離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求
太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電技術(shù)，太陽光輻射能經(jīng)過太陽能電池轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)能量儲存、控制與保護、能量變換等環(huán)節(jié)，使之可按人們的需要向負載提供直流電能或交流電能。太陽能電池陣列所發(fā)出的電能為直流電，但是大多數(shù)用電設(shè)備采用的是交流供電方式，所以系統(tǒng)中需要有逆變器將直流電變換為交流電以供負載使用。
在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的效率將直接影響到整個系統(tǒng)的效率，因此，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的控制技術(shù)具有重要的研究意義。在逆變器的設(shè)計中，通常采用模擬控制方法，然而，模擬控制系統(tǒng)中存在很多缺陷，如元器件的老化及溫漂效應(yīng)，對電磁干擾較為敏感，使用的元器件數(shù)目較多等。典型的模擬PWM逆變器控制系統(tǒng)采用自然采樣法將正弦調(diào)制波與三角載波比較，從而控制觸發(fā)脈沖，但三角波發(fā)生電路在高頻（20kHz）時容易被溫度、器件特性等因素干擾，從而導(dǎo)致輸出電壓中出現(xiàn)直流偏移，諧波含量增加，死區(qū)時間變化等不利影響。高速數(shù)字信號處理器（DSP）的發(fā)展使太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的數(shù)字化控制成為可能。因其大部分指令可在一個指令周期內(nèi)完成，因此可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的先進的控制算法，進一步改善輸出波形的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能，并且可以簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計，使系統(tǒng)具有良好的一致性。
逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電為交流負載供電，是整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。離網(wǎng)光伏逆變器有兩個基本功能：一方面是為完成DC/AC轉(zhuǎn)換為交流負載提供電能，另一方面是找出最佳的工作點以優(yōu)化太陽能光伏系統(tǒng)的效率。對于特定的太陽光輻射、溫度及太陽能電池類型，太陽能光伏系統(tǒng)都相應(yīng)有唯一的最佳電壓及電流，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出最大功率的電能。因此，在離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中對逆變器提出以下基本要求：
）逆變器要具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱，過載保護等。
）具有較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范圍，由于太陽能太陽能電池陣列的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽能電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動，特別是當(dāng)蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V～16V之間變化，這就要求逆變器必須在較寬的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓穩(wěn)定在負載要求的電壓范圍內(nèi)。
）逆變器盡量減少電能變換的中間環(huán)節(jié)，以節(jié)約成本、提高效率。
）逆變器應(yīng)具有較高的效率，由于目前太陽能電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽能電池，提高系統(tǒng)效率，必須提高逆變器的效率。
）逆變器應(yīng)具有較高的可靠性，目前離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)無人值守和維護。這就要求逆變器具有高的可靠性。
）逆變器的輸出電壓與國內(nèi)市電電壓同頻、同幅值，以適用于通用電器負載。
