高效率太阳能逆变器

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从人类进入文明社会早期开始，我们的祖先就受益于太阳能，例如，进行照明、加热以及烹饪等。太阳使许多生态能量以生物的形式固定下来，以及通过天气，甚至风的作用施加影响。随着矿物燃料成本的逐步提高，美国社会正在促进太阳能的使用，如用于加热，特别是使用一流的、可靠的，可以接入输电网络中的太阳能电池光伏系统。

太阳能电池的作用从诞生一个多世纪以来，已经被人熟知，而且电池面板的普及应用也已经有半个多世纪了。太阳能电池面板由石英硅单元或者采用新型薄膜技术的单元组成。在民用照明系统中，太阳光通过电池面板转换成直流电，然后通过一个电子太阳能并网逆变器用于和电网互连。

与太阳能电池面板相比，逆变器由于本身固有的复杂性，被认为是系统中可靠性最低的一部分。因此，如果希望系统有超过20年的使用寿命，并具有很高的客户满意度，那么选择声誉良好的供应商和签订有益的保障条款就变得极为重要。



图1 常规意义的平坦效率特征曲线图

本文主要讲述对系统性能有最大影响的串联逆变器中3个技术领域：串联的数量、光电转换效率以及系统监控。
串联的数量
串连的数量是系统要求的电池面板数量和类型与逆变器之间的匹配。在选择电池面板和逆变器时，理解所使用的技术或当地国家编码规范所要求的接地类型是非常重要的。石英面板在大部分地区使用时是无需接地的，但是由于表面充电累积效应的影响，有一种高效的后端连接面板需要正极接地以避免效率损失。

在薄膜技术中使用透明氧化传导（Transparent Oxide Conducting：TCO）技术的经验表明，由于离子迁移现象，电池面板会被加速腐蚀，因此许多生产商推荐负极接地。两种接地方式都需要在逆变器中进行电流隔离。幸运的是，用于电流隔离的变压器使在逆变器中采用更宽输入电压范围成为可能。

可以使用的输入电压范围被称之为最大跟踪功率点（Maximum Power Point Tracking：MPPT），也就是逆变器可以从串联面板中所提取的最大功率。串联电压会随着温度的变化而有很大的波动，所以必须使之稳定地落在额定范围内。美国国家电气编码规范要求逆变器必须能够容忍最高达600V的直流输入电压，这种非常宽的MPPT范围为系统设计者带来了极大的灵活性。
光电转换效率
峰值电能转换效率不是逆变器输出最大功率能力的可靠测量指标。每天乃至季节的不同都会发生太阳光线强度的变化。一个平坦的效率特性曲线通常如图1所描述的那样。
表1 加权效率参数中的系数和光照百分比关系表




为了比较逆变器接近真实工作条件的效率，几个社会团体已经提出了一种加权效率，用于在不同光照条件下衡量电能转换效率。表1描述了加权系数和光照百分比之间的关系。

                          
                       
                          
                               
此外，除了针对位置的加权效率参数外，评估逆变器性能的低唤醒功率电平和低夜间功率损耗参数也是非常重要的。与系统最初几小时收集的能量相比，在清晨和午后所收集的能量，以及夜间使用的能量只占其中的很少一部分。这两个参数不会在峰值效率或加权效率测量中体现，而且在逆变器以相同效率收集的总能量中也有很大的不同。

太阳能电池面板之间连接的不同拓扑形式也与可获得的峰值效率相关。在欧洲，无变压器逆变器可以获得最高的电能转换效率，主要是由于其直流输入电压允许高达1000V。在北美，基于上述提到的电压输入范围的原因，600V的限制使双阶无变压器或高效率的隔离逆变器成为最好的选择，但是这些实现方法比单阶无变压器逆变器的效率要低。

最近，欧洲发明了一种新型的具有电流隔离功能的逆变器，通过使用高频变压器所带来的优势使它非常适合北美市场。该逆变器的峰值功率效率可以达到97.3%，CEC标准效率可以达到97.0%，欧洲标准效率达到96.9%。它不仅可以胜任采用高频变压器的隔离设计，也能够胜任大多数采用无变压器的设计。

对电信领域中关键有效负荷进行绝对保障的经验使生产商将电信零电压、零电流切换技术移植到有同等严格要求的并网逆变器应用中，而无须在设备寿命或可靠性方面让步。为了减小磁性器件的体积，更快速的开关MOSFET器件被用于替代比较慢的IGBT器件，并成为逆变器领域中的核心器件。

对于世界范围内的太阳能电池光伏产业，具有挑战性的降成本努力关乎到企业的生存。实际上，欧洲的研究已经开始转向无变压器拓扑中的更高开关频率，其目的是通过调整逆变器的体积和重量来减小逆变器的总体体积，进而也降低了维护成本。

然而这项研究使用了实验性质的碳化硅（Silicon Carbide：SiC）技术器件，该器件的可靠性和硅MOSFET器件的电流能力还没有得到证实。但是，应用于通过降低重量和实现最高效率的最低成本面板中的逆变器和业界降低系统成本的努力是一致的。
系统监控
系统监控的手段对总体拥有成本有决定性的影响（见图2）。在安装过程中，易于启动就意味着更低的成本。有些逆变器具有对单个或多个逆变器进行编程而不需要外部接口或计算机的能力。在系统启动和正常运转过程中都提供清晰的信息显示。从单行的文本显示到真彩色的图形显示，从常规键盘输入到触摸屏输入都是可以获得的。



图2  内嵌网络浏览服务器使用户、生产商和安装工人都可以监控系统的运转

最好的监控系统就是满足用户的需要。系统的显示质量和通过互联网远程访问的能力都需要增加额外的成本。然而，近些年来，至少有两家欧洲公司在他们的逆变器中提供了内嵌网络浏览服务器。这不仅使用户，而且使生产商和安装工人都可以监控系统的运转。其目的就是为了降低系统保证工作20年的成本，并能够提供具有预见性的、竞争力的维护服务承诺，以及提供接入未来智能电网的功能。

业界正向具有先进网络监控功能、创新型高效隔离逆变器的方向发展。在北美，逆变器技术领域最新的进展为太阳能系统设计者提供了一个新的范例，它包括仅在以前的欧洲高压系统中才能够见到的隔离和高效率优点，而不必在系统可靠性、使用寿命、易于安装和使用方面做出让步。遵循美国编码规范和标准也使得它在2011年就能够在美国广泛布署。