太陽能逆變器的應(yīng)用與發(fā)展前景

近年來，太陽能由于具有眾多的環(huán)保和經(jīng)濟方面的好處以及久經(jīng)驗證的可靠性，因而成為一種主要的再生能源形態(tài)。由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)不含運動部件，所以系統(tǒng)一旦安裝完成后，實際上并不需要任何維護。本文介紹太陽能光伏技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，并重點探討太陽能逆變器的發(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)達地區(qū)最流行的家庭和企業(yè)級太陽能光伏發(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)，賣給公用機構(gòu)。當沒有太陽時，再從電網(wǎng)輸出電力。逆變器用來將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電(DC)轉(zhuǎn)換為運行一般電氣設(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場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)通過充電控制器連接到電池?？梢允褂靡粋€逆變器提供交流電源，供普通電器使用。典型的離網(wǎng)應(yīng)用是為偏遠地區(qū)(如山區(qū)房屋和發(fā)展中國家的地區(qū))供電。農(nóng)村電氣化是指如下兩類應(yīng)用：可滿足一個家庭基本用電需求的小型家用太陽能系統(tǒng)；或可為幾個家庭提供足夠電能、稍大些的小型太陽能電網(wǎng)。

混合系統(tǒng)：太陽能系統(tǒng)可與其它種類的能源(例如生物質(zhì)能發(fā)電、風力發(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。混合動力系統(tǒng)可以是并網(wǎng)的、獨立的或由電網(wǎng)提供后備支持。

離網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用：在電信領(lǐng)域，經(jīng)常需要把太陽能發(fā)電用于遠程應(yīng)用，尤其是在需要將偏遠農(nóng)村地區(qū)與國內(nèi)其它地區(qū)連接起來的場合。由光伏或混合動力系統(tǒng)供電的移動電話中繼站應(yīng)用，也有很大潛力。其它應(yīng)用還包括：交通信號燈、海航支持系統(tǒng)、保安電話、遠程照明、公路標志和廢水處理廠等。因為它們能為那些電力傳送不到的地區(qū)提供動力，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。

太陽能光伏逆變器

一個典型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池板陣列和逆變器組成。光伏電池板將太陽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)的過程。此外，逆變器還必須滿足用戶、設(shè)備和電網(wǎng)本身對安全的要求。

逆變器可采用若干種拓撲結(jié)構(gòu)。其中之一是使用H橋驅(qū)動的線性變壓器。這是最簡單、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)避了直流電流進入電網(wǎng)的這種應(yīng)盡力避免的情況發(fā)生。不過，線性變壓器嚴重的功率損耗會導致低效率，這是這種拓撲結(jié)構(gòu)的缺點；線性變壓器的大個頭和重量，也是該拓撲的缺陷。

利用輸出電感取代笨重的線性變壓器是另一種拓撲結(jié)構(gòu)。這種方法在所有拓撲中的效率最高；與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。但其缺點是，不會在電網(wǎng)和光伏電池板間提供任何形式的電氣隔離。一些管控條例嚴格的國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)換器部分實現(xiàn)MPPT功能是上述方案的另一個好處。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太陽能逆變器平臺

Sun Farmer太陽能逆變器平臺是IMI新加坡研發(fā)團隊研制的第一款逆變器產(chǎn)品，其輸出端采用了無變壓器的拓撲結(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)機制的相移DC-DC轉(zhuǎn)換器，以減少半導體器件的開關(guān)損耗；在輸出端則采用全橋拓撲驅(qū)動兩個電感。

這款I(lǐng)MI太陽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語言開發(fā)的。

微處理器執(zhí)行的任務(wù)包括，DC-DC部分的MPPT跟蹤機制；電網(wǎng)電壓過零檢測；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；有功功率和無功功率計算；以及其它保護功能。

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)。它會自動檢測電網(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。這款太陽能逆變器的目標壽命是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)當發(fā)生故障時，必須要觀察孤島情況。當發(fā)生孤島情況時，必須立即將光伏發(fā)電系統(tǒng)與主電網(wǎng)斷開。若光伏輸出與負載匹配，則光伏系統(tǒng)可以繼續(xù)僅為本地負載供電。不過，如果在發(fā)生孤島情況期間，光伏系統(tǒng)沒有與主電網(wǎng)斷開，則將有瞬時過電流經(jīng)過光伏系統(tǒng)逆變器，從而可能損壞斷路器等保護設(shè)備。

必須保護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)無法控制孤島的電壓和頻率，從而有可能在電網(wǎng)無法控制的情況下?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連至其電網(wǎng)的客戶設(shè)備的電氣損壞負責。

(3）孤島可能對電力系統(tǒng)員工或公眾造成危害，因為它會使那些通常被認為已與所有勵源斷開的線路帶電。

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

（5）孤島可能會干擾公共機構(gòu)為恢復(fù)正常服務(wù)而手動或自動恢復(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

未來的太陽能逆變器需要具備以下特性。

更高的效率：目前，美國市場上逆變器的最高效率可達95％。在歐洲，由于采用無變壓器的設(shè)計和創(chuàng)新的拓撲結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)更高效率。例如：有一款產(chǎn)品(SMA Sunny Mini Central 8000TL)就聲稱可達到98％的效率。

更低的成本：大約0.2-0.3美元/瓦的價格已被設(shè)定為2020年逆變器的價格目標，這意味著比目前售價降低了50-75％。這個目標最有可能通過增加產(chǎn)量和改善學習曲線來實現(xiàn)。

更高可靠性：目前，逆變器的MTBF(平均無故障時間)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(即25年)。但很多人懷疑，是否有可能以合理的成本實現(xiàn)這樣的目標。在中近期，通過改進質(zhì)量控制、更好地散熱并降低復(fù)雜性，MTBF大于10年的目標是可能實現(xiàn)的。

先進的通信功能：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)使用通用的通信標準傳送更全面的系統(tǒng)信息，以實現(xiàn)先進的診斷功能，并能與公用服務(wù)機構(gòu)通信，以支持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

本文小結(jié)

Sun Farmer太陽能逆變器平臺項目是一個試點項目，它最終將為未來采用替代能源的能量采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)鋪平道路。目前大多數(shù)發(fā)達國家已開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的環(huán)境問題，未來幾十年，節(jié)能產(chǎn)品和能量采集系統(tǒng)市場將經(jīng)歷一個不斷增長的過程。因此，對Sun Farmer項目設(shè)計和開發(fā)的長期投資將是明智之舉。