太阳能逆变器的现在与未来

IMI新加坡研发中心

近年来，太阳能由于具有众多的环保和经济方面的好处以及久经验证的可靠性，因而成为一种主要的再生能源形态。由于太阳能发电系统不含运动部件，所以系统一旦安装完成后，实际上并不需要任何维护。本文介绍太阳能光伏技术的主要应用领域，并重点探讨太阳能逆变器的发展现状和应用前景。

光伏技术应用领域

光伏技术主要应用于以下领域：

家用并网系统：这是发达地区最流行的家庭和企业级太阳能光伏发电系统应用类型。与本地电网的连接，允许将光伏系统产生的多余电能输送至电网，卖给公用机构。当没有太阳时，再从电网输出电力。逆变器用来将光伏系统产生的直流电(DC)转换为运行一般电气设备所需的交流电(AC)。

并网发电厂：在一个厂区位置上，这些也并入电网的系统产生大量光伏电能，其容量从几百千瓦到几兆瓦。其中一些电厂位于机场或火车站等大型工业建筑内，这类电厂利用已有的可用空间，补偿了高耗能用户所需的部分电能。

农村电气化离网系统：在不通电的地方，光伏系统通过充电控制器连接到电池。可以使用一个逆变器提供交流电源，供普通电器使用。典型的离网应用是为偏远地区(如山区房屋和发展中国家的地区)供电。农村电气化是指如下两类应用：可满足一个家庭基本用电需求的小型家用太阳能系统；或可为几个家庭提供足够电能、稍大些的小型太阳能电网。

混合系统：太阳能系统可与其它种类的能源(例如生物质能发电、风力发电或柴油发电)组合在一起，以确保持续稳定供应电力。混合动力系统可以是并网的、独立的或由电网提供后备支持。

离网工业应用：在电信领域，经常需要把太阳能发电用于远程应用，尤其是在需要将偏远农村地区与国内其它地区连接起来的场合。由光伏或混合动力系统供电的移动电话中继站应用，也有很大潜力。其它应用还包括：交通信号灯、海航支持系统、保安电话、远程照明、公路标志和废水处理厂等。因为它们能为那些电力传送不到的地区提供动力，从而避免了铺设线网的高成本，所以，目前这些应用具有成本优势。

太阳能光伏逆变器

一个典型的太阳能发电系统由太阳能光伏电池板阵列和逆变器组成。光伏电池板将太阳光线以直流电压的形式直接转化为电能；逆变器将光伏电池板产生的直流电压转换成可送至电网的交流电压。因此，逆变器已成为并网光伏系统的核心部件。

逆变器除应具有高效率的DC/AC转换和最大功率点跟踪(MPPT)等特性外，还应能满足所要求的质量——低的总谐波失真(THD)电流、高功率因数(接近1)和低的电磁干扰水平，提供交流电，尽可能优化能源从光伏阵列输送到电网的过程。此外，逆变器还必须满足用户、设备和电网本身对安全的要求。

逆变器可采用若干种拓扑结构。其中之一是使用H桥驱动的线性变压器。这是最简单、最可靠的方式，它可提供电网和直流前端之间的完全隔离。它还规避了直流电流进入电网的这种应尽力避免的情况发生。不过，线性变压器严重的功率损耗会导致低效率，这是这种拓扑结构的缺点；线性变压器的大个头和重量，也是该拓扑的缺陷。

利用输出电感取代笨重的线性变压器是另一种拓扑结构。这种方法在所有拓扑中的效率最高；与采用线性变压器的逆变器相比，因输出电感的体积小，所以这种逆变器要轻得多、也更具成本效益。但其缺点是，不会在电网和光伏电池板间提供任何形式的电气隔离。一些管控条例严格的国家是不允许使用此类逆变器的。

因此，变频器厂家想方设法要把高频、高效、小巧轻便的变压器做进前端DC/DC转换器。这样，它不仅提供了电网和光伏电池板之间的电气隔离，还为逆变器提供了调节和受控的直流母线电压。而且，可以在DC-DC转换器部分实现MPPT功能是上述方案的另一个好处。逆变器内的MPPT系统可确保逆变器在各种天气条件下，以及在一天内的任何时段，始终都工作于光伏电池板可以输出的最大功率。

