2014年03月20日08:46
在府中事務所，從三菱電機採購的IGBT（絕緣柵極型雙極晶體管）功率半導體經過檢查工序后，組裝成PCS用和UPS用單元。IGBT是一種半導體元件，用來控制在極短時間內切斷或導通電流的“開關動作”，是把電流由直流轉換成交流的PCS和UPS產品的心臟。TMEIC的PCS能確保高份額，不僅僅是因為利用了UPS積累的技術開發和生產經驗，快速實現產品化並構筑了生產體制，而且還在採用IGBT的電力轉換電路中使用了自主開發的設計，提高了轉換效率，由此才實現了業界領先的地位。
以前，將直流電流轉換成交流，需要使用兩個IGBT開關，以形成交流的正弦波。但此時會產生稱為“開關損耗”的電流損耗。這是造成PCS轉換效率降低的最大原因。對此，TMEIC採用了使用4個IGBT形成交流正弦波的“3級轉換電路”（Advanced Multi-level Inverter，圖4）。據稱通過把波形分割成3份，以4個IGBT分擔來轉換，可降低一次開關動作的壓力，損耗也會隨之減小。這種電路設計的創意以前就廣為人知，但因在材料方面等存在課題，遲遲未能投產。TMEIC於2010年在業界率先上市了採用“3級轉換電路”的PCS，其最高轉換效率達到了98.6％（630kW機型，圖5）。
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| 圖4：“3級轉換電路”採用4個功率半導體（IGBT）。與原來相比，通過大幅減少開關損耗來提高效率 （出處：TMEIC） |
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| 圖5：基於MPPT（最大功率點跟蹤控制）的輸出曲線 （出處：TMEIC） |
之后，其他PCS廠商也上市了採用不同設計思想的“3級轉換電路”產品，這些產品在額定輸出時的最高效率上基本沒有差別。但是，很多人說，“在光伏發電系統中，與額定輸出時的最高效率同樣重要的，是相應於日照和氣溫可使發電量最大化的MPPT（最大功率點跟蹤控制），TMEIC的PCS在這點上比較出色”（大型設計及施工業者）。太陽能電池的電流和電壓特性隨著日照量和氣溫時刻都在變化。因MPPT就是可在短時間內找到發電量最多的功率點（電流、電壓值），並實施控制以防止偏離該點，因而MPPT的優劣直接關系到發電量的多寡。如果MPPT的追蹤慢，則在日照和溫度變化大的早晚時段，轉換效率會降低，而TMEIC的PCS在早晚時段的轉換效率損耗較少。
綜合控制PCS的“主站點控制器”威力大
TMEIC的藤原直樹組長說，“最近，跟MPPT一樣，人們也意識到了過載的重要性”。過載是指擁有輸出功率可短暫超過額定輸出功率的性能，這主要得益於對高耐壓的支持。TMEIC的630kW機型因工作范圍達550∼950V的MPPT，可實現750kW的輸出功率。這種特性在發生“Cloud Edge”時以及對達成FRT（故障穿越）條件也能發揮作用。Cloud Edge是指有縫隙的雲斷斷續續遮住太陽時發生的現象，在日照量達到通常的1.2∼1.3倍后突然急劇減少。而FRT是指在系統電力瞬間停止導致電壓驟降時也能繼續供電的功能。兩種情況均需要以一時的高於平時的電壓來維持輸出功率。TMEIC的PCS之所以在高電壓區也能實現MPPT，是因為該公司的“3級轉換電路”的4個IGBT全部具備1200V的耐壓，這也是優於其他公司之處。
並且，過載功能與“主站點控制器（MSC）”組合使用時，還有助於直接增加發電量。MSC是統管多台PCS的控制系統，在海外已經供貨了約100MW的產品。在發電與供電分離的美國等，有專門負責電力供需平衡的ISO（獨立系統運營商）。隨著百萬瓦級光伏電站的大量建設，為實現供需平衡和系統穩定，要求光伏電站具備根據ISO的遠程指令停止或開始運轉，以及輸出和功率控制等的功能，TMEIC為滿足這種需求，開發並供貨了MSC。
MSC不但能根據ISO的指令控制百萬瓦級光伏電站整體的輸出，還可以監控配備過載功能的多台PCS的輸出情況，同時使百萬瓦級光伏電站整體的輸出功率最大化。例如，百萬瓦級光伏電站被雲部分遮住時，即使陰影部分的太陽能電池板連接的PCS的輸出功率降至額定功率的80％，如果未遮擋照射區域的PCS有額定功率120％的輸出功率，就能確保百萬瓦級光伏電站整體的額定輸出功率。這種控制由MSC統合多台PCS而首次得以實現的（圖6）。
圖6：由主站點控制器（MSC）使發電量最大化的原理 （出處：TMEIC）
而且，這種MSC功能在太陽能電池板的輸出功率大幅超過PCS輸出功率的“過積載”型百萬瓦級光伏電站中更能發揮效果。目前，日本的過積載百萬瓦級光伏電站一直在控制各PCS不輸出超過額定值的電力。採用MSC，如果有輸出功率在額定功率以下的PCS，隻要利用過載功能使其他PCS輸出超過額定功率的電力，發電站整體就能維持並網協議允許的最大輸出功率。
首次接到北美1667kW機型訂單
TMEIC著眼於未來，已在著手組合MSC與蓄電池系統的嘗試。在電力系統的規模相對較小的地區，新設置百萬瓦級光伏電站時，有的會並設蓄電池，以抑制輸出功率的劇烈變動。如果MSC能統一控制百萬瓦級光伏電站的PCS和蓄電池的PCS，那麼在百萬瓦級光伏電站的輸出功率激增時也能以MSC加以抑制，這樣可以大幅減少蓄電池的設置容量。
百萬瓦級光伏電站用PCS開發競爭的主戰場已經從單純提高轉換效率轉移到了如何增加發電量上。TMEIC的業務范圍從3級轉換電路到MPPT再到MSC，就是說從元器件水平一直可延伸到百萬瓦級光伏電站整體的系統控制，通過使發電量最大化，該公司鞏固了其在PCS領域作為日本頂級企業的地位。
不僅如此，TMEIC還強化了海外業務的開展。除了已經供貨約100MW產品的北美外，2013年7月還首次從印度接到了25MW的訂單。2013年在美國市場上市的1667kW機型也拿到了第一筆訂單。主力機型不但符合國際電氣標准規格IEC和北美安全規格UL/CSA，還取得了中國的並網安全規格“金太陽認証”，開始開拓中國市場。TMEIC推出了行業首款無冷卻扇的自然空冷構造100kW機型，適合設置在沙漠等嚴酷的環境下，在海外的評價很高。今后，該公司還打算推出不採用風扇的大型機型，以高發電量和易維護性為主要武器開拓市場。（作者：金子 憲治，日經技術在線！供稿）
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