太陽能逆變器

太陽能交流發電系統是由陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發電系統則不包括逆變

器。逆變器是一種電源轉換裝置，逆變器按激勵方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。

多樣性

由於建築的多樣性，勢必導致太陽能電池板安裝的多樣性，為了使太陽能的轉換效率最高同時又兼顧建築的外形美觀，這就要求我們的逆變器的多樣化，來實現最佳方式的太陽能轉換。現在世界上比較通行的太陽能逆變方式為：集中逆變器、組串逆變器，多組串逆變器和組件逆變，現將幾種逆變器運用的場合加以分析。

集中逆變

集中逆變一般用與大型光伏發電站（>10kW）的系統中，很多并行的光伏組串被連到同一台集中逆變器的直流輸入端，一般功率大的使用三相的IGBT功率模塊，功率較小的使用場效應晶體管，同時使用DSP轉換控制器來改善所產出電能的質量，使它非常接近於正弦波電流。最大特點是系統的功率高，成本低。但受光伏組串的匹配和部分遮影的影響，導致整個光伏系統的效率和電產能。同時整個光伏系統的發電可靠性受某一光伏單元組工作狀態不良的影響。最新的研究方向是運用空間矢量的調製控制，以及開發新的逆變器的拓撲連接，以獲得部分負載情況下的高的效率。在SolarMax(索瑞·麥克）集中逆變器上，可以附加一個光伏陣列的介面箱，對每一串的光伏帆板串進行監控，如其中有一組串工作不正常，系統將會把這一信息傳到遠程控制器上，同時可以通過遠程控制將這一串停止工作，從而不會因為一串光伏串的故障而降低和影響整個光伏系統的工作和能量產出。

組串逆變

組串逆變器已成為現在國際市場上最流行的逆變器。組串逆變器是基於模塊化概念基礎上的，每個光伏組串（1kW-5kW）通過一個逆變器，在直流端具有最大功率峰值跟蹤，在交流端並聯併網。許多大型光伏電廠使用組串逆變器。優點是不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時減少了光伏組件最佳工作點與逆變器不匹配的情況，從而增加了發電量。技術上的這些優勢不僅降低了系統成本，也增加了系統的可靠性。同時，在組串間引入“主-從”的概念，使得在系統在單串電能不能使單個逆變器工作的情況下，將幾組光伏組串聯繫在一起，讓其中一個或幾個工作，從而產出更多的電能。最新的概念為幾個逆變器相互組成一個“團隊”來代替“主-從”的概念，使得系統的可靠性又進了一步。目前，無變壓器式組串逆變器已佔了主導地位。

多組串逆變

多組串逆變是取了集中逆變和組串逆變的優點，避免了其缺點，可應用於幾千瓦的光伏發電站。在多組串逆變器中，包含了不同的單獨的功率峰值跟蹤和直流到直流的轉換器，這些直流通過一個普通的直流到交流的逆變器轉換成交流電，併網到電網上。光伏組串的不同額定值（如：不同的額定功率、每組串不同的組件數、組件的不同的生產廠家等等）、不同的尺寸或不同技術的光伏組件、不同方向的組串（如：東、南和西）、不同的傾角或遮影，都可以被連在一個共同的逆變器上，同時每一組串都工作在它們各自的最大功率峰值上。同時，直流電纜的長度減少、將組串間的遮影影響和由於組串間的差異而引起的損失減到最小。

組件逆變

組件逆變器是將每個光伏組件與一個逆變器相連，同時每個組件有一個單獨的最大功率峰值跟蹤，這樣組件與逆變器的配合更好。通常用於50W到400W的光伏發電站，總效率低於組串逆變器。由於是在交流處並聯，這就增加了交流側的連線的複雜性，維護困難。另一需要解決的是怎樣更有效的與電網併網，簡單的辦法是直接通過普通的交流電插座進行併網，這樣就可以減少成本和設備的安裝，但往往各地的電網的安全標準也許不允許這樣做，電力公司有可能反對發電裝置直接和普通家庭用戶的普通插座相連。另一和安全有關的因素是是否需要使用隔離變壓器（高頻或低頻），或者允許使用無變壓器式的逆變器。這一逆變器在玻璃幕牆中使用最為廣泛。

