光伏逆变器

通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。

如上所述，逆变器有多种类型，因此在选择机种和容量时需特别注意。尤其在太阳能发电系统中，逆变器效率的高低是决定太阳能电池容量和蓄电池容量大小的重要因素。

工作原理

逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。

2005至2010年，全球光伏逆变器市场规模由10.7亿美元增至71.8亿美元，年复合增长率为46.3%。欧洲、亚太地区及北美地区太阳能光伏产业的发展是光伏逆变器市场增长的主要推动力。

2007年我国光伏新增装机量仅20MW，到2010年国内光伏新增装机量约520MW，是2009年228MW装机量的2倍多。2011年我国新增装机量达到2.9GW，在全球排名第四。

2015年我国光伏逆变器需求量将达到5.0GW，2020年将达到10GW。

在我国“十一五”期间，诸如逆变器等光伏发电配套设备多处在研发和创新阶段，较少受到政策关注。“十二五”时期，光伏发电市场的趋势是向全产业链发展，晶硅、组件以外的配套设备将受到市场与政策的进一步关注，发改委将逆变器列入指导目录鼓励类，就是这一趋势的体现。

2010年，我国光伏并网容量达500兆瓦，逆变器市场在5亿元左右。目前，“十二五”国内的光伏装机容量目标大幅上调到10GW，较之前公布的目标翻了一番。假设这些装机全部并网，按照1元/瓦造价计算，预计到2015年，国内逆变器市场将达到100亿元。

随着光伏逆变器行业竞争的不断加剧，大型光伏逆变器企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的光伏逆变器生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的光伏逆变器品牌迅速崛起，逐渐成为光伏逆变器行业中的翘楚！

光伏逆变器是电力电子技术在太阳能发电领域的应用，行业技术水平和电力电子器件、电路拓扑结构、专用处理器芯片技术、磁性材料技术和控制理论技术发展密切相关。

另外，功率等级在200 瓦～500 瓦的微型逆变器，可方便地在幕墙、窗台、小型屋面上使用，在最近几年也成为一个细分市场热点。组串型光伏逆变器单相产品以升压电路+单相无变压器拓扑结构为主；组串型光伏逆变器三相产品以升压电路+三相三电平无变压器拓扑结构为主；电站型光伏逆变器以三相桥式电路拓扑为主，同时包括无变压器和有变压器两类。光伏逆变器重点关注以下技术指标：高效率：光伏逆变器的转换效率的高低直接影响到太阳能发电系统在寿命周期内发电量的多少。根据产品型号的不同，国际一流品牌的产品的转换效率最高可达98%以上。长寿命：光伏发电系统设计使用寿命一般为20 年左右，所以要求光伏逆变器的设计寿命需要达到较高水平。高可靠性：光伏逆变器发生故障将会导致光伏系统停机，直接带来发电量的损失，所以高可靠性是光伏逆变器的重要技术指标。宽直流电压工作范围：因为单块太阳电池组件的输出直流电压比较低，所以在实际应用中需要进行多块串联，得到一个较高的直流电压，再进行多组并联后输入到光伏逆变器。由于不同功率、不同电压的光伏电池、不同的串并联方案组合，要求对同一规格的光伏逆变器能够适应不同的直流电压输入。所以，光伏逆变器具有越宽的直流电压工作范围，就越能适应客户的实际应用需求。

符合电网并网要求：各国电网对于接入电网的设备都有着严格的技术要求，包括并网电流谐波、注入电网直流分量、电网过欠压时保护、电网过欠频时保护、孤岛保护等。随着大量可再生能源发电设备的接入，对电网的运行、调度提出了新的挑战，电网提出了如低电压穿越、无功补偿、储能等新要求。

逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF），使直流输入变成交流输出。当然，这样单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用。一般需要采用高频脉宽调制（SPWM），使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样形成一个脉冲波列（拟正弦波）。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。

