光伏并网无变压器逆变系统的研发与产业化

一、项目简介
　  本项目的首期产品是无变压器光伏并网逆变系统。它是光伏并网发电系统中的一个不可或缺的关键设备。其主要用途是将太阳能电池发出的不稳定的直流电转换成稳定的交流电并直接将这些电能输送到公共电网上。由于采用无变压器的电路模式，因此避免了变压器的损耗。使得逆变系统效率从传统的85％左右一下子提高到96％以上。而且同时还能提供稳定性更高的并网功能。
　  
　  目前国际上，在光伏发电领域，并网发电的应用越来越广泛。比起传统的离网发电。并网发电已经成为一种发展趋势。然而，作为并网发电中的关键设备，光伏并网逆变系统的全球市场，是几乎被欧美公司所垄断的。由于国内该行业起步较晚，因此就连国内市场，也是几乎被欧美公司所垄断。国内逆变系统的生产企业普遍技术落后，都使用传统的有变压器的逆变系统。由于无法掌握利用无变压器的电路来实现并网逆变的技术，所以产品效率低、并网效果差。
　  本项目无变压器光伏并网逆变系统的实施。解决了光伏并网逆变系统的传统技术难点，填补了国内该领域的空白，达到了国际先进水平。本项目产品不但并网稳定、效率高，而且比起国际上同类产品来，具有更低的谐波干扰和更高的容差率。能够适应电网质量较差的环境，使得并网发电的利用率达到最大化。从而，打破了该市场一直被欧美公司所垄断的局面。也使得我国成为国际上为数不多的，能提供稳定的无变压器光伏并网逆变系统的国家。我们企业的目标就是成为国际主要中小逆变器的主要提供商。
　  
　  
　  1 项目现有技术基础
　  1.1 成果来源
　  本项目主要成果来源于上海森昌电气科技有限公司的研究成果。针对以上几个技术成果，已经有12项专利，其中五项发明专利，六项实用新型以及一项国际专利。本项目的产品已经通过本领域国际上最权威的UL1741认证。
　  同时公司还获得了上海市高新成果转化A级的认证资格。
　  1.2 主要突破和创新点
　  1、利用电流电压双闭环技术进行并网发电，使得并网发电的电流高频谐波分量控制在3％以内。给电网输送清洁的电能。
　  2、国内首个提出利用不隔离升压电路代替传统的隔离升压电路的方法运用到实际产品中，使得升压环节部分省去了变压器这个部件，大大提高了系统的效率；
　  3、首创利用变化步长法进行太阳能最大功率点跟踪，使得最大功率点的跟踪速度比传统提高了10倍。
　  4、首次提出了并网容错率概念。利用高速全波采样的方法，计算出电网的实时的细微的变动，使得设备并网的容错率大大提高，建立了比传统更稳定的并网能力，从而在时域的累计上提高了整个系统的发电效率。
　  5、在防孤岛技术中，同时利用被动搜索和主动搜索两种电网监测模式。使得对孤岛现象的反应速度提高了100倍。极大限度地提高了操作者的安全性。
　  6、国内首创利用半桥的电路拓扑进行5KW以上功率的逆变。对于并网端直流分量的控制，提高了一个数量级的精度。
　  1.3 拥有的自主知识产权
　  本项目目前拥有12项专利，其中发明5项，实用新型6项，国际专利1项。
　  2 项目实施主要内容
　  2.1 项目所处阶段
　  本项目目前已经处于中试阶段和小批量生产阶段，拥有200多平米的中试试验基地（无锡）。目前样机经中国上海测试中心检测，各项指标均符合技术要求。同时，样机已经通过并网逆变器领域中要求最高的UL1741认证。
　  上海森昌的无变压器光伏逆变并网系统经过上海市科技情报中心的查新确认，技术属于国际领先水平。公司分别在2006年获得上海市高科技创新项目立项支撑，在此基础上，公司与2007年获得了国家科技部创新基金立项扶持；同时公司目前中试无锡基地获得了江苏省2009年度创新项目立项，2008年公司又获得了上海市高新成果转化A级认证。
　  2.2 下一步研发与产业化建设目标
