1500V光伏系统时代真的来了
2016-11-21 09:37 共有 人浏览

摘要:

    长久以来,高额的发电成本一直是制约着光伏行业发展的主要原因之一。如何降低光伏系统的发电成本,提高发电效率成为了光伏行业的核心课题。1500V系统新技术的诞生对于平静了许久的光伏行业无疑是一针强心剂,可以从系统级的设计端大大的降低成本。广州金升阳科技有限公司匠心研制并推出了满足1500VDC输入的PVXX_29BXX系列电影产品,可直接从1500V高压端取电为光伏系统的监控电路供电,简化光伏系统电路的设计,可以避免采用市电或蓄电池供电而引起的建设、维护成本过高问题,提升光伏发电系统综合效益。


关键字:光伏系统、汇流箱、逆变器、金升阳、PV
一、引言
     随着全球非再生资源的日益稀少,可再生能源的占有率变得越来越高。据相关数据机构显示,可再生能源发电比例有望在2030年前提高到30%以上,而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年,可再生能源将占总能源的50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;至21世纪末,可再生能源在能源结构中将占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。
   伴随着全球光伏装机量的持续增长,预计到2020年,全球的光伏装机量将达到540GW。全球各个大洲的光伏市场都会有较大的增长,欧洲将从89GW增加到158GW;中国将从28GW提高到114GW,成为全球增长最快的市场。而日本也将从23GW增加到59GW,印度将从3GW增加到54GW,美国将从19GW增加到59 GW。全球的光伏市场都会有一个很大的增长潜力。
长久以来,高额的发电成本一直是制约着光伏行业发展的主要原因之一。如何降低光伏系统的发电成本,提高发电效率成为了光伏行业的核心课题。
    据不完全统计数据显示,从2007年至2015年,光伏组件的市场价格从每瓦36元下降到现在3.5元至3.8元,并网光伏系统价格从每瓦60元降到每瓦7元至8元,逆变器价格从每瓦4元下降到了每瓦0.3元。随着中国、日本和其他新兴市场对光伏需求的不断增长,预计2018年全球光伏逆变器生产(按交流并网端计算)将增至70吉瓦左右。但是,价格压力会依然存在。根据预测,全球逆变器平均价格每年将降低9%,2013年是0.17美元/瓦,到2018年将降低至0.11美元/瓦。另外,晶硅光伏组件相较于2013年和2014年分别降低的13%和11%,2015年晶硅光伏组件的全球平均价格将小幅下降5%。
    基于当前技术,后续光伏成本的下降空间比较小,趋势将越来越平缓。面对平价上网的催促,光伏行业将目光聚焦于新技术。
实现光伏平价上网需要有效降低光伏系统整个生命周期的发电成本,而发电成本的下降正则需提高系统发电量,负则需减少成本(包括初始投资成本和后期维护成本),1500V新技术正好可以有效满足这两方面的要求。

二、1500V光伏系统的优势体现
    何谓1500V系统,简单解释即将光伏系统中用到的线缆、汇流箱、逆变器等部件的耐压从1000V提高到1500V,对应的就是1500V系统。它的最大优势是降低光伏系统成本。

    在太阳能光伏发电系统中,为了减少光伏电池阵列与逆变器之间的连线,以组串形式构建光伏阵列,再将相应数量光伏阵列并联接入光伏汇流箱进行电能汇流,经直流柜输出给光伏逆变器,逆变升压后并入电网。因此完整的光伏发电系统包括光伏阵列组、光伏汇流箱、直流柜、光伏逆变器、升压变压器等部分。如图一所示:

    目前,主流的电站设计以及光伏组件、逆变器、汇流箱、线缆等所有相关产品均基于直流端1000V的电压要求设计和制造。光伏电站要降本增效,升高电压是降低线损的有效措施之一。从系统的角度来看,更高的输入、输出电压等级,可以降低交直流侧线损及变压器低压侧绕组损耗,电站的系统效率预期可以提升1.5-2%。同时,设备(逆变器、变压器)的功率密度提升,体积减小,运输、维护等方面工作量也减少,有利于光伏系统成本的降低。 
    传统的1000V系统单串组件数量是22块,而1500V系统可以将数量扩充至32块。子串数量减少,逆变器、汇流箱以及直流侧线缆的用量也随之减少。

    以10MW光伏电站为例,使用1500V系统可以减少使用568个组串,38个汇流箱,约减少成本77390美元。另外由于设备减少,后期运维成本也可以得到降低。
    另外,直流侧电压由1000V升为1500V,根据电力学公式P(电功率)=U(电压)*I(电流),当功率一定的情况下,电压提升1.5倍,电流将下降到1/1.5。而电力线缆损耗P损=I²R,线缆长度和线径确定,电阻R一定,电流下降1.5倍,线损变为1/2.25,直流侧设备损耗和设备损耗减少,发电量提高。
三、1500V光伏系统的技术难点
    电压从1000V提升到1500V,虽然好处多多,但对于技术却是一个挑战。但从1000V升到1500V,需要整个行业的协同合作,同时需要有新的符合1500V电压等级的光伏标准出台。
    1.产品及solution组件技术难点。从产品本身来说,1500V系统电压带来的都是挑战,最主要的就是电气的安全性和可能的性能降低。系统层面来说,这使得选型更为严格,组件匹配要求更高,PID(Potential Induced Degradation)的风险更大等等。
    2.原材料技术难点。从原材料的角度来说,1500V系统对于原材料的可靠性提出更高的要求,主要考虑背板局放、电连接器和电绝缘。电压等级升至1500V后,绝缘和电气间隙是主要问题,电压升高可能带来击穿放电。目前技术上已经不是瓶颈,但需要整个市场各环节的配套。设备要求提高与1000Vdc系统相比,电压提高到1500Vdc对断路器、熔断器、防雷器及开关电源等器件有重大影响,提出了更高的耐压、可靠性要求。
    3.认证难点。从认证的角度来说,1500V系统需要全套的符合认证标准的生产组件,从2013年以来,TUV[1] 已经为多家1500V系统电压的组件企业颁发了1500V认证证书。个别组件的如高压光伏电源等特殊器件,满足认证的厂家却是寥寥无几。