光伏并网发电原理图

元器件的构成：

1、电流传感器

光伏逆变器一般采用霍尔电流传感器来进行电流采样，从小功率到大功率所采用的电流传感器形式不一，列举一些例子如下：

500KW逆变器中JCE1005-FS电流传感器外形图

100KW：检测电流是300A左右，一般都会采用JCE308-TS7电流传感器

250KW：检测电流是500A左右，一般都会采用JCE508-TS6电流传感器

500KW：检测电流是1000A左右，一般会采用JCE1005-FS电流传感器

1MW：检测电流是2000A左右，一般会采用JCE2005-FS电流传感器

对于电流传感器要求精度高、响应时间快，而且耐低温、高温等环境要求，目前国内很多厂家都用开环电流传感器来取代闭环电流传感器，如：JCE1000-AXS、JCE1500-AXS、JCE2000-AXS等

2、电流互感器

一般采用BRS系列电流互感器，从几百到几千A不等，输出信号一般采用0-5A为标准

3、电抗器

逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防单独运行功能（并网系统用）、自动电压调整功能（并网系统用）、直流检测功能（并网系统用）、直流接地检测功能（并网系统用）。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。

1、自动运行和停机功能

早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。

2、最大功率跟踪控制功能

太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪（MPPT）这一功能。

光伏逆变器有多种不同的分类方式，根据用途的不同可分为独立型电源用逆变器和独立型并网用逆变器(根据变压器的有无，独立型并网用逆变器还可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器)。

根据波形调制方式的不同可分为方波型逆变器、阶梯型逆变器、正弦波型逆变器和组合型三相逆变器。

节能环保是大家共同关注的焦点,光伏产业从欧洲,澳洲,到现在的中国已经成了热门行业,短短几年内国内光伏逆变器生产厂家如春笋般的诞生,不过如何选择太阳能逆变器这个还是有一定的标准。逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键部件，所以对逆变器有较高的要求，在选用逆变器时应要注意其技术规格是否满足系统设计的要求。一般重点考虑下列几项技术指标。选购步骤及方法1、功率一般根据系统的要求配置对应功率段的逆变器，选型的逆变器的功率应该与太阳能电池方阵的最大功率匹配，一般选取光伏逆变器的额定输出功率与输入总功率相近左右，这样可以节约成本。2、关键技术指标1）、选择合适的输入输出电压范围，确保产品的最优组合。2）、逆变器的欧洲效率：它的高低将直接影响到光伏发电系统的设计成本与发电效率。3）、太阳电池方阵最大功率跟踪功能（MPPT）及其效率。4）、应注意所选用的逆变器应有基本的保护功能，如过流/短路保护、过功率保护，过温保护，防雷保护、孤岛保护等功能。5）、逆变器输出电流波形畸变率（THD%）要低于4%。3、认证标准作为光伏电站的核心设备，为保证电站的稳定、可靠、持续运行，并网逆变器必须有很高的可靠性。它应具有销售目的地的安规认证，电磁兼容认证，及各国并网认证：（以欧洲为例）安规：EN62109-1，EN62109-2电磁兼容:EN61000-6-1,EN61000-6-2,EN61000-6-3,EN61000-6-4并网认证:VDE0126-1-1(德国)4、品牌与服务建议购买目前市场上口碑不错的品牌，因为一般品牌形象好的公司，通常会在技术，以及维修服务上有较大的投资，能满足对客户的承诺。

1.光伏逆变器要求具有较高的效率。由于2011年太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

2.光伏逆变器要求具有较高的可靠性。2012年光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

3.光伏逆变器要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V～16V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

4.光伏逆变器在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。

并网逆变器除了需要完成正常商用/工业用电器设备的安规测试以及EMC(电磁兼容)测试以外,最重要的部分是完成各个国家不同的并网测试,以满足各个国家不同的电力设施的供电参数以及电网波动的保护需求.