　  根据项目前期研发和产品试销进展情况，计划在半年内投资6000~8000平米的批量生产基地。引进电装流水线和工装流水线各一条。并且建立起包括元器件采购质量控制、PCB生产焊接、ICT检测、FCT检测、环境测试等一整套系统流程。同时，进一步攻克设备间后台在线通讯等的技术难点。基地投产后在一年内实现批量生产，投产后将形成年生产100MW的生产能力，一年内实现销售4000万美元；同时在一期投资的基础上，公司计划在随后的半年中完成6000平房的研发办公基地以及二期厂房8000平方米，落成后的研发基地将成为电力电子和新能源的样板研发中心，将吸纳海内外电力电子行业的骨干研发人员30人，形成强大的研发和新团队，同时将目前已有的智能电网技术和激光技术转化为产品，二期建设后预计将实现销售1亿美元以上。
　  2 企业概况
　  上海森昌电气科技有限公司是一家从事新能源技术研发的高科技企业。公司成立于2006年4月。公司自创立开始全力致力于产品研发的同时，也开始铺设销售网络。
　  公司目前的主要产品为光伏并网逆变控制器、光伏离网逆变控制器、风力逆变控制器、氢燃料电池逆变控制器、路灯逆变控制器、应急电源等。
　  公司目前与江南大学、复旦大学、浙江大学、英国诺丁汉大学、美国密歇根大学等学校保持着良好的合作关系。
　  3 项目负责人、技术负责人及团队情况
　  3.3 项目负责人
　  宣四维，公司董事长，高级工程师，多年电力行业产品研发和销售的创业者。
　  邬胤，公司首席执行官。美国麻省理工学院以及复旦大学工商管理硕士，中国注册会计师。主要专长是企业管理、市场营销。曾任新秀丽箱包、张小泉刀剪、可的便利店等国内外知名公司的总经理（高管）。
　  3.4 技术负责人
　  宣昆，公司技术总监。复旦大学电子工程硕士。主要专长是研发管理、生产管理。在《光源与照明》、《大学物理实验》、《电力电子技术》等国家权威杂志上发表多篇文章。个人拥有多项专利。
　  3.5 团队情况
　  目前有研发团队8人，管理团队4人。其中，博士4人，硕士6人。其中包括有英国伯明翰大学经济学硕士、美国密歇根大学电子工程博士、MBA，复旦大学、上海交通大学电子工程博士，马萨诸塞大学理学硕士，麻省理工MBA，以及多年国际化大公司的总经理任职的人员，同时还有海内外的各类技术专家、管理专家和大学的教授们等作为我们坚实的后盾。
　  
　  二、项目详细内容
　  1. 项目意义与必要性
　  1.1 国内外发展现状及趋势
　  逆变器是光伏并网发电系统中的关键技术之一。逆变理论发展迅速。但是，由于功率管的成本一直居高不下，所以尽管理论发展相当成熟，但是始终没有把最先进的理论产品化、批量生产化。
　  从目前国内的发展技术情况来看，修正波输出，小功率机型及传统工频变压逆变技术占据主流，只有少数企业能提供纯正弦波输出、中大功率机型，但是就逆变技术而言只停留在工频变压逆变技术，因而效率始终是最大的瓶颈；而国际上目前除了德国的SMA公司已经推出无变压器逆变技术外，其他所有公司都只能最多拥有高频变压逆变技术。 
　  现在，逆变器的技术主要朝两个方向发展。一个是大功率化，一个是高效率化。
　  项目产品逆变部分淘汰了传统的工频变压逆变方法，也不使用相对先进的高频变压逆变方法，而是采用了国际上最先进的无隔离逆变。这种逆变方法不需要变压器，不管是体积、重量、效率等方面都优于前两种方法。无隔离逆变技术，是目前国际上最领先的逆变技术，国外有些大型光伏发电站已经开始使用该技术，但国内几乎很少使用。而这个技术的普及将是光伏并网发电中逆变装置的必然趋势。
　  1.2 目标产品处于产业链重要环节的阐述及对该产业发展的重要作用
　  光伏发电系统中，最重要最关键的两个设备就是逆变器和太阳能电池板。太阳能发出的电是不稳定的直流电，只有通过逆变器的转换才能变成民用的稳定的交流电。因此，在整个光伏发电的产业链中，逆变器是必不可少的一部分。