）在中、大容量的離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。因在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對電源品質(zhì)有較高的要求。對于離網(wǎng)太陽能離網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的逆變器而言，高質(zhì)量的輸出波形有兩方面的指標(biāo)要求：一是穩(wěn)態(tài)精度高，包括THD值小，基波分量相對參考波形在相位和幅度上無靜差；二是動態(tài)性能好，即在外界擾動下調(diào)節(jié)快，輸出波形變化小。
）逆變器要具有一定的過載能力，一般能過載125%～150%。當(dāng)過載150%時，應(yīng)能持續(xù)30s；當(dāng)過載125%時，應(yīng)能持續(xù)60s以上。逆變器應(yīng)在任何負載條件（過載情況除外）和瞬態(tài)情況下，都應(yīng)保證標(biāo)準的額定正弦輸出。
目前，逆變器存在的問題主要是可靠性不高，影響逆變器可靠性的主要因素有電解電容器、光電耦合器及磁性材料。提高逆變器可靠性要從設(shè)計方面著手，如降低器件的結(jié)溫，減少器件的電應(yīng)力，降低運行電流及采用優(yōu)質(zhì)的磁性材料等措施可大大提高其可靠性。若設(shè)計中采用第一代磁性材料，如TDK的H35、FDK的H45等，由于這種磁性材料的飽和磁通密度及居里溫度點較低，因而在功率較大長時間工作極易出故障。而采用第三代磁性材料，如TDK的H7C4、FDK的H63B和H45C、西門子的N47和N67，不但能有效地提高轉(zhuǎn)換效率，而且大大提高了逆變器可靠性。
要提高逆變器的效率，就必須減小其損耗。逆變器中的損耗通常可分為兩類：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是由于器件具有一定的導(dǎo)通電阻Rds，因此當(dāng)有電流流過時將會產(chǎn)生一定的功耗，導(dǎo)通損耗功率Pc由下式計算：
×
在器件開通和關(guān)斷過程中，器件不僅流過較大的電流，而且還承受較高的電壓，因此器件也將產(chǎn)生較大的損耗，這種損耗稱為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗可分為開通損耗、關(guān)斷損耗和電容放電損耗。
開通損耗：
×Ip×Vp×ts×
關(guān)斷損耗：
×Ip×Vp×ts×
電容放電損耗：
（1/2）×Cds×Vc2×
總的開關(guān)損耗
×Up×ts×f＋(1/2)×Cds×Vc2×
式中：Ip為器件開關(guān)過程中流過的電流最大值；Vp為器件開關(guān)過程中承受的電壓最大值；ts為開通關(guān)斷時間；f為工作頻率；Cds為功率MOSFET的漏源寄生電容。
要減小上述這些損耗，就必須對功率開關(guān)管實施零電壓或零電流轉(zhuǎn)換，即采用諧振型變換結(jié)構(gòu)。
光伏逆變器的基本設(shè)計
光伏逆變器的基本設(shè)計標(biāo)準包括額定電壓、容量、效率、太陽能電池能效、輸出AC電源質(zhì)量、最大功率點跟蹤（MPPT）效能、通信特性和安全性。
）額定電壓。光伏逆變器的主要功能是把來自太陽能電池（有時是經(jīng)過穩(wěn)壓的DC電壓）的可變DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓以給交流負載供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V；而對工業(yè)應(yīng)用來說，480V也很常見。對選定的逆變器拓撲來說，輸出AC電壓的范圍將決定DC母線電壓以及每個半導(dǎo)體開關(guān)的額定電壓。
）容量。它是光伏逆變器額定功率的另一個說法，該數(shù)值在200W（太陽能電池組件集成模塊）到數(shù)百千瓦之間。容量越大，逆變器的體積越大、價格越高。光伏逆變器的成本以美元/瓦來衡量。就一個恰到好處的設(shè)計而言，確定容量時，必須把浪涌、過載以及連續(xù)工作模式等情況考慮在內(nèi)。
）效率。每個光伏逆變器都對效率（輸出功率/輸入功率）提出較高的要求，例如，一個數(shù)千瓦逆變器的典型效率要求達到95%以上。基于太陽能電池陣列的能量轉(zhuǎn)換效率相對低（約在15%左右）的事實，所以，就以最小的太陽能電池容量獲得最多的輸出功率來說，高效逆變器具有非常重要的意義。
）蓄電池。在逆變器的DC側(cè)加裝蓄電池組起著能量緩存器的作用，它能平抑DC電壓可能的波動并把負載還未使用的能量存儲起來。
）輸出電能質(zhì)量。源于逆變器內(nèi)在的開關(guān)模式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，且通常還包含由脈寬調(diào)制（PWM）引入的寬范圍高頻諧波。對許多電子負載來說，這些諧波有害無益。
