光伏逆變器在新能源領域的應用

◎王文忠 陳淑春

光伏逆變器在新能源領域的應用

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社會在發展，時代在進步，我國當前推動國民經濟可持續發展的核心力量便是能源。但是，石化能源等傳統型資源面臨著枯竭的嚴峻形勢，要想成功解決能源的問題，唯一的方式就是要竭盡全力發展可再生能源，在這樣的大背景下，太陽能光伏發電技術開始正式進入到人們的視野當中，并且在很短的時間內受到了廣泛的關注。光伏逆變器是直流電轉化成交流電的關鍵裝置，更是太陽能光伏發電系統中最核心的設備。本文將就光伏逆變器在新能源領域的應用進行深入的分析與探究。

眾所周知，伴隨著傳統石化能源的日益枯竭，為了更好地滿足經濟發展的需求，人們將關注的焦點轉移到了新能源領域之中，可再生的新型能源主要包括太陽能、潮汐能、水能、風能以及生物質能等等。近些年中，新能源發電技術如雨后春筍般出現在社會之中，光伏發電就是其中一種方式。 太陽能逆變器是太陽能供電系統當中的關鍵部件。隨著以太陽能為龍頭的新能源產業的發展，以及新能源技術的深入推廣到家庭，企業事業單位，太陽能逆變器應用必然十分廣泛。以下是筆者結合自己多年的相關工作經驗，就光伏逆變器的應用情況提出自己的幾點拙見。

關于光伏逆變器在太陽能領域中的應用背景

在近些年中，我國的太陽能技術發展成就是有目共睹的，其產業規模一直處于不斷擴大的狀態當中，并且其產業體系也越來越完整。我國已經成為當前可再生能源投資最多的國家之一。根據相關統計，在2005年，世界范圍內可再生能源投資量已經達到了380億美元，而我國在其中的投資大約為60億美元，位居世界前列，其投資主要集中在小水能和太陽能兩個方面。

縱觀保定地區新能源產業的現狀，在近三年中，保定高新區新能源基地持續保持著20%以上的年均增長率，目前，保定已經擁有了5個國家級企業研發中心，25家高新區級企業研發中心，取得各種國家行業標準17項，科研成果300多項，專利180多項，多項已經達到國際、國內領先水平。

在太陽能供電系統當中，太陽能逆變器是非常關鍵的部件，在以太陽能為代表的新能源產業的開發與發展過程中，新能源技術逐漸推廣到家庭、企業事單位當中，太陽能逆變器的應用必然會越來越廣泛。

光伏逆變器的原理圖

光伏逆變器六大發展趨勢

服務逆變器，硬件發展速度非常之快。眾所周知，伴隨著CAN、SiC、性能優異的DSP等等越來越多的新型器件以及新型拓撲的廣泛應用，逆變器的使用效率越來越高。現階段，光伏逆變器的最高效率已經達到了99.5%，并且已經達到了A級，在不久的將來，必然可以達到A+，A++的理想目標。

功率加大、效率提高、電壓等級升高。現階段，在新能源領域當中，2.5MW以及更大功率等級的逆變器都被廣泛應用其中。這與1MW方陣相比較而言，功率等級為2.5MW的逆變器，可以在很大程度上節約成本，大概在0.1元/W左右，具體來解釋，就是100MW的電站可以直接在成本上減少1000萬的原始投資，除此之外，通過電纜匹配之后，還能夠保證直流部門的損耗相一致。

需要特別解釋的一點是，大型電站的未來發展趨勢會是1500V系統，和傳統的1000V系統相比較而言，排出組件的因素，就可以節省0.2元/W的投資，也就是說，對于一個100MW的電站來說，可以節省大概2000萬左右的原始投資，而且，1500V系統還可以將損耗降低大概0.27%左右。

功率提高，功率密度加大。組串式逆變器的功率一直處于不斷加大的狀態當中，現階段，組串式逆變器的最大功率都可以達到80KW，而且組串式逆變器的功率密度更是得到了非常大的提高，重量卻不斷降低，這就在很大程度上提高了應對復雜應用環境的適應能力。當前，專業領域內，最輕的40KW產品便是陽光電源的40KW組串式逆變器已經做到了39kg。關于散熱方面，智能風扇散熱是陽光電源一直所堅持的散熱方式，其目的就是為了更好地降低內部元器件的溫升，全面提升逆變器在高溫環境下的過載能力。通常情況下，所使用的風扇防護等級是IP65，壽命一般會維持在七萬個小時左右，質量保證年限是20年。

MLPE越發豐富和多元化。現階段，組件級產品的種類變得越來越豐富和多元化，諸如，以SolarEdge為代表的功率優化器、以Enphase為代表的微型逆變器等等，在今年，MLPE設備的出貨量已經達到預期的要求，已經超出了5GW。

適應性提高，保護更到位，更加安全可靠。漏電流保護、SVG功能、LVRT、直流分量保護、絕緣阻抗檢測保護、PID防護、防雷保護、PV正負反接保護等不斷完善的功能，使得逆變器對電網的適應能力進一步增強，不斷完善的保護功能，讓系統更加安全可靠。

環境適應力增強。伴隨著國民經濟的發展，未來光伏電站會被更多地應用在更多比較惡劣的環境當中去，比如：沙漠、沿海以及高原等等，所以，對光伏逆變器的抗風沙性、抗腐蝕性等等環境適應性能都有著更高的要求，其目的就是為了更好地確保惡劣環境下的安全性能與可靠性能。

