太陽(yáng)能逆變器的應(yīng)用與發(fā)展前景

近年來(lái)，太陽(yáng)能由于具有眾多的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)方面的好處以及久經(jīng)驗(yàn)證的可靠性，因而成為一種主要的再生能源形態(tài)。由于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)不含運(yùn)動(dòng)部件，所以系統(tǒng)一旦安裝完成后，實(shí)際上并不需要任何維護(hù)。本文介紹太陽(yáng)能光伏技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，并重點(diǎn)探討太陽(yáng)能逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。

光伏技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

光伏技術(shù)主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

家用并網(wǎng)系統(tǒng)：這是發(fā)達(dá)地區(qū)最流行的家庭和企業(yè)級(jí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用類型。與本地電網(wǎng)的連接，允許將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電能輸送至電網(wǎng)，賣給公用機(jī)構(gòu)。當(dāng)沒(méi)有太陽(yáng)時(shí)，再?gòu)碾娋W(wǎng)輸出電力。逆變器用來(lái)將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電(DC)轉(zhuǎn)換為運(yùn)行一般電氣設(shè)備所需的交流電(AC)。

并網(wǎng)發(fā)電廠：在一個(gè)廠區(qū)位置上，這些也并入電網(wǎng)的系統(tǒng)產(chǎn)生大量光伏電能，其容量從幾百千瓦到幾兆瓦。其中一些電廠位于機(jī)場(chǎng)或火車站等大型工業(yè)建筑內(nèi)，這類電廠利用已有的可用空間，補(bǔ)償了高耗能用戶所需的部分電能。

農(nóng)村電氣化離網(wǎng)系統(tǒng)：在不通電的地方，光伏系統(tǒng)通過(guò)充電控制器連接到電池?？梢允褂靡粋€(gè)逆變器提供交流電源，供普通電器使用。典型的離網(wǎng)應(yīng)用是為偏遠(yuǎn)地區(qū)(如山區(qū)房屋和發(fā)展中國(guó)家的地區(qū))供電。農(nóng)村電氣化是指如下兩類應(yīng)用：可滿足一個(gè)家庭基本用電需求的小型家用太陽(yáng)能系統(tǒng)；或可為幾個(gè)家庭提供足夠電能、稍大些的小型太陽(yáng)能電網(wǎng)。

混合系統(tǒng)：太陽(yáng)能系統(tǒng)可與其它種類的能源(例如生物質(zhì)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電或柴油發(fā)電)組合在一起，以確保持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)電力?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可以是并網(wǎng)的、獨(dú)立的或由電網(wǎng)提供后備支持。

離網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用：在電信領(lǐng)域，經(jīng)常需要把太陽(yáng)能發(fā)電用于遠(yuǎn)程應(yīng)用，尤其是在需要將偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)與國(guó)內(nèi)其它地區(qū)連接起來(lái)的場(chǎng)合。由光伏或混合動(dòng)力系統(tǒng)供電的移動(dòng)電話中繼站應(yīng)用，也有很大潛力。其它應(yīng)用還包括：交通信號(hào)燈、海航支持系統(tǒng)、保安電話、遠(yuǎn)程照明、公路標(biāo)志和廢水處理廠等。因?yàn)樗鼈兡転槟切╇娏魉筒坏降牡貐^(qū)提供動(dòng)力，從而避免了鋪設(shè)線網(wǎng)的高成本，所以，目前這些應(yīng)用具有成本優(yōu)勢(shì)。

太陽(yáng)能光伏逆變器

一個(gè)典型的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏電池板陣列和逆變器組成。光伏電池板將太陽(yáng)光線以直流電壓的形式直接轉(zhuǎn)化為電能；逆變器將光伏電池板產(chǎn)生的直流電壓轉(zhuǎn)換成可送至電網(wǎng)的交流電壓。因此，逆變器已成為并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的核心部件。

