2014年03月20日08:46
在府中事务所，从三菱电机采购的IGBT（绝缘栅极型双极晶体管）功率半导体经过检查工序后，组装成PCS用和UPS用单元。IGBT是一种半导体元件，用来控制在极短时间内切断或导通电流的“开关动作”，是把电流由直流转换成交流的PCS和UPS产品的心脏。TMEIC的PCS能确保高份额，不仅仅是因为利用了UPS积累的技术开发和生产经验，快速实现产品化并构筑了生产体制，而且还在采用IGBT的电力转换电路中使用了自主开发的设计，提高了转换效率，由此才实现了业界领先的地位。
以前，将直流电流转换成交流，需要使用两个IGBT开关，以形成交流的正弦波。但此时会产生称为“开关损耗”的电流损耗。这是造成PCS转换效率降低的最大原因。对此，TMEIC采用了使用4个IGBT形成交流正弦波的“3级转换电路”（Advanced Multi-level Inverter，图4）。据称通过把波形分割成3份，以4个IGBT分担来转换，可降低一次开关动作的压力，损耗也会随之减小。这种电路设计的创意以前就广为人知，但因在材料方面等存在课题，迟迟未能投产。TMEIC于2010年在业界率先上市了采用“3级转换电路”的PCS，其最高转换效率达到了98.6％（630kW机型，图5）。
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| 图4：“3级转换电路”采用4个功率半导体（IGBT）。与原来相比，通过大幅减少开关损耗来提高效率 （出处：TMEIC） |
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| 图5：基于MPPT（最大功率点跟踪控制）的输出曲线 （出处：TMEIC） |
之后，其他PCS厂商也上市了采用不同设计思想的“3级转换电路”产品，这些产品在额定输出时的最高效率上基本没有差别。但是，很多人说，“在光伏发电系统中，与额定输出时的最高效率同样重要的，是相应于日照和气温可使发电量最大化的MPPT（最大功率点跟踪控制），TMEIC的PCS在这点上比较出色”（大型设计及施工业者）。太阳能电池的电流和电压特性随着日照量和气温时刻都在变化。因MPPT就是可在短时间内找到发电量最多的功率点（电流、电压值），并实施控制以防止偏离该点，因而MPPT的优劣直接关系到发电量的多寡。如果MPPT的追踪慢，则在日照和温度变化大的早晚时段，转换效率会降低，而TMEIC的PCS在早晚时段的转换效率损耗较少。
综合控制PCS的“主站点控制器”威力大
TMEIC的藤原直树组长说，“最近，跟MPPT一样，人们也意识到了过载的重要性”。过载是指拥有输出功率可短暂超过额定输出功率的性能，这主要得益于对高耐压的支持。TMEIC的630kW机型因工作范围达550～950V的MPPT，可实现750kW的输出功率。这种特性在发生“Cloud Edge”时以及对达成FRT（故障穿越）条件也能发挥作用。Cloud Edge是指有缝隙的云断断续续遮住太阳时发生的现象，在日照量达到通常的1.2～1.3倍后突然急剧减少。而FRT是指在系统电力瞬间停止导致电压骤降时也能继续供电的功能。两种情况均需要以一时的高于平时的电压来维持输出功率。TMEIC的PCS之所以在高电压区也能实现MPPT，是因为该公司的“3级转换电路”的4个IGBT全部具备1200V的耐压，这也是优于其他公司之处。
并且，过载功能与“主站点控制器（MSC）”组合使用时，还有助于直接增加发电量。MSC是统管多台PCS的控制系统，在海外已经供货了约100MW的产品。在发电与供电分离的美国等，有专门负责电力供需平衡的ISO（独立系统运营商）。随着百万瓦级光伏电站的大量建设，为实现供需平衡和系统稳定，要求光伏电站具备根据ISO的远程指令停止或开始运转，以及输出和功率控制等的功能，TMEIC为满足这种需求，开发并供货了MSC。
MSC不但能根据ISO的指令控制百万瓦级光伏电站整体的输出，还可以监控配备过载功能的多台PCS的输出情况，同时使百万瓦级光伏电站整体的输出功率最大化。例如，百万瓦级光伏电站被云部分遮住时，即使阴影部分的太阳能电池板连接的PCS的输出功率降至额定功率的80％，如果未遮挡照射区域的PCS有额定功率120％的输出功率，就能确保百万瓦级光伏电站整体的额定输出功率。这种控制由MSC统合多台PCS而首次得以实现的（图6）。
图6：由主站点控制器（MSC）使发电量最大化的原理 （出处：TMEIC）
而且，这种MSC功能在太阳能电池板的输出功率大幅超过PCS输出功率的“过积载”型百万瓦级光伏电站中更能发挥效果。目前，日本的过积载百万瓦级光伏电站一直在控制各PCS不输出超过额定值的电力。采用MSC，如果有输出功率在额定功率以下的PCS，只要利用过载功能使其他PCS输出超过额定功率的电力，发电站整体就能维持并网协议允许的最大输出功率。
首次接到北美1667kW机型订单
TMEIC着眼于未来，已在着手组合MSC与蓄电池系统的尝试。在电力系统的规模相对较小的地区，新设置百万瓦级光伏电站时，有的会并设蓄电池，以抑制输出功率的剧烈变动。如果MSC能统一控制百万瓦级光伏电站的PCS和蓄电池的PCS，那么在百万瓦级光伏电站的输出功率激增时也能以MSC加以抑制，这样可以大幅减少蓄电池的设置容量。
百万瓦级光伏电站用PCS开发竞争的主战场已经从单纯提高转换效率转移到了如何增加发电量上。TMEIC的业务范围从3级转换电路到MPPT再到MSC，就是说从元器件水平一直可延伸到百万瓦级光伏电站整体的系统控制，通过使发电量最大化，该公司巩固了其在PCS领域作为日本顶级企业的地位。
不仅如此，TMEIC还强化了海外业务的开展。除了已经供货约100MW产品的北美外，2013年7月还首次从印度接到了25MW的订单。2013年在美国市场上市的1667kW机型也拿到了第一笔订单。主力机型不但符合国际电气标准规格IEC和北美安全规格UL/CSA，还取得了中国的并网安全规格“金太阳认证”，开始开拓中国市场。TMEIC推出了行业首款无冷却扇的自然空冷构造100kW机型，适合设置在沙漠等严酷的环境下，在海外的评价很高。今后，该公司还打算推出不采用风扇的大型机型，以高发电量和易维护性为主要武器开拓市场。（作者：金子 宪治，日经技术在线！供稿）
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