高效率太陽能逆變器

從人類進(jìn)入文明社會早期開始，我們的祖先就受益于太陽能，例如，進(jìn)行照明、加熱以及烹飪等。太陽使許多生態(tài)能量以生物的形式固定下來，以及通過天氣，甚至風(fēng)的作用施加影響。隨著礦物燃料成本的逐步提高，美國社會正在促進(jìn)太陽能的使用，如用于加熱，特別是使用一流的、可靠的，可以接入輸電網(wǎng)絡(luò)中的太陽能電池光伏系統(tǒng)。

太陽能電池的作用從誕生一個(gè)多世紀(jì)以來，已經(jīng)被人熟知，而且電池面板的普及應(yīng)用也已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)了。太陽能電池面板由石英硅單元或者采用新型薄膜技術(shù)的單元組成。在民用照明系統(tǒng)中，太陽光通過電池面板轉(zhuǎn)換成直流電，然后通過一個(gè)電子太陽能并網(wǎng)逆變器用于和電網(wǎng)互連。

與太陽能電池面板相比，逆變器由于本身固有的復(fù)雜性，被認(rèn)為是系統(tǒng)中可靠性最低的一部分。因此，如果希望系統(tǒng)有超過20年的使用壽命，并具有很高的客戶滿意度，那么選擇聲譽(yù)良好的供應(yīng)商和簽訂有益的保障條款就變得極為重要。

圖1 常規(guī)意義的平坦效率特征曲線圖

本文主要講述對系統(tǒng)性能有最大影響的串聯(lián)逆變器中3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：串聯(lián)的數(shù)量、光電轉(zhuǎn)換效率以及系統(tǒng)監(jiān)控。

串聯(lián)的數(shù)量
串連的數(shù)量是系統(tǒng)要求的電池面板數(shù)量和類型與逆變器之間的匹配。在選擇電池面板和逆變器時(shí)，理解所使用的技術(shù)或當(dāng)?shù)貒揖幋a規(guī)范所要求的接地類型是非常重要的。石英面板在大部分地區(qū)使用時(shí)是無需接地的，但是由于表面充電累積效應(yīng)的影響，有一種高效的后端連接面板需要正極接地以避免效率損失。

在薄膜技術(shù)中使用透明氧化傳導(dǎo)（Transparent Oxide Conducting：TCO）技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)表明，由于離子遷移現(xiàn)象，電池面板會被加速腐蝕，因此許多生產(chǎn)商推薦負(fù)極接地。兩種接地方式都需要在逆變器中進(jìn)行電流隔離。幸運(yùn)的是，用于電流隔離的變壓器使在逆變器中采用更寬輸入電壓范圍成為可能。

可以使用的輸入電壓范圍被稱之為最大跟蹤功率點(diǎn)（Maximum Power Point Tracking：MPPT），也就是逆變器可以從串聯(lián)面板中所提取的最大功率。串聯(lián)電壓會隨著溫度的變化而有很大的波動，所以必須使之穩(wěn)定地落在額定范圍內(nèi)。美國國家電氣編碼規(guī)范要求逆變器必須能夠容忍最高達(dá)600V的直流輸入電壓，這種非常寬的MPPT范圍為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來了極大的靈活性。

光電轉(zhuǎn)換效率
峰值電能轉(zhuǎn)換效率不是逆變器輸出最大功率能力的可靠測量指標(biāo)。每天乃至季節(jié)的不同都會發(fā)生太陽光線強(qiáng)度的變化。一個(gè)平坦的效率特性曲線通常如圖1所描述的那樣。

表1 加權(quán)效率參數(shù)中的系數(shù)和光照百分比關(guān)系表

為了比較逆變器接近真實(shí)工作條件的效率，幾個(gè)社會團(tuán)體已經(jīng)提出了一種加權(quán)效率，用于在不同光照條件下衡量電能轉(zhuǎn)換效率。表1描述了加權(quán)系數(shù)和光照百分比之間的關(guān)系。

此外，除了針對位置的加權(quán)效率參數(shù)外，評估逆變器性能的低喚醒功率電平和低夜間功率損耗參數(shù)也是非常重要的。與系統(tǒng)最初幾小時(shí)收集的能量相比，在清晨和午后所收集的能量，以及夜間使用的能量只占其中的很少一部分。這兩個(gè)參數(shù)不會在峰值效率或加權(quán)效率測量中體現(xiàn)，而且在逆變器以相同效率收集的總能量中也有很大的不同。