按應用、輸出類型分

（一）按應用範圍分類：

（1）普通型逆變器

直流12V或24V輸入，交流220V、50Hz輸出，功率從75W到5000W,有些型號具有交、直流轉換即UPS功能。

（2）逆變/充電一體機

在此類逆變器中，用戶可以使用各種形式的電源為交流負載供電：有交流電時，通過逆變器使用交流電為負載供電，或為蓄電池充電；無交流電時，用蓄電池為交流負載供電。它可與各種電源結合使用：如蓄電池、發電機、太陽能電池板和風力發電機等。

（3）郵電通信專用逆變器

為郵電、通信提供高品質的48V逆變器，其產品質量好、可靠性高、模塊式（模塊為1KW）逆變器，並具有N+1冗餘功能、可擴充（功率從2KW到20KW）。

（4）航空、軍隊專用逆變器

此類逆變器為28Vdc輸入，可提供下列交流輸出：26Vac、115Vac、230Vac，其輸出頻率可為：50Hz、60Hz及400Hz,輸出功率從30VA到3500VA不等。還有供航空專用的DC-DC轉換器及變頻器。

（二）按輸出波形分類：

（1）方波逆變器

方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同，但共同的特點是線路比較簡單，使用的功率開關管數量很少。設計功率一般在百瓦至千瓦之間。方波逆變器的優點是：線路簡單、價格便宜、維修方便。缺點是由於方波電壓中含有大量高次諧波，在帶有鐵心電感或變壓器的負載用電器中將產生附加損耗，對收音機和某些通訊設備有干擾。此外，這類逆變器還有調壓範圍不夠寬，保護功能不夠完善，雜訊比較大等缺點。

（2）階梯波逆變器

此類逆變器輸出的交流電壓波形為階梯波，逆變器實現階梯波輸出也有多種不同線路，輸出波形的階梯數目差別很大。階梯波逆變器的優點是，輸出波形比方波有明顯改善，高次諧波含量減少，當階梯達到17個以上時輸出波形可實現准正弦波。當採用無變壓器輸出時，整機效率很高。缺點是，階梯波疊加線路使用的功率開關管較多，其中有些線路形式還要求有多組直流電源輸入。這給太陽電池方陣的分組與接線和蓄電池的均衡充電均帶來麻煩。此外，階梯波電壓對收音機和某些通訊設備仍有一些高頻干擾。

（3）正弦波逆變器

正弦波逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波。正弦波逆變器的優點是，輸出波形好，失真度很低，對收音機及設備干擾小，雜訊低。此外，保護功能齊全，整機效率高。缺點是：線路相對複雜，對維修技術要求高，價格較貴。

上述三種類型逆變器的分類，有利於光伏系統和風力發電系統設計人員和用戶對逆變器進行識別和選型。實際上，波形相同的逆變器在線路原理，使用器件及控制方法等等方面仍有很大區別。

太陽能逆變器的效率指由於對可再生能源的需求，太陽能逆變器 (光電逆變器) 的市場正在不斷增長。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。對這些逆變器中採用的功率電路進行了考察，並推薦了針對開關和整流器件的最佳選擇。光電逆變器的一般結構如圖1所示，有三種不同的逆變器可供選擇。太陽光照射在通過串聯方式連接的太陽能模塊上，每一個模塊都包含了一組串聯的太陽能電池 (Solar Cell)單元。太陽能模塊產生的直流 (DC) 電壓在幾百伏的數量級，具體數值根據模塊陣列的光照條件、電池的溫度及串聯模塊的數量而定。

