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光伏并網無變壓器逆變系統的研發與產業化

一、項目簡介
　  本項目的首期產品是無變壓器光伏并網逆變系統。它是光伏并網發電系統中的一個不可或缺的關鍵設備。其主要用途是將太陽能電池發出的不穩定的直流電轉換成穩定的交流電并直接將這些電能輸送到公共電網上。由于采用無變壓器的電路模式，因此避免了變壓器的損耗。使得逆變系統效率從傳統的85％左右一下子提高到96％以上。而且同時還能提供穩定性更高的并網功能。
　  
　  目前國際上，在光伏發電領域，并網發電的應用越來越廣泛。比起傳統的離網發電。并網發電已經成為一種發展趨勢。然而，作為并網發電中的關鍵設備，光伏并網逆變系統的全球市場，是幾乎被歐美公司所壟斷的。由于國內該行業起步較晚，因此就連國內市場，也是幾乎被歐美公司所壟斷。國內逆變系統的生產企業普遍技術落后，都使用傳統的有變壓器的逆變系統。由于無法掌握利用無變壓器的電路來實現并網逆變的技術，所以產品效率低、并網效果差。
　  本項目無變壓器光伏并網逆變系統的實施。解決了光伏并網逆變系統的傳統技術難點，填補了國內該領域的空白，達到了國際先進水平。本項目產品不但并網穩定、效率高，而且比起國際上同類產品來，具有更低的諧波干擾和更高的容差率。能夠適應電網質量較差的環境，使得并網發電的利用率達到最大化。從而，打破了該市場一直被歐美公司所壟斷的局面。也使得我國成為國際上為數不多的，能提供穩定的無變壓器光伏并網逆變系統的國家。我們企業的目標就是成為國際主要中小逆變器的主要提供商。
　  
　  
　  1 項目現有技術基礎
　  1.1 成果來源
　  本項目主要成果來源于上海森昌電氣科技有限公司的研究成果。針對以上幾個技術成果，已經有12項專利，其中五項發明專利，六項實用新型以及一項國際專利。本項目的產品已經通過本領域國際上最權威的UL1741認證。
　  同時公司還獲得了上海市高新成果轉化A級的認證資格。
　  1.2 主要突破和創新點
　  1、利用電流電壓雙閉環技術進行并網發電，使得并網發電的電流高頻諧波分量控制在3％以內。給電網輸送清潔的電能。
　  2、國內首個提出利用不隔離升壓電路代替傳統的隔離升壓電路的方法運用到實際產品中，使得升壓環節部分省去了變壓器這個部件，大大提高了系統的效率；
　  3、首創利用變化步長法進行太陽能最大功率點跟蹤，使得最大功率點的跟蹤速度比傳統提高了10倍。
　  4、首次提出了并網容錯率概念。利用高速全波采樣的方法，計算出電網的實時的細微的變動，使得設備并網的容錯率大大提高，建立了比傳統更穩定的并網能力，從而在時域的累計上提高了整個系統的發電效率。
　  5、在防孤島技術中，同時利用被動搜索和主動搜索兩種電網監測模式。使得對孤島現象的反應速度提高了100倍。極大限度地提高了操作者的安全性。
　  6、國內首創利用半橋的電路拓撲進行5KW以上功率的逆變。對于并網端直流分量的控制，提高了一個數量級的精度。
　  1.3 擁有的自主知識產權
　  本項目目前擁有12項專利，其中發明5項，實用新型6項，國際專利1項。
　  2 項目實施主要內容
　  2.1 項目所處階段
　  本項目目前已經處于中試階段和小批量生產階段，擁有200多平米的中試試驗基地（無錫）。目前樣機經中國上海測試中心檢測，各項指標均符合技術要求。同時，樣機已經通過并網逆變器領域中要求最高的UL1741認證。
　  上海森昌的無變壓器光伏逆變并網系統經過上海市科技情報中心的查新確認，技術屬于國際領先水平。公司分別在2006年獲得上海市高科技創新項目立項支撐，在此基礎上，公司與2007年獲得了國家科技部創新基金立項扶持；同時公司目前中試無錫基地獲得了江蘇省2009年度創新項目立項，2008年公司又獲得了上海市高新成果轉化A級認證。
