Na competição de "redução de custos e melhoria de eficiência" em usinas fotovoltaicas, a tecnologia de "alta frequência" de inversores conectados à rede está se tornando um avanço importante. Ao aumentar a frequência de comutação (dos 10kHz tradicionais para mais de 50kHz), o volume do inversor foi reduzido em 50%, o peso foi reduzido em 60%e a eficiência da conversão excedeu 99%. Essa transformação "pequena e precisa" não apenas reduz os custos de ocupação e transporte da terra da usina, mas também aprimora a simpatia de nova energia para a grade por meio de capacidade de resposta rápida, redefinindo o limite de desempenho dos inversores conectados à grade.
1 A lógica do núcleo da conversão de alta frequência: reduzindo os componentes magnéticos e melhorando a velocidade de resposta
O 'tamanho mágico' dos componentes magnéticos. O volume de componentes magnéticos, como transformadores e indutores em inversores, é inversamente proporcional à frequência de comutação. Quando a frequência é aumentada de 10kHz para 50kHz, o volume de indutores com a mesma potência pode ser reduzido para 1/5 do tamanho original. Depois de adotar um design de alta frequência de 60kHz, o volume de um inversor de cordas de 50kW de uma determinada marca foi reduzido do tradicional 80L para 35L, o peso foi reduzido de 50 kg para 22kg e o custo de transporte por unidade foi reduzido em 40%. Na instalação das usinas fotovoltaicas da montanha, a eficiência do manuseio manual foi aumentada em três vezes.
Um salto qualitativo na capacidade de resposta dinâmica. O interruptor de alta frequência acelera a velocidade de resposta do inversor para alterações na tensão e corrente da grade. Após conversão de alta frequência, a largura de banda de controle de loop atual de um inversor de 100kW é aumentada de 1kHz para 5kHz. Quando a tensão da grade aumenta repentinamente, a saída pode ser ajustada dentro de 200 μ s para evitar a ação de proteção de sobretensão. Essa resposta rápida aprimora significativamente o "passeio pela capacidade" do inversor em caso de falhas de grade e passou testes rigorosos pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC).
2 Desafios e avanços técnicos: de "dificuldades de aquecimento" ao "equilíbrio de eficiência"
O design de dissipação de calor resolve perdas de alta frequência. O aumento da frequência de comutação levará a um aumento na perda de comutação do IGBT (proporcional à frequência). Uma certa empresa adota um esquema de combinação de "dispositivos de carboneto de silício (SIC)+resfriamento de água do microcanal": a perda de comutação do SiC MOSFET é apenas um terço do IGBT tradicional baseado em silício. Combinado com um dissipador de calor microcanal com uma taxa de fluxo de 2L/min, o aumento da temperatura do inversor de alta frequência de 50kHz é controlado dentro de 40k, que é 50% menor que o esquema de resfriamento de ar.
A tecnologia de comutação suave equilibra a eficiência e a frequência. Os interruptores duros tradicionais experimentam uma queda acentuada na eficiência em altas frequências, enquanto a tecnologia "comutação de tensão zero (ZVS)" usa um circuito ressonante para fazer com que a comutação conduta/desligamento do transistor com tensão zero, eliminando as perdas de comutação. Após adotar essa tecnologia, um inversor de alta frequência manteve uma eficiência de conversão de 99,2% a uma frequência de 50kHz, que é 1,5 pontos percentuais acima do esquema de comutação rígida. A geração anual de energia aumentou em 30kWh/kW, equivalente a um aumento anual de 15000 yuan para um único inversor de 50kW.
Controle ajustado fino da compatibilidade eletromagnética (EMC). A interferência eletromagnética (EMI) gerada por interruptores de alta frequência é o principal desafio. Os engenheiros otimizaram o layout da PCB (reduzindo o comprimento do circuito de alta frequência para 5 cm) e adotaram filtros EMI em várias etapas (modo comum+indutância do modo diferencial) para garantir que o nível de radiação eletromagnético do inversor atenda ao padrão EN 61000-6-4. A intensidade da radiação na banda de frequência de 30MHz-1GHz é inferior a 54dB μ V/m, evitando a interferência no sistema de comunicação da usina.
3 Adaptação de cenário: Penetração abrangente de usinas de energia em larga escala a fotovoltaicos distribuídos
A vantagem da alta densidade de potência nas usinas de energia terrestre. Uma usina fotovoltaica de 1GW na Mongólia interna adota inversores de corda de alta frequência de 1500V, com uma única capacidade de 125kW, reduzindo o número de equipamentos em 52% em comparação com os modelos tradicionais de 60kW, economizando 30% no uso de cabo e reduzindo o período de construção da usina de 15 dias. Seu design compacto (ocupando uma área de 0,5 metros quadrados por unidade) reduz o espaço na sala do inversor em 60% e reduz o custo da engenharia civil.
O recurso "Instalação flexível" dos fotovoltaicos distribuídos. Os cenários distribuídos domésticos e comerciais colocam maior ênfase na compactação e facilidade de uso de inversores. O inversor doméstico de 3kW de alta frequência possui um volume que é apenas um terço dos modelos tradicionais e pode ser montado diretamente na parede sem a necessidade de uma sala de informática dedicada. O "inversor de alta frequência de alta frequência" de uma determinada marca é integrado na parte traseira dos módulos fotovoltaicos (BIPV), alcançando "Plug and Play" e reduzindo o tempo de instalação de 2 horas para 30 minutos.
Com a diminuição do custo dos dispositivos SiC e a maturidade de topologias de alta frequência, a frequência de inversores conectados à grade se moverá em direção a 100kHz, e a densidade de potência deve exceder 5kW/L, com uma eficiência que se aproxima de 99,5%. Essa revolução de "alta frequência" não apenas melhora os parâmetros técnicos, mas também promove a mudança de usinas fotovoltaicas da "extensa construção" para "operação refinada", fornecendo uma base de hardware para a conexão da grade acessível de nova energia e acelerando o processo de transformação de energia.