這類逆變器的首要功能是把輸入的 DC電壓轉換為一穩定的值。該功能通過升壓轉換器來實現，並需要升壓開關和升壓二極體。在第一種結構中，升壓級之後是一個隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個全橋變換器是用來從第一級的全橋變換器的直流DC變換成交流 (AC) 電壓。其輸出再經由額外的雙觸點繼電器開關連接到AC電網網路之前被濾波，目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網隔離。第二種結構是非隔離方案。其中，AC交流電壓由升壓級輸出的DC電壓直接產生。第三種結構利用功率開關和功率二極體的創新型拓撲結構，把升壓和AC交流產生部分的功能整合在一個專用拓撲中儘管太陽能電池板的轉換效率非常低，讓逆變器的效率儘可能接近100% 卻非常重要。在德國，安裝在朝南屋頂上的3kW串聯模塊預計每年可發電2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發電25kWh。而利用額外的太陽能模塊產生這25kWh的費用與增加一個逆變器相當。由於效率從95% 提高到 96% 不會使到逆變器的成本加倍，故對更高效的逆變器進行投資是必然的選擇。對新興設計而言，以最具成本效益地提高逆變器效率是關鍵的設計準則。至於逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設計準則。更高的效率可以降低負載周期上的溫度波動，從而提高可靠性，因此，這些準則實際上是相關聯的。模塊的使用也會提高可靠性。

圖1所示的所有拓撲都需要快速轉換的功率開關。升壓級和全橋變換級需要快速轉換二極體。此外，專門為低頻 (100Hz) 轉換而優化的開關對這些拓撲也很有用處。對於任何特定的硅技術，針對快速轉換優化的開關比針對低頻轉換應用優化的開關具有更高的導通損耗。用於升壓級的開關和二極體升壓級一般設計為連續電流模式轉換器。根據逆變器所採用的陣列中太陽能模塊的數量，來選者使用600V還是1200V的器件。功率開關的兩個選擇是MOSFET和 IGBT。一般而言，MOSFET比IGBT可以工作在更高的開關頻率下。此外，還必須始終考慮體二極體的影響：在升壓級的情況下並沒有什麼問題，因為正常工作模式下體二極體不導通。MOSFET的導通損耗可根據導通阻抗RDS(ON)來計算，對於給定的MOSFET系列，這與有效裸片面積成比例關係。當額定電壓從600V 變化到1200V時，MOSFET的傳導損耗會大大增加，因此，即使額定RDS(ON) 相當，1200V的 MOSFET也不可用或是價格太高。對於額定600V的升壓開關，可採用超結MOSFET。對高頻開關應用，這種技術具有最佳的導通損耗。目前市面上有採用TO-220封裝、RDS(ON) 值低於100毫歐的MOSFET和採用TO-247封裝、RDS(ON) 值低於50毫歐的MOSFET。對於需要1200V功率開關的太陽能逆變器，IGBT是適當的選擇。較先進的IGBT技術，比如NPT Trench 和 NPT Field Stop，都針對降低導通損耗做了優化，但代價是較高的開關損耗，這使得它們不太適合於高頻下的升壓應用。