逆變器除應(yīng)具有高效率的DC/AC轉(zhuǎn)換和最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)等特性外，還應(yīng)能滿足所要求的質(zhì)量――低的總諧波失真(THD)電流、高功率因數(shù)(接近1)和低的電磁干擾水平，提供交流電，盡可能優(yōu)化能源從光伏陣列輸送到電網(wǎng)的過(guò)程。此外，逆變器還必須滿足用戶、設(shè)備和電網(wǎng)本身對(duì)安全的要求。

逆變器可采用若干種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中之一是使用H橋驅(qū)動(dòng)的線性變壓器。這是最簡(jiǎn)單、最可靠的方式，它可提供電網(wǎng)和直流前端之間的完全隔離。它還規(guī)避了直流電流進(jìn)入電網(wǎng)的這種應(yīng)盡力避免的情況發(fā)生。不過(guò)，線性變壓器嚴(yán)重的功率損耗會(huì)導(dǎo)致低效率，這是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)；線性變壓器的大個(gè)頭和重量，也是該拓?fù)涞娜毕荨?/p>

利用輸出電感取代笨重的線性變壓器是另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種方法在所有拓?fù)渲械男首罡撸慌c采用線性變壓器的逆變器相比，因輸出電感的體積小，所以這種逆變器要輕得多、也更具成本效益。但其缺點(diǎn)是，不會(huì)在電網(wǎng)和光伏電池板間提供任何形式的電氣隔離。一些管控條例嚴(yán)格的國(guó)家是不允許使用此類逆變器的。

因此，變頻器廠家想方設(shè)法要把高頻、高效、小巧輕便的變壓器做進(jìn)前端DC/DC轉(zhuǎn)換器。這樣，它不僅提供了電網(wǎng)和光伏電池板之間的電氣隔離，還為逆變器提供了調(diào)節(jié)和受控的直流母線電壓。而且，可以在DC-DC轉(zhuǎn)換器部分實(shí)現(xiàn)MPPT功能是上述方案的另一個(gè)好處。逆變器內(nèi)的MPPT系統(tǒng)可確保逆變器在各種天氣條件下，以及在一天內(nèi)的任何時(shí)段，始終都工作于光伏電池板可以輸出的最大功率。

Sun Farmer太陽(yáng)能逆變器平臺(tái)

Sun Farmer太陽(yáng)能逆變器平臺(tái)是IMI新加坡研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制的第一款逆變器產(chǎn)品，其輸出端采用了無(wú)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并輔之以在前端DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)采用小型高頻高效變壓器。該產(chǎn)品帶有零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)機(jī)制的相移DC-DC轉(zhuǎn)換器，以減少半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)損耗；在輸出端則采用全橋拓?fù)潋?qū)動(dòng)兩個(gè)電感。

這款I(lǐng)MI太陽(yáng)能逆變器的核心是一顆32位微處理器，它具有用于并網(wǎng)操作電源管理和MPPT算法的全數(shù)字控制算法，固件是用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。

微處理器執(zhí)行的任務(wù)包括，DC-DC部分的MPPT跟蹤機(jī)制；電網(wǎng)電壓過(guò)零檢測(cè)；使用PLL的電網(wǎng)相同步；電網(wǎng)電壓和電流的Park和反Park變換；有功功率和無(wú)功功率計(jì)算；以及其它保護(hù)功能。

Sun Farmer逆變器的特別之處在于：一旦連接到光伏電池，就不再需要用戶干預(yù)。它會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的存在，并控制其輸出電壓與電網(wǎng)電壓、頻率和相位同步。這款太陽(yáng)能逆變器的目標(biāo)壽命是8年以上。