太陽能電池面板之間連接的不同拓?fù)湫问揭才c可獲得的峰值效率相關(guān)。在歐洲，無變壓器逆變器可以獲得最高的電能轉(zhuǎn)換效率，主要是由于其直流輸入電壓允許高達(dá)1000V。在北美，基于上述提到的電壓輸入范圍的原因，600V的限制使雙階無變壓器或高效率的隔離逆變器成為最好的選擇，但是這些實(shí)現(xiàn)方法比單階無變壓器逆變器的效率要低。

最近，歐洲發(fā)明了一種新型的具有電流隔離功能的逆變器，通過使用高頻變壓器所帶來的優(yōu)勢使它非常適合北美市場。該逆變器的峰值功率效率可以達(dá)到97.3%，CEC標(biāo)準(zhǔn)效率可以達(dá)到97.0%，歐洲標(biāo)準(zhǔn)效率達(dá)到96.9%。它不僅可以勝任采用高頻變壓器的隔離設(shè)計(jì)，也能夠勝任大多數(shù)采用無變壓器的設(shè)計(jì)。

對電信領(lǐng)域中關(guān)鍵有效負(fù)荷進(jìn)行絕對保障的經(jīng)驗(yàn)使生產(chǎn)商將電信零電壓、零電流切換技術(shù)移植到有同等嚴(yán)格要求的并網(wǎng)逆變器應(yīng)用中，而無須在設(shè)備壽命或可靠性方面讓步。為了減小磁性器件的體積，更快速的開關(guān)MOSFET器件被用于替代比較慢的IGBT器件，并成為逆變器領(lǐng)域中的核心器件。

對于世界范圍內(nèi)的太陽能電池光伏產(chǎn)業(yè)，具有挑戰(zhàn)性的降成本努力關(guān)乎到企業(yè)的生存。實(shí)際上，歐洲的研究已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向無變壓器拓?fù)渲械母唛_關(guān)頻率，其目的是通過調(diào)整逆變器的體積和重量來減小逆變器的總體體積，進(jìn)而也降低了維護(hù)成本。

然而這項(xiàng)研究使用了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的碳化硅（Silicon Carbide：SiC）技術(shù)器件，該器件的可靠性和硅MOSFET器件的電流能力還沒有得到證實(shí)。但是，應(yīng)用于通過降低重量和實(shí)現(xiàn)最高效率的最低成本面板中的逆變器和業(yè)界降低系統(tǒng)成本的努力是一致的。

系統(tǒng)監(jiān)控
系統(tǒng)監(jiān)控的手段對總體擁有成本有決定性的影響（見圖2）。在安裝過程中，易于啟動就意味著更低的成本。有些逆變器具有對單個(gè)或多個(gè)逆變器進(jìn)行編程而不需要外部接口或計(jì)算機(jī)的能力。在系統(tǒng)啟動和正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都提供清晰的信息顯示。從單行的文本顯示到真彩色的圖形顯示，從常規(guī)鍵盤輸入到觸摸屏輸入都是可以獲得的。

圖2  內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)瀏覽服務(wù)器使用戶、生產(chǎn)商和安裝工人都可以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)

最好的監(jiān)控系統(tǒng)就是滿足用戶的需要。系統(tǒng)的顯示質(zhì)量和通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問的能力都需要增加額外的成本。然而，近些年來，至少有兩家歐洲公司在他們的逆變器中提供了內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)瀏覽服務(wù)器。這不僅使用戶，而且使生產(chǎn)商和安裝工人都可以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其目的就是為了降低系統(tǒng)保證工作20年的成本，并能夠提供具有預(yù)見性的、競爭力的維護(hù)服務(wù)承諾，以及提供接入未來智能電網(wǎng)的功能。

業(yè)界正向具有先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能、創(chuàng)新型高效隔離逆變器的方向發(fā)展。在北美，逆變器技術(shù)領(lǐng)域最新的進(jìn)展為太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)新的范例，它包括僅在以前的歐洲高壓系統(tǒng)中才能夠見到的隔離和高效率優(yōu)點(diǎn)，而不必在系統(tǒng)可靠性、使用壽命、易于安裝和使用方面做出讓步。遵循美國編碼規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也使得它在2011年就能夠在美國廣泛布署。