在舊有NPT平面技術的基礎上開發了一種可以提高高開關頻率的升壓電路效率的器件FGL40N120AND，具有43uJ/A的EOFF ，比較採用更先進技術器件的EOFF為80uJ/A，但要獲得這種性能卻非常困難。FGL40N120AND器件的缺點在於飽和壓降VCE(SAT) (3.0V 相對於125ºC的 2.1V) 較高，不過它在高升壓開關頻率下開關損耗很低的優點已足以彌補這一切。該器件還集成了反並聯二極體。在正常升壓工作下，該二極體不會導通。然而，在啟動期間或瞬變情況下，升壓電路有可能被驅使進入工作模式，這時該反並聯二極體就會導通。由於IGBT本身沒有固有的體二極體，故需要這種共封裝的二極體來保證可靠的工作。對升壓二極體，需要Stealth™ 或碳硅二極體這樣的快速恢復二極體。碳硅二極體具有很低的正向電壓和損耗。不過目前它們的價格都很高昂。在選擇升壓二極體時，必須考慮到反向恢複電流 (或碳硅二極體的結電容) 對升壓開關的影響，因為這會導致額外的損耗。在這裡，新推出的Stealth II 二極體 FFP08S60S可以提供更高的性能。當VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us，且外殼溫度為100ºC時，計算得出的開關損耗低於FFP08S60S的參數205mJ。而採用ISL9R860P2 Stealth 二極體，這個值則達225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開關頻率下的效率。用於橋接和專用級的開關和二極體濾波之後，輸出橋產生一個50Hz的正弦電壓及電流信號。一種常見的實現方案是採用標準全橋結構 (圖2)。圖中若左上方和右下方的開關導通，則在左右終端之間載入一個正電壓；右上方和左下方的開關導通，則在左右終端之間載入一個負電壓。對於這種應用，在某一時段只有一個開關導通。一個開關可被切換到PWM高頻下，另一開關則在50Hz低頻下。由於自舉電路依賴於低端器件的轉換，故低端器件被切換到PWM高頻下，而高端器件被切換到50Hz低頻下。這應用採用了600V的功率開關，故600V超結MOSFET非常適合這個高速的開關器件。由於這些開關器件在開關導通時會承受其它器件的全部反向恢複電流，因此快速恢復超結器件如600V FCH47N60F是十分理想的選擇。它的RDS(ON) 為73毫歐，相比其它同類的快速恢復器件其導通損耗很低。當這種器件在50Hz下進行轉換時，無需使用快速恢復特性。這些器件具有出色的dv/dt和di/dt特性，比較標準超結MOSFET可提高系統的可靠性。另一個值得探討的選擇是採用FGH30N60LSD器件。它是一顆飽和電壓VCE(SAT) 只有1.1V的30A/600V IGBT。其關斷損耗EOFF非常高，達10mJ ，故只適合於低頻轉換。一個50毫歐的MOSFET在工作溫度下導通阻抗RDS(ON) 為100毫歐。因此在11A時，具有和IGBT的VCE(SAT) 相同的VDS。由於這種IGBT基於較舊的擊穿技術，VCE(SAT) 隨溫度的變化不大。因此，這種IGBT可降低輸出橋中的總體損耗，從而提高逆變器的總體效率。FGH30N60LSD IGBT在每半周期從一種功率轉換技術切換到另一種專用拓撲的做法也十分有用。IGBT在這裡被用作拓撲開關。在較快速的轉換時則使用常規及快速恢復超結器件。對於1200V的專用拓撲及全橋結構，前面提到的FGL40N120AND是非常適合於新型高頻太陽能逆變器的開關。當專用技術需要二極體時，Stealth II、Hyperfast™ II 二極體及碳硅二極體是很好的解決方案。逆變器把直流電轉換為交流電的效率，目前，歐洲逆變器效率普遍較高，可達到97.2%。