光伏逆變器的研究工作具體內容分析

逆變模塊

第一級：采用帶隔離變壓器的推挽結構實現直流電轉換為方波。

推挽電路控制采用SG3525PWM控制器, 它是用于驅動溝道功率。它的誤差放大器同向輸入端接入由基準電源輸出端分壓提供的直流側電壓指令信號, 反向輸入端接直流側電壓反饋信號。是將器補償信號輸入端與反向輸人端之間接人反饋網絡,構成比例積分調節器, 直流母線電壓指令信號和反饋信號的誤差經過調節器后和三角波比較決定和的脈沖寬度來穩定直流側電壓。

第二級：第二級變換環節是隔離變壓器的副邊經過二極管不控整流橋把交流方波電壓轉換成不控的高壓直流電壓。高頻變壓器的磁芯選擇磁通密度較高, 溫度穩定性好, 價格低廉的鋅錳鐵氧體材料。

第三級：變換環節是全橋逆變電路,當高壓直流電壓變化時, 通過調節T1、T4和T2、T3的輸出脈沖寬度, 使輸出交流電壓的有效值保持不變。

控制模塊

主要完成的任務：輸出電壓的穩定度的控制；諧波失真的控制；輸出頻率的控制；輸出功率的控制；對于特定使用條件的控制：特殊使用條件比如路燈，通訊基站等要采用傳感器對逆變進行控制。

保護模塊

硬件短路電流、欠壓保護：短路電流保護電路設計；阻容濾波電路的設計；電源電壓欠壓保護。

過熱保護：主要指功率元件的熱保護

負載電流的反時限保護。軟件系統的設計研制：儀器中各伺服電路驅動軟件的編制；顯示、人機接口及通信軟件的編制；在完成以上工作的基礎上，完成整機的組裝、調試；在實驗室進行各項實際測量試驗；并針對出現的問題對軟硬件系統進行完善，達到項目與其的目的。

光伏逆變器在新能源領域中的應用案例

助力奧運，推動綠色科技。眾所周知，我國在籌備奧運會期間，北京科諾偉業承擔了一項非常重要的項目，也是當前非常受矚目的一個項目，那就是奧運公園節能與可再生能源利用示范，科諾偉業主要承擔的是奧運公園太陽能利用示范項目的實施工作，這不僅僅向世界充分展示出了我們國家關于奧運會，提出的“科技奧運、綠色奧運”的理念，而且也是對并網逆電器應用的最好詮釋。

在科技奧運、綠色奧運的舉辦過程當中，并網逆變器在其中擔任著至關重要的角色，但是，其更像是一個默默無聞的工作人員，雖然不顯眼，但是卻發揮出了自己該有的價值。國家體育館，之所以能夠成為光伏和建筑一體化的經典之作，其根源就在于國家體育館100千瓦并網光伏發電系統和國家體育館的建筑主體完美地結合在了一起，這是綠色與科技完美融合的經典電表作品。

國家體育館中，關于太陽能電池組件，一共有1124塊，其組件都是根據體育館屋頂的采光帶來進行安裝的，基本上都集中在了屋頂和南立面，原來的一部分建筑材料也被其有效地替代掉，非常好地滿足了節能建筑的要求。其工作原理是：太陽能電池組將其吸收到的太陽輻射能轉化成為直流電，然后由專項線路輸送到地下一層太陽能發電控制室，再通過逆變器將直流電轉化成為交流電，再經專用設備并網輸送到低壓配電系統。太陽能電池組每天額定輸出功率達到100千瓦,這樣,館內2萬平方米地下場所的照明就有了保障。

以新能源創造新生活。在近些年的發展過程中，我國關于太陽能的開發利用取得了舉世矚目的成就，無論是太陽能光伏發電技術水平還是實用化程度都有著非常顯著地提高，其實際應用的范圍和規模也都在迅速擴大，并網逆變器也隨之得到了更加廣泛的應用，發展空間也得到很大的拓展。太陽能光伏發電系統的應用體現了我國對環境保護的告訴重視，也在很大程度上警醒并提升了社會大眾的環保意識以及節約能源的意識。國家不斷出臺各種各樣的政策來支持太燙能產業的成長與發展，在2009年，國務院財政部就連續發布了三個重要的文件，讓社會大眾的眼光迅速聚焦在了太陽能產業上面。

在我國范圍內，各個省份和地區都開始更提出了興建大型太陽能發電站的計劃，并且也積極投入到建設工作當中，我們從中不難發現，集中式大型光伏并網電站是光伏產業發展進行中一個必然的發展方向與發展趨勢，與這一發展趨勢有著緊密關聯的光伏逆變器必然有著非常廣闊的發展前景。

在2012年8月20日，青海省格爾木200兆瓦大型荒漠并網光伏電站一期20兆瓦工程在格爾木市郊荒漠戈壁上的正式開工，標志著我國最大的太陽能發電項目正式施工，同時，其工程的開工，也標志著青海省在柴達木盆地打造“中國西部光電風電產業基地”的戰略構想邁出實質性步伐。

根據國家發改委可再生能源發展規劃,我國的光伏發電累計裝機容量在 2020年將達到1.8GWp。那么,光伏并網逆變器必將繼續在“以新能源創造新生活”的進程中大展身手了。

綜上所述，在光伏發電站中，必須要借助光伏逆變器來完成直流電向交流電的轉變，光伏逆變器是發電系統中最重要的組成部分之一，所以，必須要對光伏逆變器的工作原理以及結構進行更深入的了解，進而更好地設計與優化光伏發電站，充分發揮光伏逆變器的重要價值。

（作者單位：1.保定眾騰電氣科技有限公司； 2.河北軟件職業技術學院）

2016年保定市科學技術研究與發展指導計劃（第二批），項目編號：16ZG024