能和成本上的優(yōu)勢(shì)，必將逐步改變光伏逆變器的現(xiàn)有格局，使得SiC功率器件在光伏發(fā)電電能變換領(lǐng)域得到更廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。






審核編輯：劉清