四、1500V光伏系统电源解决方案
    从设计的原理来讲,系统取电的方案目前有两种,一种就是市电AC取电,另外一种就是电池板高压DC取电。而光伏系统往往都是安装在阳光充裕位置偏僻的地区,如果因此从AC取电往往需要拉很长的电线,这样大大的增加了系统的投入成本,因此这个方案目前使用的情况非常少,主流的方案还是从电池板高压DC取电给系统板进行供电。
    光伏汇流箱和逆变器作为光伏系统的关键部件,随着电压等级的提升至1500VDC,系统取电方案受到前所未有的挑战。从直流高压1000V转换为低压24V已经有了很大的难度,因此大部分的厂家选用的都是市场上的现有的电源产品,但是也有一部分厂家选择自己设计电源。自搭电路往往在成本方面会有一些优势,但是从可靠性和性能指标来讲(如高温、寿命、海拔等),专业的电源厂家要远远优于自搭方案设计。另外,电源模块可以大大的简化光伏系统厂家对于光伏电源的设计,规避由于电源问题而导致的系统失效的风险。除此之外,认证是电源产品最致命的挑战。1500VDC的高压需要满足更高的安规距离以及爬电距离的相关标准(见表二),自搭方案很难通过相关的CE认证标准。另外,高海拔的要求,更加加剧了对于光伏电源模块设计的技术难度。
    因此,总体来说,专业厂家的高压光伏电源可以完美的解决上述两种供电方案带来的弊端和失效的风险,给光伏系统提供更加高可靠和高寿命的电源解决方案,除此之外,具有相关的CE认证,满足不同国家对于光伏电源模块的相关要求。



五、金升阳光伏系统电源产品策略
    为了满足1500V光伏系统对于电源模块的要求,金升阳新推出了15W/40W  1500VDC输入的PV15/PV40-29Bxx系列,该系列具有以下优势:
1)200-1500VDC超宽电压输入,电压工作范围处于行业领先水平
    最新行业信息显示光伏组件最高电压从1000VDC上升到1500VDC,可增加光伏系统50%的组串长度,有效降低系统端的成本,也是行业趋势所在;金升阳公司为了顺应国内外光伏组件的升级趋势,满足客户产品的开发与研究,自主开发了15W以及40W 200-1500VDC输入产品; 
2)通过CE/CSA认证,输入电压高达1500VDC,处于行业领先水平
    我司PV产品设计符合EN62109认证标准,认证的输入电压高达1500VDC,大大提高产品可靠性,有效保护客户系统安全;
3)自带输入欠压保护功能,客户系统更加安全可靠
    由于光伏系统的能量来源于太阳光,这样容易受到早晚时强时弱的光照影响,输出电压时高时低,导致客户系统启动频繁,金升阳PV电源设计的欠压保护功能可以有效避免客户系统频繁重新启动,有效维护客户系统稳定性;
4)可工作海拔高度高达5000m
    我司PV产品设计综合考虑客户运用环境以及海拔高度,经过大量气压可靠性测试试验,使产品能够满足海拔5000m的工作要求,适合更多高原场合,适用范围广,安全可靠;


产品特点:
   超宽压范围输入:200 - 1500VDC
   工业级工作温度:-40℃ to +70℃
   高隔离电压: 4000VAC 
   高效率、低纹波噪声;
   通过UL 1741/CSA-C22.2 No.107.1、EN62109 认证
   满足5000m高海拔工作
   输入欠压保护、防反接保护、输出短路、过流、过压保护;

六、小结
    光伏能源的逐步规模化、普及化,是全球面向未来能源需求的健康合理化发展趋势。金升阳积极参与能源技术绿色化发展,结合自身技术平台优势和自主创新能力,针对光伏发电系统的测试监控单元的特性需求,精心研发新一代1500V高压光伏专用电源模块PVxx-29Bxx系列产品,并提供一整套监控单元电源应用方案,简化光伏发电系统的电路方案,降低光伏系统的建设和维护成本,综合提升系统的稳定性、安全性、可靠性。



参考数据来源:
http://solar.ofweek.com 太阳能光伏网
http://news.solarbe.com/ 索比光伏网
http://www.100ppi.com 中国能源报 

注:[1]TUV标志:是德国TUV专为元器件产品定制的一个安全认证标志,在德国和欧洲得到广泛的接受。同时,企业可以在申请TUV标志时,合并申请CB证书,由此通过转换而取得其他国家的证书。而且,在产品通过认证后,德国TUV会向前来查询合格元器件供应商的整流器机厂推荐这些产品;在整机认证的过程中,凡取得TUV标志的元器件均可免检。


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