　  2.2 下一步研發與產業化建設目標
　  根據項目前期研發和產品試銷進展情況，計劃在半年內投資6000~8000平米的批量生產基地。引進電裝流水線和工裝流水線各一條。并且建立起包括元器件采購質量控制、PCB生產焊接、ICT檢測、FCT檢測、環境測試等一整套系統流程。同時，進一步攻克設備間后臺在線通訊等的技術難點。基地投產后在一年內實現批量生產，投產后將形成年生產100MW的生產能力，一年內實現銷售4000萬美元；同時在一期投資的基礎上，公司計劃在隨后的半年中完成6000平房的研發辦公基地以及二期廠房8000平方米，落成后的研發基地將成為電力電子和新能源的樣板研發中心，將吸納海內外電力電子行業的骨干研發人員30人，形成強大的研發和新團隊，同時將目前已有的智能電網技術和激光技術轉化為產品，二期建設后預計將實現銷售1億美元以上。
　  2 企業概況
　  上海森昌電氣科技有限公司是一家從事新能源技術研發的高科技企業。公司成立于2006年4月。公司自創立開始全力致力于產品研發的同時，也開始鋪設銷售網絡。
　  公司目前的主要產品為光伏并網逆變控制器、光伏離網逆變控制器、風力逆變控制器、氫燃料電池逆變控制器、路燈逆變控制器、應急電源等。
　  公司目前與江南大學、復旦大學、浙江大學、英國諾丁漢大學、美國密歇根大學等學校保持著良好的合作關系。
　  3 項目負責人、技術負責人及團隊情況
　  3.3 項目負責人
　  宣四維，公司董事長，高級工程師，多年電力行業產品研發和銷售的創業者。
　  鄔胤，公司首席執行官。美國麻省理工學院以及復旦大學工商管理碩士，中國注冊會計師。主要專長是企業管理、市場營銷。曾任新秀麗箱包、張小泉刀剪、可的便利店等國內外知名公司的總經理（高管）。
　  3.4 技術負責人
　  宣昆，公司技術總監。復旦大學電子工程碩士。主要專長是研發管理、生產管理。在《光源與照明》、《大學物理實驗》、《電力電子技術》等國家權威雜志上發表多篇文章。個人擁有多項專利。
　  3.5 團隊情況
　  目前有研發團隊8人，管理團隊4人。其中，博士4人，碩士6人。其中包括有英國伯明翰大學經濟學碩士、美國密歇根大學電子工程博士、MBA，復旦大學、上海交通大學電子工程博士，馬薩諸塞大學理學碩士，麻省理工MBA，以及多年國際化大公司的總經理任職的人員，同時還有海內外的各類技術專家、管理專家和大學的教授們等作為我們堅實的后盾。
　  
　  二、項目詳細內容
　  1. 項目意義與必要性
　  1.1 國內外發展現狀及趨勢
　  逆變器是光伏并網發電系統中的關鍵技術之一。逆變理論發展迅速。但是，由于功率管的成本一直居高不下，所以盡管理論發展相當成熟，但是始終沒有把最先進的理論產品化、批量生產化。
　  從目前國內的發展技術情況來看，修正波輸出，小功率機型及傳統工頻變壓逆變技術占據主流，只有少數企業能提供純正弦波輸出、中大功率機型，但是就逆變技術而言只停留在工頻變壓逆變技術，因而效率始終是最大的瓶頸；而國際上目前除了德國的SMA公司已經推出無變壓器逆變技術外，其他所有公司都只能最多擁有高頻變壓逆變技術。 
　  現在，逆變器的技術主要朝兩個方向發展。一個是大功率化，一個是高效率化。
　  項目產品逆變部分淘汰了傳統的工頻變壓逆變方法，也不使用相對先進的高頻變壓逆變方法，而是采用了國際上最先進的無隔離逆變。這種逆變方法不需要變壓器，不管是體積、重量、效率等方面都優于前兩種方法。無隔離逆變技術，是目前國際上最領先的逆變技術，國外有些大型光伏發電站已經開始使用該技術，但國內幾乎很少使用。而這個技術的普及將是光伏并網發電中逆變裝置的必然趨勢。
　  1.2 目標產品處于產業鏈重要環節的闡述及對該產業發展的重要作用