只有在具有资质的实验室完成了这三部分的测试，并持有实验室出具的报告后,逆变器才可以取得当地的并网许可,输送电力到当地的电力公司,并取得电网补贴. 　简而言之,没有完成当地逆变器认证测试的逆变器,是不被当地政府或者电力公司许可接入到电网，那当然你也就没有资格获取电网补贴。

逆变器在测试中

IEC EN 50178: Electronic equipment for use in power installations

IEC EN 62109-1/2

对应国内标准 GB17799.1，GB17799.3

测试项目举例：

交流过电流测试

测试方法：

a.连接线路；

b.把控制面板上的AC_I的端子拔掉，在AC_I端子的2、4脚加入对应等效电流的交流电压信号。如图4。电流等效电压的关系：5A=1V。交流过电流整定值24A对应的等效交流电压为4.8Vrms.

c.电网频率为50Hz，加入对应频率的交流电压信号，从整定值的90%缓慢（0.1V步长）增加到过流保护点，记录此时电压V1，换算成电流值；

d.交流电压信号跳变：从0V开始跳变到V1+0.2,从0V开始跳变到过流保护整定值110%,从0V开始跳变到过流保护整定值的150%,分别测量保护动作的时间；

e.电网的频率设为60Hz，重复c～d步骤；

判定标准：

1、交流过流，保护装置能正常动作（查看GB信号变为高电平）,并且LED屏上显示故障一致；

2、保护点在保护整定值的5%内，整定值最大不超过150%；

3、保护动作时间在0.5秒以内。

IEC EN 61000-6-1; IEC EN 61000-6-3: emissions and immunity requirements for equipment in residential environments

EMC CE

对于并网测试部分,每个国家有不同的并网测试标准.

以欧洲主要的几个新能源补贴较好的国家为例.

试验应遵循各项配电网要求

国家标准

意大利： Enel 配电网连接准则 Guidelines for connections to the Enel Distribuzione grid 　CEI 0-21 A70

德国： DIN VDE 0126-1-1 & VDE 4105 　BDEW中压电网

英国： G83-1 ENEA ER G59/1

西班牙： 第661/2007号皇家法令 RD 1663/2000

一般来说,单个国家的测试项目完全完成安规,EMC以及并网测试项目需要两个月的时间. 但是安规和EMC部分的测试结果可以相互参照,所以以欧洲为例. 安规和EMC测试只需要一次即可. 而每个国家的并网测试标准虽然各为不同,但是在细节项目上多为重叠,只是区别对应的参数不一致。但是每个国家的认证机构却只是专长于各自的并网标准, 对于他国的标准,往往是采取外包的方式.

所以对企业来说,最有效的方式是寻找具有资质能力的实验室,一次性完成多个国家的并网测试标准。并由实验室代为申请各个国家的入网许可，同时可以取得各个认证机构的证书

欧洲最大的光伏实验室Eurotest

最近，碳化硅(SiC)的使用为BJT赋予了新的生命，生产出一款可实现更高功率密度、更低系统成本且设计更简易的器件。SiCBJT运用在光伏电源转换器中时，可实现良好效率，并且(也许更重要的是)能够使用更小、更便宜的元件，从而在系统级别上显著降低成本。

碳化硅布局以同等或更低的损耗实现更高的开关频率，并且在相同形状因数的情况下可产生更高的输出功率。运用了SiCBJT的设计也将使用一个更小的电感，并且使成本显著降低。虽然运用碳化硅工艺生产的BJT相较于仅基于硅的BJT会更昂贵，但是使用SiC技术的优势在于可在其它方面节省设计成本，从而实现更低的整体成本。本文介绍的升压转换器设计用于光伏转换阶段，其充分利用SiCBJT的优势，在显著降低系统成本的同时可实现良好的效率。

基于硅的BJT在高压应用中失宠有几方面原因。首先，SiBJT中的低电流增益会形成高驱动损耗，并且随着额定电流的增加，损耗变得更糟。双极运行也会导致更高的开关损耗，并且在器件内产生高动态电阻。可靠性也是一个问题。在正向偏压模式下运行器件，可能会在器件中形成具有高电流集中的局部过温，这可能导致器件发生故障。此外，电感负载切换过程中出现的电压和电流应力，可能会导致电场应力超出漂移区，从而导致反向偏压击穿。这会严格限制反向安全工作区(RSOA)，意味着基于硅的BJT将不具有短路能力。

在运用碳化硅的新型BJT中不存在同样的问题。与硅相比，碳化硅支持的能带间隙是其三倍，可产生更大的电流增益，以及更低的驱动损耗，因此BJT的效率更高。碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，因此器件不太容易受到热击穿影响，并且要可靠得多。碳化硅在更高的温度下表现更出色，因此应用范围更为广泛，甚至包括汽车环境。

