Nella concorrenza della "riduzione dei costi e miglioramento dell'efficienza" nelle centrali fotovoltaiche, la tecnologia "ad alta frequenza" degli inverter collegati a griglia sta diventando una svolta chiave. Aumentando la frequenza di commutazione (dal tradizionale 10kHz a oltre 50 kHz), il volume dell'inverter è stato ridotto del 50%, il peso è stato ridotto del 60%e l'efficienza di conversione ha superato il 99%. Questa trasformazione "piccola e precisa" non solo riduce i costi dell'occupazione e dei trasporti del terreno della centrale elettrica, ma migliora anche la cordialità della nuova energia alla rete attraverso la capacità di risposta rapida, ridefinendo il limite delle prestazioni degli inverter collegati alla rete.
1 La logica principale della conversione ad alta frequenza: riducendo i componenti magnetici e miglioramento della velocità di risposta
La "dimensione magia" dei componenti magnetici. Il volume di componenti magnetici come trasformatori e induttori negli inverter è inversamente proporzionale alla frequenza di commutazione. Quando la frequenza viene aumentata da 10 kHz a 50kHz, il volume di induttori con la stessa potenza può essere ridotto a 1/5 della loro dimensione originale. Dopo aver adottato un design ad alta frequenza da 60 kHz, il volume di un inverter di stringhe da 50 kW da un determinato marchio è stato ridotto dal tradizionale 80L a 35L, il peso è stato ridotto da 50 kg a 22 kg e il costo di trasporto per unità è stato ridotto del 40%. Nell'installazione di centrali elettriche fotovoltaiche di montagna, l'efficienza della gestione manuale è stata aumentata di tre volte.
Un salto qualitativo nella capacità di risposta dinamica. L'interruttore ad alta frequenza accelera la velocità di risposta dell'inverter alle variazioni della tensione della rete e della corrente. Dopo la conversione ad alta frequenza, l'attuale larghezza di banda di controllo del loop di un inverter da 100kW viene aumentata da 1 kHz a 5kHz. Quando la tensione della griglia aumenta improvvisamente, l'uscita può essere regolata entro 200 μ s per evitare l'azione di protezione da sovratensione. Questa rapida risposta migliora significativamente la "corsa attraverso la capacità" dell'inverter in caso di guasti alla griglia e ha superato test rigorosi da parte della Commissione elettrotecnica internazionale (IEC).
2 sfide tecniche e scoperte: dalle "difficoltà di riscaldamento" al "bilanciamento dell'efficienza"
Il design della dissipazione del calore risolve perdite ad alta frequenza. L'aumento della frequenza di commutazione porterà ad un aumento della perdita di commutazione di IGBT (proporzionale alla frequenza). Una certa impresa adotta uno schema di combinazione di "dispositivi in carburo di silicio (SIC)+raffreddamento dell'acqua del microcanale": la perdita di commutazione del MOSFET SIC è solo un terzo di quella della tradizionale IGBT a base di silicio. Combinato con un dissipatore di calore al microcanale con una portata di 2L/min, l'aumento della temperatura dell'inverter ad alta frequenza da 50 kHz è controllato entro 40k, che è inferiore del 50% rispetto allo schema di raffreddamento dell'aria.
La tecnologia di commutazione soft bilancia l'efficienza e la frequenza. Gli switch duri tradizionali sperimentano un forte calo di efficienza alle alte frequenze, mentre la tecnologia "zero a tensione (ZVS)" utilizza un circuito di risonanza per effettuare la condotta/spegnimento del transistor a commutazione a tensione zero, eliminando le perdite di commutazione. Dopo aver adottato questa tecnologia, un inverter ad alta frequenza ha mantenuto un'efficienza di conversione del 99,2% a una frequenza di 50kHz, che è 1,5 punti percentuali superiori allo schema di commutazione dura. La generazione di energia annuale è aumentata di 30kWh/kW, equivalente ad un aumento annuale di 15000 yuan per un singolo inverter da 50 kW.
Controllo sottile sintonizzato della compatibilità elettromagnetica (EMC). L'interferenza elettromagnetica (EMI) generata da interruttori ad alta frequenza è la sfida principale. Gli ingegneri hanno ottimizzato il layout del PCB (abbreviazione della lunghezza del circuito ad alta frequenza fino a 5 cm) e hanno adottato filtri EMI multi-stage (modalità comune+induttanza della modalità differenziale) per garantire che il livello di radiazione elettromagnetica dell'inverter soddisfi lo standard EN 61000-6-4. L'intensità delle radiazioni nella banda di frequenza da 30 MHz-1 GHz è inferiore a 54 dB μ V/m, evitando interferenze con il sistema di comunicazione della stazione di potenza.
3 Adattamento dello scenario: penetrazione completa dalle centrali elettriche su larga scala al fotovoltaico distribuito
Il vantaggio dell'alta densità di potenza nelle centrali elettriche. Una centrale fotovoltaica da 1GW nella Mongolia interna adotta inverter a stringa ad alta frequenza 1500V, con una singola capacità di 125kW, riducendo il numero di attrezzature del 52% rispetto ai tradizionali modelli da 60 kW, risparmiando il 30% nell'uso dei cavi e abbreviando il periodo di costruzione della centrale elettrica di 15 giorni. Il suo design compatto (occupando un'area di 0,5 metri quadrati per unità) riduce lo spazio nella stanza dell'inverter del 60% e riduce il costo dell'ingegneria civile.
La funzione "Installazione flessibile" del fotovoltaico distribuito. Gli scenari distribuiti familiari e commerciali pongono una maggiore enfasi sulla compattezza e sulla facilità d'uso degli inverter. L'inverter per la famiglia 3KW ad alta frequenza ha un volume che è solo un terzo dei modelli tradizionali e può essere direttamente montato a parete senza la necessità di una sala per computer dedicata. Il "inverter micro-frequenza" di un certo marchio è persino integrato sul retro dei moduli fotovoltaici (BIPV), raggiungendo "Plug and Play" e riducendo i tempi di installazione da 2 ore a 30 minuti.
Con la diminuzione del costo dei dispositivi SIC e la maturità delle topologie ad alta frequenza, la frequenza degli inverter collegati alla griglia si sposterà verso 100kHz e la densità di potenza dovrebbe superare i 5kW/L, con un'efficienza che si avvicina al 99,5%. Questa rivoluzione "ad alta frequenza" non solo migliora i parametri tecnici, ma promuove anche lo spostamento delle centrali fotovoltaiche da "estese costruzioni" a "funzionamento raffinato", fornendo una base hardware per la connessione a prezzi accessibili a rete di nuova energia e accelerare il processo di trasformazione dell'energia.