）MPPT效能。太陽能電池的輸出將遵循其電流-電壓曲線中的不同光照條件下的一系列特性曲線，因此，為獲得最大功率輸出，需對電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)。
）通信特性。對一個數(shù)千瓦的光伏逆變器來說，構(gòu)建一個用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲的通信連接很有必要，作為一種通用控制器的微處理器(MCU)很適合該功能。
）安全性。有兩個含義：一是要保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，二是在操作、維護和維修時，確保工作人員應(yīng)沒安全風(fēng)險。
光伏逆變器設(shè)計的關(guān)鍵要素
設(shè)計光伏逆變器時要考慮的兩個關(guān)鍵要素是效率和諧波失真，效率可分成兩個部分：太陽能電池的效率和逆變器的效率。逆變器的效率在很大程度上取決于設(shè)計使用的外部元件，而不是控制器；而太陽能電池的效率與控制器如何控制太陽能電池陣列有關(guān)。每個太陽能電池陣列的最大工作功率在很大程度上取決于太陽能電池陣列的溫度和光照。MCU必須控制太陽能電池陣列的輸出負載，以使太陽能電池陣列的工作功率最大。由于這不是一個數(shù)學(xué)密集型算法，因此可使用低成本MCU來完成任務(wù)。
目前，大多數(shù)光伏逆變器只能從太陽能電池陣列的某個最佳位置對太陽能電池陣列的整體效率進行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法嚴重制約了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率。如果光伏系統(tǒng)在非最佳電壓及電流水平下運行，系統(tǒng)的效率就非常低，白白浪費采集太陽能的良機。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池是由多個串聯(lián)組在并聯(lián)后形成的。就像節(jié)日燈飾一樣，假如串聯(lián)中的某個太陽能電池發(fā)生故障，就會導(dǎo)致整個太陽能電池組失效。此外，當(dāng)有局部陰影等遮蔽太陽能電池時，這種情況也會發(fā)生。
為了解決上述問題，目前太陽能電池都集成了旁路二極管，從而使電流可以繞過被遮蔽的失效太陽能電池部份。啟動二極管后，它可將電流重新路由，即改道繞過失效的太陽能電池。這樣一來，不僅浪費了受遮蔽太陽能電池的供電潛能，而且會降低整個太陽能電池組的總電壓。基于選取太陽能電池最佳工作點的原則，逆變器必須決定是應(yīng)該優(yōu)化受影響太陽能電池串的電壓，還是應(yīng)該優(yōu)化其他沒受影響太陽能電池組所產(chǎn)生的能量。在大多數(shù)的情況下，逆變器都會選擇優(yōu)化沒有影響的太陽能電池組，并相應(yīng)地降低受影響太陽能電池組所產(chǎn)生的能量，甚至是完全關(guān)閉受影響的太陽能電池組。所導(dǎo)致的結(jié)果是，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)只要出現(xiàn)10%的遮蔽，便會使太陽能光伏發(fā)電量下降一半。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是現(xiàn)行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并不能與極度敏感的太陽能電池相匹配。因此，需要采用更高智能的技術(shù)和產(chǎn)品來開發(fā)太陽能。
位于光伏逆變器前端的旁路二極管，嚴格來說雖然不屬于逆變部分，但是作為太陽能發(fā)電設(shè)備的一部分，對于逆變器運行乃至整個系統(tǒng)的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對此應(yīng)用推出兩款新產(chǎn)品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技術(shù)（Cool RUNTM工藝），無需散熱器，通過10A電流時溫升小于10℃。以30年穩(wěn)定運行為目標(biāo)的可靠性設(shè)計保證了100μA以下漏電流，20A的穩(wěn)態(tài)電流能力和雙向抗閃電功能。其最大特點是業(yè)界最低溫升。SFDS1045是新一代肖特基二極管，也是迄今為止業(yè)界最薄的旁路二極管，只有0.74mm厚度并置于玻璃封裝之下，特別適合直接應(yīng)用于太陽能電池陣列。另外其獨特的柔韌銅引腳具有衛(wèi)星應(yīng)用級別的可靠性。
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