淺析光伏逆變器的技術發展路線

北京昆蘭新能源技術有限公司研發部 韋安

光伏產業興起之前，逆變器或逆變技術主要應用于如軌道交通、電源等行業。光伏產業興起之后，光伏逆變器變成了新能源發電系統中的核心設備，隨之被大家所熟悉。尤其在歐美發達國家，節能環保觀念深入人心，光伏市場開展的較早，特別是家用光伏系統發展迅速，家用型逆變器已經被當做家用電器在使用，普及率較高。

光伏逆變器把光伏組件產生的直流電轉換成交流電后接入電網，性能和可靠性決定了發電的電能質量和效益，在整個光伏發電系統里處于核心地位。一般從逆變器和電網的關系來看，光伏逆變器分為以下幾個主要的類別:并網逆變器、離網逆變器、雙向逆變器、微網逆變器。其中，并網逆變器在所有類別中占據了主要的市場份額，也是所有逆變器技術發展的一個開始。相對于其他幾類逆變器，并網逆變器在技術上相對簡單，重點關注光伏輸入和電網輸出，能夠安全、可靠、高效、高質量的輸出電能成為了這類逆變器重點衡量的技術指標。在不同國家制定的光伏逆變器并網技術條件中，以上幾點成為了標準的共性衡量點，當然細節的參數有所不同。針對并網型逆變器，所有的技術要求都是圍繞著滿足電網對分布式發電系統對逆變器的要求展開的，即自上而下的，如電壓、頻率規格、電能質量、發生故障的控制，以及如何并網、并入什么電壓等級電網等要求。并網型逆變器只要滿足電網要求即可，沒有來自于發電系統內部的要求。從技術上講，并網型逆變器是“并網發電”，即符合并網條件就發電，無需承擔電網本身的穩定性、安全性等問題，也不涉及光伏系統內的能源管理問題。據國外的統計數據顯示，目前已經建設并運行的光伏系統中，大約90%以上是光伏并網系統，采用的都是并網逆變器。系統圖見圖1。

圖1 并網型光伏電站系統圖

和并網逆變器相對的一類逆變器就是離網逆變器。離網型逆變器指的是逆變器輸出不與電網相聯，而是和負載相聯，直接帶動負載供電。離網逆變器應用較少，主要用于一些不具備并網條件、并網條件差，或者有自發電、自用電需求的場合。離網系統強調的是“自發自用”，由于應用少，因此在技術上研究、發展的都很少，國際上關于離網逆變器的技術條件、標準也很少，這就導致了該類逆變器的研究、開發呈現萎縮的態勢。但離網逆變器所具有的功能、涉及到的技術卻并不簡單，特別是和儲能電池的配合，整個系統的控制和管理都比并網型逆變器要復雜。應該說，由離網逆變器、光伏板、蓄電池、負載等其他設備組成的系統已經是一個簡單的微電網系統，只不過該系統不和電網相聯，是一個“孤島系統”。

事實上，離網逆變器是雙向逆變器發展的一個基礎。雙向逆變器綜合了并網逆變器和離網逆變器的技術特點，應用在局部供電網絡或者發電系統和電網并聯使用的場合。這類應用雖然目前不多，但因為該類系統是微電網發展的雛形，符合未來分布式發電的基礎架構和商業運行模式，因此在技術上起到承前啟后的作用，是當前并網型應用和未來局部微電網應用之間的橋梁。目前在一些光伏發展較快，較為成熟的國家和市場，以家庭、小型區域為單位的微電網應用已開始慢慢發展。同時，當地政府鼓勵以家庭為單元發展局部發電、儲電、用電的網絡，以新能源發電自用優先，不足部分取自電網。因此雙向逆變器需要考慮更多的控制功能和能源管理功能，如蓄電池充放電控制，并網/離網運行策略，負載可靠供電策略等。總而言之，雙向逆變器將更多的從整個系統的角度擔當重要的控制和管理功能，而不單單考慮電網或者負載的要求。

作為電網發展方向之一，以新能源發電為核心構建的局部發電、配電、用電網絡將是未來微電網主要發展的方式之一。在這種模式下，局部微電網將和大電網形成一種互動的關系，微電網將不再是緊密依靠大電網運行，而更多以獨立方式，即孤島方式在運行，只有在局部電力富裕或者需要從外部電網取電時，才形成并網運行的模式。目前，由于各方面的技術、政策等條件不成熟，微電網并沒有得到大規模的應用，只有少量的示范項目在運行，而且這些項目中，以并網運行的模式居多。微網逆變器是結合了雙向逆變器的技術特征，同時擔當重要的電網管理功能，是典型的逆變、控制和管理為一體的綜合控制逆變一體機。它承擔著局部能量管理、負荷控制、電池管理、逆變、保護等功能，和微電網能源管理系統一起完成對整個微電網的管理功能，是構建微網系統的核心設備。這和逆變器技術發展中最開始的并網逆變器相比，已經脫離了單純的逆變功能，而承載了微電網管理和控制的功能，從系統層面關注和解決一些問題。圖2展示的是北京昆蘭新能源技術有限公司合作開發的微電網項目系統配置圖，該系統具有一定的典型性，是由柴油發電機擔當基本供電單元，可再生能源發電作為補充。微電網管理系統可對整個微電網進行管理，接觸器A、B、C都是受控于微電網管理系統，能夠在孤島運行時根據電力供應切斷非重要負荷，維持微電網的穩定和重要負荷的安全運行。

圖2 一種微電網應用系統

目前各逆變器廠商主要供應并網型逆變器、少量的離網逆變器和雙向逆變器。只有極少的國內外大廠商推出了面向微電網應用的微網逆變器，而且這類逆變器缺乏相關的技術標準、認證標準，各家的產品功能、技術水平也存在差異。家用型微電網產品方面，只有歐洲幾個技術領先的廠商如德國的SMA，KACO等有少量的產品，國內廠商還沒有推出相應的產品。

北京昆蘭新能源技術有限公司在小型家用型、商用型逆變器技術上處于國內領先的地位，其Sunteams1-5kW型號在國際市場上累計銷售了6萬多臺，產品質量和性能得到了市場的廣泛驗證和客戶的高度認可。昆蘭已經形成了功率等級從1.5kW～1MW完整的并網逆變器產品線，正在規劃和研發面向微電網應用的儲能雙向逆變器。