描述逆變器性能的參量和技術條件很多，這裡僅就評價逆變器時常用的技術參數做一扼要說明。

1．逆變器的使用環境條件，逆變器正常使用條件：海拔高度不超過1000m，空氣溫度0～+40℃。

2．直流輸入電源條件，輸入直流電壓波動範圍：蓄電池組額定電壓值的±15%。

3．額定輸出電壓，在規定的輸入電源條件下，輸出額定電流時，逆變器應輸出的額定電壓值。電壓波動範圍：單相220V±5%，三相380±5%。

4．額定輸出電流，在規定的輸出頻率和負載功率因數下，逆變器應輸出的額定電流值。

5．額定輸出頻率，在規定的條件下，固定頻率逆變器的額定輸出頻率為50Hz：

頻率波動範圍：50Hz±2%。

6．逆變器的最大諧波含量，正弦波逆變器，在阻性負載下，輸出電壓的最大諧波含量應≤10%。

7．逆變器的過載能力，在規定的條件下，在較短時間內，逆變器輸出超過額定電流值的能力。逆變器的過載能力應在規定的負載功率因數下，滿足一定的要求。

8．逆變器的效率，在額定輸出電壓、輸出，乜流和規定的負載功率因數下，逆變器輸出有功功率與輸入有功功率(或直流功率)之比。

9．負載功率因數，逆變器負載功率因數的允許變化範圍，推薦值0.7—1.0。

10．負載的非對稱性，在10%的非對稱負載下，固定頻率的三相逆變器輸出電壓的非對稱性應≤10%。

11．輸出電壓的不對稱度，在正常工作條件下，各相負載對稱，輸出電壓的不對稱度應≤5%。

12．起動特性，在正常工作條件下，逆變器在滿載負載和空載運行條件下，應能連續5次正常起動。

13．保護功能，逆變器應設置：短路保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護及缺相保護。

15．干擾與抗干擾，逆變器應在規定的正常工作條件下，能承受一般環境下的電磁干擾。逆變器的抗干擾性能和電磁兼容性應符合有關標準的規定。

16．不經常操作、監視和維護的逆變器，應≤95db；經常操作、監視和維護的逆變器，應≤80db。

17．顯示，逆變器應設有交流輸出電壓、輸出電流和輸出頻率等參數的數據顯示，並有輸入帶電、通電和故障狀態的信號顯示。

18. 通信功能，遠程通信功能能夠讓用戶不必到現場就能查看機器的運轉狀態以及存儲的數據。

在光伏/風力互補系統選用逆變器時，首要的是確定逆變器如下幾個最主要的技術參數：輸入直流電壓範圍，如DC24V、48V、110V、220V等；

額定輸出電壓，如三相380V，還是單相220V；

輸出電壓波形，如正弦波、梯形波或方波。

要開始開發太陽能逆變器系統，首先得了解太陽能電池（PV電池）的不同特性。PV電池是半導體器件，其電氣特性與二極體相似。但是PV電池是電力來源，當其受到光(如太陽光)照射時會成為電流源。目前最常見的技術是單晶硅模塊和多晶硅模塊。PV電池的模型如圖所示。Rp和Rs為寄生電阻，在理想情況下分別為無窮大和零。

PV電池的表現會因其尺寸或與其連接的負載的類型，以及太陽光的強度(照度)而有所不同。PV電池的特性由不同環境下的不同工作電流和電壓描述。

當電池暴露於太陽光下但未接入任何負載時，沒有電流通過電池，而PV電池的電壓達到最大值。這稱為開路電壓(VOC)。當電池具有負載時，電路中開始有電流通過，導致電池兩端的電壓開始下降。當兩個端子直接相連且電壓為零時，可以確定流過電池的最大電流。這稱為短路電流(ISC)。

光照強度和溫度可大幅影響PV電池的工作特性。電流與光照強度成正比例，但光照的變化對工作電壓的影響很小。然而，工作電壓受溫度影響。電池溫度升高會使工作電壓降低，但對生成的電流影響甚微。下圖說明了溫度和光照對PV模塊的影響。

光照強度變化對電池輸出功率的影響要大於溫度變化產生的影響。這對所有常用的PV材料都適用。這兩種效應結合后的重要結果為，PV電池的功率會隨光照強度的降低和/或溫度的升高而降低。

最大功率點(MPP)

太陽能電池可在較寬的電壓和電流範圍內工作。通過將受照射電池上的電阻性負載從零(短路事件)持續增加到很高的值(開路事件)，可確定MPP.MPP是V x I達到最大值的工作點，並且在該照射強度下可實現最大功率。發生短路(PV電壓等於零)或開路(PV電流等於零)事件時的輸出功率為零。

高品質的單晶硅太陽能電池在其溫度為25°C時可產生0.60伏開路電壓。在光照充分和空氣溫度為25°C的情況下，給定電池的溫度可能接近於45°C，這會使開路電壓降至約0.55V.隨著溫度的提高，開路電壓持續下降，直至PV模塊短路。

電池溫度為45°C時的最大功率通常在80%開路電壓和90%短路電流的條件下產生。電池的短路電流幾乎與照度成正比，而當照度降低80%時開路電壓可能只會降低10%.品質較低的電池在電流增大的情況下電壓會降低得更快，從而將可用的功率輸出從70%降至50%，甚至只有25%.

上圖給出了PV電池板的輸出電流和輸出功率在給定照度下與工作電壓的函數關係。

太陽能微型逆變器必須確保在任何給定時間PV模塊都在MPP工作，這樣才能從PV模塊獲取最大能量。可使用最大功率點控制環達到該目的，該控制環也稱作最大功率點追蹤器(Maximum Power Point Tracker，mppt)。實現高比例的MPP追蹤還需要PV輸出電壓紋波足夠小，以便其在最大功率點附近工作時PV電流的變化不會太大。

PV模塊的MPP電壓範圍通常可定義在25V至45V的範圍內，發電量約為250W，開路電壓低於50V.