从成本角度而言，碳化硅的高开关频率在硬件级可实现成本节约。虽然相较于基于纯硅，基于碳化硅的BJT更昂贵，但SiC工艺的高功率密度将会转换为更高的芯片利用率，并且支持使用更小的散热器和更小的过滤器元件。从长远来看，使用更昂贵的碳化硅BJT实际上更省钱，因为整体系统的生产成本更低。我们设计的升压转换器就是一个例子。它设计用于额定功率为17千瓦的光伏系统中，具有600伏的输出电压，输入范围为400到530V。

BJT的驱动器电路能够减少损耗和提高系统效率。驱动器做了两件事：对器件电容迅速充放电，实现快速开关;确保连续提供基极电流，使晶体管在导通状态中保持饱和状态。

为了支持动态操作，15V的驱动器电源电压引起更快的瞬态变化，并提高性能。SiCBJT的阈值电压约为3V。通常情况下无需使用负极驱动电压或米勒钳位来提高抗扰度。

SiCBJT是一个“常关型”器件，并且仅在持续提供基极电流时激活。选择静态操作的基极电流值会涉及到传导损耗和驱动损耗间的折衷平衡。尽管有较高的增益值(因此会形成较低的基极电流)，驱动损耗对SiCBJT仍非常重要，由于SiC布局具有较宽能带间隙，因此必须在基极和发射极间提供一个更高的正向电压。将基极电流增加一倍，从0.5A增加到1A，仅降低正向等效电阻10%，因此需要降低传导损耗，同时使饱和度转变为较高水平。这是我们设计升压转换器的一个重要考虑因素，因为它会在更高的电流纹波下运行。1A的基极电流会使开关能力增加至40A

静态驱动损耗是选定驱动电压和输入电压的一个函数(间接表示占空比值)。实现高开关速度需要15V的驱动电压，产生约8W的损耗，主要集中在基极电阻上。为了弥补这方面的损耗，对于动态和静态操作，我们通常使用两个单独的电源电压。图1提供了示意图。高压驱动器的控制信号会“中断”，因此它仅在开关瞬态期间使能。静态驱动阶段使用较低电压，从而可以降低静态损耗，并在整个导通期间保持激活状态。

使用两个电源电压降低损耗

图1.使用两个电源电压降低损耗

在更高的开关频率下运行，可降低无源元件的成本。为了进一步提高功率密度，我们着眼于改善滤波器电感的方法。在评估了各种核心材料的能力后，我们选择了一种使用Vitroperm500F(一种薄夹层式纳米晶体材料)制成的新型磁芯材料。该材料产生的损耗低，且在高频率下运转良好。此外也可在高饱和磁通值下运行，这意味着该材料比类似的铁氧体磁芯(图2右侧)要小得多。使用Virtoperm磁芯构成的滤波电感器，约为参照系统的四分之一大小。

图2显示了在最大电流纹波(40%)下对于不同材料将电感器尺寸作为开关频率函数的因素。在此，我们假设电感量近似为电感值，而这又取决于峰值磁通密度和开关频率。在达到指定的临界点(在100mW/cm时定义的特定损耗3)后，需要降低峰值磁通量以避免过热，从而在该点之外运行将不会导致其大小显著减小。频率一定时，Vitroperm500F可在所有材料中实现最佳性能。

比较

图2.用作频率函数的不同芯材的电感器大小，以及与Vitroperm和铁氧体磁芯的大小比较

图3显示了测得的效率级，包括采用两阶段解决方案的驱动损耗。根据计算得出的损耗分布如下图曲线所示。该系统可以在没有达到临界温度或饱和度的情况下达到高电流负载。该两阶段驱动解决方案会将驱动损耗降低至输入功率的0.02%左右。整体损耗更低使得所需的散热片尺寸减小，且更高的开关频率允许使用更小的过滤器元件。所有这些特性最终有助于降低系统成本。

原型图

图3.48kHz时的效率和驱动损耗，以及原型图