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Sun Farmer太阳能逆变器平台

Sun Farmer太阳能逆变器平台是IMI新加坡研发团队研制的第一款逆变器产品，其输出端采用了无变压器的拓扑结构，并辅之以在前端DC-DC转换器内采用小型高频高效变压器。该产品带有零电压转换(ZVT)机制的相移DC-DC转换器，以减少半导体器件的开关损耗；在输出端则采用全桥拓扑驱动两个电感。

这款IMI太阳能逆变器的核心是一颗32位微处理器，它具有用于并网操作电源管理和MPPT算法的全数字控制算法，固件是用C语言开发的。

微处理器执行的任务包括，DC-DC部分的MPPT跟踪机制；电网电压过零检测；使用PLL的电网相同步；电网电压和电流的Park和反Park变换；有功功率和无功功率计算；以及其它保护功能。

Sun Farmer逆变器的特别之处在于：一旦连接到光伏电池，就不再需要用户干预。它会自动检测电网电压的存在，并控制其输出电压与电网电压、频率和相位同步。这款太阳能逆变器的目标寿命是8年以上。

逆变器的安全特性也很重要。连接光伏系统的电网当发生故障时，必须要观察孤岛情况。当发生孤岛情况时，必须立即将光伏发电系统与主电网断开。若光伏输出与负载匹配，则光伏系统可以继续仅为本地负载供电。不过，如果在发生孤岛情况期间，光伏系统没有与主电网断开，则将有瞬时过电流经过光伏系统逆变器，从而可能损坏断路器等保护设备。

必须保护光伏或其它任一种分布式发电系统免受孤岛现象的损害，主要原因如下：

（1） 电网无法控制孤岛的电压和频率，从而有可能在电网无法控制的情况下损坏客户端设备。

（2） 公用设施以及分布式光伏能源的所有者需要对连至其电网的客户设备的电气损坏负责。

(3）孤岛可能对电力系统员工或公众造成危害，因为它会使那些通常被认为已与所有励源断开的线路带电。

(4）孤岛重新并网后，可能会由于相移闭合导致线路重新跳闸、或损坏分布式能源产生设备或连接的其它设备。

（5）孤岛可能会干扰公共机构为恢复正常服务而手动或自动恢复电网的操作。

除了具有防范孤岛危害的功能外，逆变器还需要满足特定地区提出的各中具体安全条例和规范。

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逆变器的未来

未来的太阳能逆变器需要具备以下特性。

更高的效率：目前，美国市场上逆变器的最高效率可达95％。在欧洲，由于采用无变压器的设计和创新的拓扑结构，可实现更高效率。例如：有一款产品(SMA Sunny Mini Central 8000TL)就声称可达到98％的效率。

更低的成本：大约0.2-0.3美元/瓦的价格已被设定为2020年逆变器的价格目标，这意味着比目前售价降低了50-75％。这个目标最有可能通过增加产量和改善学习曲线来实现。

更高可靠性：目前，逆变器的MTBF(平均无故障时间)为5~10年。理想情况是，逆变器的寿命应与光伏发电系统内的其它组件一样长(即25年)。但很多人怀疑，是否有可能以合理的成本实现这样的目标。在中近期，通过改进质量控制、更好地散热并降低复杂性，MTBF大于10年的目标是可能实现的。

先进的通信功能：今天，逆变器可以记录并借助制造商特定的协议传递信息。下一代单元应使用通用的通信标准传送更全面的系统信息，以实现先进的诊断功能，并能与公用服务机构通信，以支持电网的稳定性。

本文小结

Sun Farmer太阳能逆变器平台项目是一个试点项目，它最终将为未来采用替代能源的能量采集系统的进一步开发铺平道路。目前大多数发达国家已开始采取措施解决温室气体排放，并正在努力解决由全球变暖带来的环境问题，未来几十年，节能产品和能量采集系统市场将经历一个不断增长的过程。因此，对Sun Farmer项目设计和开发的长期投资将是明智之举。

图1、并入电网的太阳能光伏逆变器。

图2、 独立（离网）的太阳能逆变器系统。

图3、基于线性变压器的并网逆变器。

图4、不使用变压器的逆变器。

图5、采用高频变压器和电感的并网逆变器。

图6、Sun Farmer逆变器的基本原理图。

图7、Sun Farme太阳能逆变器的金属外壳设计。

图8、Sun Farmer太阳能逆变器的第一款原型。