　  光伏發電系統中，最重要最關鍵的兩個設備就是逆變器和太陽能電池板。太陽能發出的電是不穩定的直流電，只有通過逆變器的轉換才能變成民用的穩定的交流電。因此，在整個光伏發電的產業鏈中，逆變器是必不可少的一部分。
　  本項目的實施所帶來的低成本、高效率等優勢對整個產業帶來更新的革命。隨著光伏、風力等新能源并網發電的大力推廣，具有高效率、大功率、純正弦波輸出、安裝便捷、成本優化的并網逆變器將更多地會成為這個市場的主流產品。
　  2. 項目技術基礎：
　  （1）項目關鍵技術、創新點和重大技術突破
　  項目的技術基礎
　  本項目目前具有相關專利12項，其中5項發明，6項實用新型，1項國際專利。目前本項目已經進入中試階段，有望在1年內實現產業化。本項目經過中國上海檢測中心測試，一切指標均符合要求。目前已經有加拿大MY MOLD公司等用戶使用樣品并出具使用報告，而且已經出具意向訂單。同時本項目產品已經通過ETL認證（北美安規和市場準入證）。
　  主要關鍵技術、創新點和重大技術突破
　  1.電流電壓雙閉環技術
　  電流電壓雙閉環技術是指在逆變器并網的時候，對電網電壓進行閉環檢測匹配的同時，也對并網電流進行閉環檢測匹配。這種方法比起傳統的電壓閉環或電流閉環來，功率精度可以提高5倍，正弦波失真度可以減少3－5個百分點。使得并網發電電的電流高頻諧波分量控制在3％以內，給電網輸送清潔的電能。該技術的主要難點在于兩個閉環會沖突，而沖突的時候如何使用合理的策略來解決沖突是本技術的關鍵。另外，兩個環的響應速度不同的時候可能會引起振蕩或者引起拍頻。
　  
　  2.無變壓器技術與原理
　  逆變部分淘汰了傳統的工頻變壓逆變方法，也不使用相對先進的高頻變壓逆變方法，而是采用了國際上最先進的無變壓器（無隔離）逆變。這種逆變方法不需要變壓器，不管是體積、重量、效率等方面都優于前兩種方法。本裝置在實施MPPT最大功率點跟蹤功能的同時進行直流升壓，利用一個大功率管和一個在線式升壓電路，使全橋逆變的輸入電壓升到大約400V直流，然后對高壓直流電進行逆變，就可以得到220V的交流輸出。無隔離逆變技術，是目前國際上最領先的逆變技術，雖然最近幾年，很多公司開始陸續研發。但是真正能夠作為成熟產品的，僅僅只有德國一家企業。本公司擁有該技術的自主知識產權，同時產品已經通過ETL認證。預計在通過中試和小批量生產階段以后，將成為全球第二家能夠提供成熟的無變壓器逆變器產品的公司。也填補了其在國內的空白。下圖是無變壓器逆變方案的框圖。
　  
　  同時，在逆變拓撲中，采用半橋的拓撲模式。使得零線接在電容中點。這樣整個設備對大地的交流電勢會非常小，漏電流就會控制在非常小的范圍內。一般僅僅只有幾毫安。
　  無變壓器技術，對于絕緣、漏電、直流分量等要求都非常高，是比較難攻克的技術難點。但是為了省去變壓器帶來的效率損耗，在電路中增加這些功能的元器件還是劃算的。從成本上講是非常合理的。
　  3. 利用變化步長法進行太陽能最大功率點跟蹤
　  以硅為基本材料的太陽能電池在不同的照射強度和溫度下其I-V特性曲線各不相同，而輸出與I-V特性相應存在一個最大功率輸出點，因此對太陽電池最大輸出功率點的追蹤MPPT(Maximum Power Point Trace)成為提高整個系統效率的關鍵點之一。
　  
　  由于最大功率是動態的（如上圖），因此如何在最快的時間內找到其最大功率點，是整個技術的關鍵。本項目使用了“縮小步長法”來尋找和跟蹤太陽能電池的最大功率點。比起普通的MPPT算法來，尋找和跟蹤速度更快。
　  
　  在尋找最大功率點的同時，盡可能大地擴大輸入電壓的范圍，即增加最大功率點的搜索跟蹤范圍。這樣可以進一步利用臨晨和黃昏的太陽能量，提高了逆變系統的經濟價值，使其更具有市場競爭優勢。
　  4. 高容錯率電網跟蹤技術