逆變器的安全特性也很重要。連接光伏系統(tǒng)的電網(wǎng)當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，必須要觀察孤島情況。當(dāng)發(fā)生孤島情況時(shí)，必須立即將光伏發(fā)電系統(tǒng)與主電網(wǎng)斷開(kāi)。若光伏輸出與負(fù)載匹配，則光伏系統(tǒng)可以繼續(xù)僅為本地負(fù)載供電。不過(guò)，如果在發(fā)生孤島情況期間，光伏系統(tǒng)沒(méi)有與主電網(wǎng)斷開(kāi)，則將有瞬時(shí)過(guò)電流經(jīng)過(guò)光伏系統(tǒng)逆變器，從而可能損壞斷路器等保護(hù)設(shè)備。

必須保護(hù)光伏或其它任一種分布式發(fā)電系統(tǒng)免受孤島現(xiàn)象的損害，主要原因如下：

（1） 電網(wǎng)無(wú)法控制孤島的電壓和頻率，從而有可能在電網(wǎng)無(wú)法控制的情況下?lián)p壞客戶端設(shè)備。

（2） 公用設(shè)施以及分布式光伏能源的所有者需要對(duì)連至其電網(wǎng)的客戶設(shè)備的電氣損壞負(fù)責(zé)。

(3）孤島可能對(duì)電力系統(tǒng)員工或公眾造成危害，因?yàn)樗鼤?huì)使那些通常被認(rèn)為已與所有勵(lì)源斷開(kāi)的線路帶電。

(4）孤島重新并網(wǎng)后，可能會(huì)由于相移閉合導(dǎo)致線路重新跳閘、或損壞分布式能源產(chǎn)生設(shè)備或連接的其它設(shè)備。

（5）孤島可能會(huì)干擾公共機(jī)構(gòu)為恢復(fù)正常服務(wù)而手動(dòng)或自動(dòng)恢復(fù)電網(wǎng)的操作。

除了具有防范孤島危害的功能外，逆變器還需要滿足特定地區(qū)提出的各中具體安全條例和規(guī)范。

逆變器的未來(lái)

未來(lái)的太陽(yáng)能逆變器需要具備以下特性。

更高的效率：目前，美國(guó)市場(chǎng)上逆變器的最高效率可達(dá)95％。在歐洲，由于采用無(wú)變壓器的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)更高效率。例如：有一款產(chǎn)品(SMA Sunny Mini Central 8000TL)就聲稱可達(dá)到98％的效率。

更低的成本：大約0.2-0.3美元/瓦的價(jià)格已被設(shè)定為2020年逆變器的價(jià)格目標(biāo)，這意味著比目前售價(jià)降低了50-75％。這個(gè)目標(biāo)最有可能通過(guò)增加產(chǎn)量和改善學(xué)習(xí)曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

更高可靠性：目前，逆變器的MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間)為5~10年。理想情況是，逆變器的壽命應(yīng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的其它組件一樣長(zhǎng)(即25年)。但很多人懷疑，是否有可能以合理的成本實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)。在中近期，通過(guò)改進(jìn)質(zhì)量控制、更好地散熱并降低復(fù)雜性，MTBF大于10年的目標(biāo)是可能實(shí)現(xiàn)的。

先進(jìn)的通信功能：今天，逆變器可以記錄并借助制造商特定的協(xié)議傳遞信息。下一代單元應(yīng)使用通用的通信標(biāo)準(zhǔn)傳送更全面的系統(tǒng)信息，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的診斷功能，并能與公用服務(wù)機(jī)構(gòu)通信，以支持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

本文小結(jié)

Sun Farmer太陽(yáng)能逆變器平臺(tái)項(xiàng)目是一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，它最終將為未來(lái)采用替代能源的能量采集系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)鋪平道路。目前大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始采取措施解決溫室氣體排放，并正在努力解決由全球變暖帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，未來(lái)幾十年，節(jié)能產(chǎn)品和能量采集系統(tǒng)市場(chǎng)將經(jīng)歷一個(gè)不斷增長(zhǎng)的過(guò)程。因此，對(duì)Sun Farmer項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期投資將是明智之舉。