　  本项目的实施所带来的低成本、高效率等优势对整个产业带来更新的革命。随着光伏、风力等新能源并网发电的大力推广，具有高效率、大功率、纯正弦波输出、安装便捷、成本优化的并网逆变器将更多地会成为这个市场的主流产品。
　  2. 项目技术基础：
　  （1）项目关键技术、创新点和重大技术突破
　  项目的技术基础
　  本项目目前具有相关专利12项，其中5项发明，6项实用新型，1项国际专利。目前本项目已经进入中试阶段，有望在1年内实现产业化。本项目经过中国上海检测中心测试，一切指标均符合要求。目前已经有加拿大MY MOLD公司等用户使用样品并出具使用报告，而且已经出具意向订单。同时本项目产品已经通过ETL认证（北美安规和市场准入证）。
　  主要关键技术、创新点和重大技术突破
　  1.电流电压双闭环技术
　  电流电压双闭环技术是指在逆变器并网的时候，对电网电压进行闭环检测匹配的同时，也对并网电流进行闭环检测匹配。这种方法比起传统的电压闭环或电流闭环来，功率精度可以提高5倍，正弦波失真度可以减少3－5个百分点。使得并网发电电的电流高频谐波分量控制在3％以内，给电网输送清洁的电能。该技术的主要难点在于两个闭环会冲突，而冲突的时候如何使用合理的策略来解决冲突是本技术的关键。另外，两个环的响应速度不同的时候可能会引起振荡或者引起拍频。
　  
　  2.无变压器技术与原理
　  逆变部分淘汰了传统的工频变压逆变方法，也不使用相对先进的高频变压逆变方法，而是采用了国际上最先进的无变压器（无隔离）逆变。这种逆变方法不需要变压器，不管是体积、重量、效率等方面都优于前两种方法。本装置在实施MPPT最大功率点跟踪功能的同时进行直流升压，利用一个大功率管和一个在线式升压电路，使全桥逆变的输入电压升到大约400V直流，然后对高压直流电进行逆变，就可以得到220V的交流输出。无隔离逆变技术，是目前国际上最领先的逆变技术，虽然最近几年，很多公司开始陆续研发。但是真正能够作为成熟产品的，仅仅只有德国一家企业。本公司拥有该技术的自主知识产权，同时产品已经通过ETL认证。预计在通过中试和小批量生产阶段以后，将成为全球第二家能够提供成熟的无变压器逆变器产品的公司。也填补了其在国内的空白。下图是无变压器逆变方案的框图。
　  
　  同时，在逆变拓扑中，采用半桥的拓扑模式。使得零线接在电容中点。这样整个设备对大地的交流电势会非常小，漏电流就会控制在非常小的范围内。一般仅仅只有几毫安。
　  无变压器技术，对于绝缘、漏电、直流分量等要求都非常高，是比较难攻克的技术难点。但是为了省去变压器带来的效率损耗，在电路中增加这些功能的元器件还是划算的。从成本上讲是非常合理的。
　  3. 利用变化步长法进行太阳能最大功率点跟踪
　  以硅为基本材料的太阳能电池在不同的照射强度和温度下其I-V特性曲线各不相同，而输出与I-V特性相应存在一个最大功率输出点，因此对太阳电池最大输出功率点的追踪MPPT(Maximum Power Point Trace)成为提高整个系统效率的关键点之一。
　  
　  由于最大功率是动态的（如上图），因此如何在最快的时间内找到其最大功率点，是整个技术的关键。本项目使用了“缩小步长法”来寻找和跟踪太阳能电池的最大功率点。比起普通的MPPT算法来，寻找和跟踪速度更快。
　  
　  在寻找最大功率点的同时，尽可能大地扩大输入电压的范围，即增加最大功率点的搜索跟踪范围。这样可以进一步利用临晨和黄昏的太阳能量，提高了逆变系统的经济价值，使其更具有市场竞争优势。
　  4. 高容错率电网跟踪技术