　  由于電網中不可避免有高次諧波、高壓尖峰脈沖和浪涌沖擊。為了逆變器不受這些干擾的影響，逆變器必須有一定的承受沖擊的能力，稱為容錯率。目前國際主流的逆變器產品都是歐洲產品。因為歐洲的電網質量比較好，因此其設定的承受沖擊的能力指標都比較低。即使是目前全球逆變器行業排名第一的公司的產品，在中國或者東南亞使用會經常因為承受不了電網的沖擊而脫離電網。這樣就不能正常把太陽能輸送到電網上。而本項目產品針對這種現象，考慮到逆變器市場的在中國和很多東南亞地區的發展前景，專門設計了高容錯率電網跟蹤技術。使得逆變系統在電網質量比較差的地區，仍然可以正常并網發電。
　  5．主動被動雙重防孤島技術
　  在防孤島技術中，同時利用被動搜索和主動搜索兩種電網監測模式。使得對孤島現象的反應速度提高了100倍。極大限度地提高了操作者的安全性。
　  在電網發生突變或者故障時，對于并網逆變器來說等于負載突變。這時候被動防孤島功能能夠檢測出負載突變造成的并網電流突變，從而對逆變器進行保護。為了提高被動防孤島功能的精度，本技術中采用檢測電流的變化率來代替傳統的檢測電流變化。這種模式雖然軟件復雜程度會大大增加，但是可以提高對孤島的反應速度。
　  在電網平滑過渡到孤島情況的時候，被動檢測會失效。這個時候就必須使用主動搜索的電網檢測。系統會自主給出一些頻率上的擾動。如果電網正常，那么頻率上的擾動會被電網的低阻抗吸收。而如果電網是孤島狀態，則擾動會疊加。這個時候就會主動判斷為電網進入孤島，系統將自動進行保護。
　  利用被動和主動兩種方式同時進行保護，大大增加了保護的安全性，也將保護的反應速度提高了100倍。
　  防孤島技術一直是并網發電的一個難題，是個技術瓶頸。本項目小組經過多年的經驗積累，已經掌握一套完整的防孤島方法。而這個技術對于很多企業來說，還是非常難攻克的一個技術堡壘。
　  6．利用半橋的電路拓撲進行并網逆變。
　  一般來說2KW以上的電路都用全橋的拓撲。而本項目使用半橋的拓撲，因為半橋不像全橋那樣兩個橋臂都是高頻的，它的一個電容橋臂中點的電位是穩定的。將這個電容中點和電網的零線相連接，這樣整個電路的直流母線對于大地來說，就沒有交流電勢。而如果利用全橋，則任何一個橋臂接零線，都會引起直流母線對大地有很大的交流電勢。由于本拓撲是不隔離的拓撲，因此太陽能電池板對大地也不會有交流電勢。整個系統就不會有漏電電流。而且對于并網端直流分量的控制，也提高了一個數量級的精度。
　  使用半橋拓撲，直流母線電壓要升高一倍。對于保護措施的等級要增加。這是這個技術的主要難點。
　  （2）與項目直接相關的其它知識產權情況表
　  本項目目前擁有12項專利，其中發明6項，實用新型5項，國際專利1項。
　  序號 專利名稱 專利授權國 專利號 授權
　  公告日 團隊擁有人 排序
　  1 數字式純正弦波逆變裝置及其逆變方法 中國 ZL200610026176X 2009年12月2日 上海森昌 1
　  2 意外斷電遠傳報警系統及其報警方法 中國 ZL2005100248008 2008年1月30日 宣昆 1
　  3 無需變壓器的太陽能、風能、市電聯合電源 中國 ZL2006200414188 2007年6月27日 上海森昌 1
　  4 一種太陽能風能充電裝置 中國 ZL200820057160X 2008年12月31日 宣昆 1
　  5 太陽能電池最大功率點跟蹤裝置 中國 ZL2006200414239 2007年7月4日 上海森昌 1
　  6 數字式正弦波逆變裝置 中國 ZL2006200414192 2007年5月2日 上海森昌 1
　  7 無需模數轉換器的單片機信號采樣裝置 中國 ZL2006200414173 2007年5月2日 上海森昌 1
　  已申請與項目直接相關的發明專利情況表
　  序號 專利名稱 專利申請國 申請號 專利申請日 團隊申請人 排序
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