　  由于电网中不可避免有高次谐波、高压尖峰脉冲和浪涌冲击。为了逆变器不受这些干扰的影响，逆变器必须有一定的承受冲击的能力，称为容错率。目前国际主流的逆变器产品都是欧洲产品。因为欧洲的电网质量比较好，因此其设定的承受冲击的能力指标都比较低。即使是目前全球逆变器行业排名第一的公司的产品，在中国或者东南亚使用会经常因为承受不了电网的冲击而脱离电网。这样就不能正常把太阳能输送到电网上。而本项目产品针对这种现象，考虑到逆变器市场的在中国和很多东南亚地区的发展前景，专门设计了高容错率电网跟踪技术。使得逆变系统在电网质量比较差的地区，仍然可以正常并网发电。
　  5．主动被动双重防孤岛技术
　  在防孤岛技术中，同时利用被动搜索和主动搜索两种电网监测模式。使得对孤岛现象的反应速度提高了100倍。极大限度地提高了操作者的安全性。
　  在电网发生突变或者故障时，对于并网逆变器来说等于负载突变。这时候被动防孤岛功能能够检测出负载突变造成的并网电流突变，从而对逆变器进行保护。为了提高被动防孤岛功能的精度，本技术中采用检测电流的变化率来代替传统的检测电流变化。这种模式虽然软件复杂程度会大大增加，但是可以提高对孤岛的反应速度。
　  在电网平滑过渡到孤岛情况的时候，被动检测会失效。这个时候就必须使用主动搜索的电网检测。系统会自主给出一些频率上的扰动。如果电网正常，那么频率上的扰动会被电网的低阻抗吸收。而如果电网是孤岛状态，则扰动会叠加。这个时候就会主动判断为电网进入孤岛，系统将自动进行保护。
　  利用被动和主动两种方式同时进行保护，大大增加了保护的安全性，也将保护的反应速度提高了100倍。
　  防孤岛技术一直是并网发电的一个难题，是个技术瓶颈。本项目小组经过多年的经验积累，已经掌握一套完整的防孤岛方法。而这个技术对于很多企业来说，还是非常难攻克的一个技术堡垒。
　  6．利用半桥的电路拓扑进行并网逆变。
　  一般来说2KW以上的电路都用全桥的拓扑。而本项目使用半桥的拓扑，因为半桥不像全桥那样两个桥臂都是高频的，它的一个电容桥臂中点的电位是稳定的。将这个电容中点和电网的零线相连接，这样整个电路的直流母线对于大地来说，就没有交流电势。而如果利用全桥，则任何一个桥臂接零线，都会引起直流母线对大地有很大的交流电势。由于本拓扑是不隔离的拓扑，因此太阳能电池板对大地也不会有交流电势。整个系统就不会有漏电电流。而且对于并网端直流分量的控制，也提高了一个数量级的精度。
　  使用半桥拓扑，直流母线电压要升高一倍。对于保护措施的等级要增加。这是这个技术的主要难点。
　  （2）与项目直接相关的其它知识产权情况表
　  本项目目前拥有12项专利，其中发明6项，实用新型5项，国际专利1项。
　  序号 专利名称 专利授权国 专利号 授权
　  公告日 团队拥有人 排序
　  1 数字式纯正弦波逆变装置及其逆变方法 中国 ZL200610026176X 2009年12月2日 上海森昌 1
　  2 意外断电远传报警系统及其报警方法 中国 ZL2005100248008 2008年1月30日 宣昆 1
　  3 无需变压器的太阳能、风能、市电联合电源 中国 ZL2006200414188 2007年6月27日 上海森昌 1
　  4 一种太阳能风能充电装置 中国 ZL200820057160X 2008年12月31日 宣昆 1
　  5 太阳能电池最大功率点跟踪装置 中国 ZL2006200414239 2007年7月4日 上海森昌 1
　  6 数字式正弦波逆变装置 中国 ZL2006200414192 2007年5月2日 上海森昌 1
　  7 无需模数转换器的单片机信号采样装置 中国 ZL2006200414173 2007年5月2日 上海森昌 1
　  已申请与项目直接相关的发明专利情况表
　  序号 专利名称 专利申请国 申请号 专利申请日 团队申请人 排序
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