光伏并網(wǎng)微逆變器關(guān)鍵技術(shù)分析.doc

光伏并網(wǎng)微逆變器關(guān)鍵技術(shù)分析2010年11月11日 來源：英偉力新能源科技(上海)有限公司 作者：吳紅飛 責(zé)任編輯：Aglaia 微逆變器區(qū)別于傳統(tǒng)逆變器的特點微逆變器的設(shè)計考慮因素微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù)引言： 常見的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括集中式、串式、多串式和交流模塊式等幾種方案。集中式、串式和多串式系統(tǒng)中，都存在光伏組件的串聯(lián)和并聯(lián)，因此系統(tǒng)的最大功率點跟蹤時針對整個串并聯(lián)光伏陣列，無法兼顧系統(tǒng)中每個光伏陣列，單個光伏陣列利用率低、系統(tǒng)抗局部陰影能力差，且系統(tǒng)擴展靈活性不夠。光伏并網(wǎng)微逆變器(簡稱微逆變器)與單個光伏組件相連，可以將光伏組件輸出的直流電直接變換成交流電并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，具有以下優(yōu)點：(1)保證每個組件均運行在最大功率點，具有很強的抗局部陰影能力；(2)將逆變器與光伏組件集成，可以實現(xiàn)模塊化設(shè)計、實現(xiàn)即插即用和熱插拔，系統(tǒng)擴展簡單方便；(3)并網(wǎng)逆變器基本不獨立占用安裝空間，分布式安裝便于配置，能夠充分利用空間和適應(yīng)不同安裝方向和角度的應(yīng)用；(4)系統(tǒng)冗余度高、可靠性高，單個模塊失效不會對整個系統(tǒng)造成影響。 微逆變器的概念由來已久，但最初并沒有引起人們的注意，近年來隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展以及技術(shù)的進步，使得微逆變器十分具有吸引力。美國加州Petaluma的Enphase從2008年開始微逆變器的商業(yè)化量產(chǎn)，并取得了不錯的銷售成績，使得微逆變器獲得了更廣泛的認可，吸引了眾多公司紛紛加入到微逆變器的研發(fā)行列，德國艾斯瑪太陽能技術(shù)股份公司(SMASolarTechnology)2009年通過技術(shù)收購荷蘭OKE-Services光伏系統(tǒng)電子開發(fā)商，進入了微逆變器市場。國內(nèi)眾多的光伏并網(wǎng)逆變器生產(chǎn)廠商主要從事大功率集中并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的開發(fā)，隨著國內(nèi)外微逆變器市場的日益火熱，眾多廠商也紛紛蠢蠢欲動，嘗試開始微逆變器產(chǎn)品的開發(fā)，英偉力(Involar)新能源科技公司是國內(nèi)最早從事微逆變器研究的公司，公司從2008年初開始微逆變器技術(shù)的開發(fā)，經(jīng)過近兩年的努力已完全自主掌握了微逆變器的核心技術(shù)，并于2010年5月份成功發(fā)布了其第一代產(chǎn)品MAC250，目前該款微逆變器產(chǎn)品已經(jīng)推向市場。 微逆變器不同于傳統(tǒng)大功率集中式逆變器，本文重點分析微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù)。 微逆變器的特點及設(shè)計考慮因素 微逆變器區(qū)別于傳統(tǒng)逆變器的特點： （1）逆變器輸入電壓低、輸出電壓高 單塊光伏組件的輸出電壓范圍一般為2050V，而電網(wǎng)的電壓峰值約為311V(220VAC)或156V(110VAC)，因此，微逆變器的輸出峰值電壓遠高于輸入電壓，這要求微逆變器需要采用具備升降壓變換功能的逆變器拓撲；而集中式逆變器一般為降壓型變換器，其通常采用橋式拓撲結(jié)構(gòu)，逆變器輸出交流側(cè)電壓峰值低于輸入直流側(cè)電壓； （2）功率小 單塊光伏組件的功率一般在100W300W，微逆變器直接與單塊光伏組件相匹配，其功率等級即為100W300W，而傳統(tǒng)集中式逆變器功率通過多個光伏組件串并聯(lián)組合產(chǎn)生足夠高的功率，其功率等級一般在1kW以上。 微逆變器的設(shè)計考慮因素： （1）變換效率高 并網(wǎng)逆變器的變換效率直接影響整個發(fā)電系統(tǒng)的效率，為了保證整個系統(tǒng)較高的發(fā)電效率，要求并網(wǎng)逆變器具有較高的變換效率。 （2）可靠性高 由于微逆變器直接與光伏組件集成，一般與光伏組件一起放于室外，其工作環(huán)境惡劣，要求微逆變器具有較高的可靠性 （3）壽命長 光伏組件的壽命一般為二十年，微逆變器的使用壽命應(yīng)該與光伏組件的壽命相當。 （4）體積小 微逆變器直接與光伏組件集成在一起，其體積越小越容易與光伏組件集成。 （5）成本低 低成本是產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢，也是微逆變器市場化的需求。 微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù) （1）微逆變器拓撲 微逆變器的特殊應(yīng)用需求決定了其不能采用傳統(tǒng)的降壓型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，如全橋、半橋等拓撲，而應(yīng)該選擇能夠同時實現(xiàn)升降壓變換功能的變換器拓撲，除能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓變換功能外，還應(yīng)該實現(xiàn)電氣隔離；另一方面，高效率、小體積的要求決定了其不能采用工頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離，需要采用高頻變壓器。 可選的拓撲方案包括：高頻鏈逆變器、升壓變換器與傳統(tǒng)逆變器相組合的兩級式變換、基于隔離式升降壓變換器的Flyback逆變器等幾種，其中Flyback變換器拓撲結(jié)構(gòu)簡潔，控制簡單、可靠性高，是一種較好的拓撲方案，目前Enphase、Involar（英偉力）等公司開發(fā)的微逆變器產(chǎn)品均是基于Flyback變換器。 （2）高效率變換技術(shù) 為了減小微逆變器的體積，要求提高逆變器的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率的提高必然導(dǎo)致開關(guān)損耗升高、變換效率下降，因此小體積與高效率兩者之間是矛盾的，高頻軟開關(guān)技術(shù)是解決兩者矛盾的有效方法，軟開關(guān)技術(shù)可以在不增加開關(guān)損耗的前提下提高開關(guān)頻率。 研究和開發(fā)簡單有效的軟開關(guān)技術(shù)并將軟開關(guān)技術(shù)與具體的微逆變器拓撲相結(jié)合是微逆變器開發(fā)需要解決的關(guān)鍵問題之一，據(jù)報道，英偉力公司引入諧振軟開關(guān)技術(shù)有效改善了微逆變器的變換效率，其發(fā)布的MAC250微逆變器產(chǎn)品最高效率達到95%以上，CEC效率達到94.5%以上。 （3）并網(wǎng)電流控制技術(shù) 傳統(tǒng)的集中式并網(wǎng)逆變器中一般采用電流閉環(huán)控制技術(shù)保證進網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實現(xiàn)高質(zhì)量的并網(wǎng)電流控制，如采用PI控制、重復(fù)控制、預(yù)測電流控制、滯環(huán)控制、單周期控制、比例諧振控制等控制方法，上述方法都需要采用電流霍爾等元件采樣進網(wǎng)電流，進而實現(xiàn)并網(wǎng)電流的控制。 由于微逆變器的小功率特色，為了降低單位發(fā)電功率的成本，且考慮到體積要求，開發(fā)新型的高可靠性、低成本小功率并網(wǎng)電流控制技術(shù)是微逆變器開發(fā)需要解決的另一個關(guān)鍵性問題。 （4）高效率、低成本最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù) 光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率為電池板的光電轉(zhuǎn)換效率、MPPT效率和逆變器效率三部分乘積，高效率MPPT技術(shù)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率提高和成本降低有十分重要的意義。 常見的MPPT算法包括開路電壓法、短路電流法、爬山法、擾動觀察法、增量電導(dǎo)法以及基于模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的智能跟蹤算法等，上述MPPT方法中一般需要同時檢測光伏輸出側(cè)電壓和電流，進而計算出并網(wǎng)功率。 微逆變器的光伏側(cè)輸入電壓低，因此光伏側(cè)的電流較大，如果采用電阻檢測輸入側(cè)電流，對微逆變器的整機效率影響較大，而采用霍爾元件采樣光伏側(cè)電流則會增加系統(tǒng)成本及逆變器體積，因此針對微逆變器的特殊要求，需要開發(fā)新型的無需電流檢測的高效率MPPT技術(shù)。據(jù)報道，英偉力公司研究了一種無電流傳感器MPPT技術(shù)來適應(yīng)微逆變器的應(yīng)用需求，MPPT效果良好，跟蹤精度達到99.9%以上。 （5）孤島檢測技術(shù) 孤島檢測是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必備的功能，是人員和設(shè)備安全的重要保證。針對微逆變器的特殊應(yīng)用需求，開發(fā)簡單、有效、零檢測盲區(qū)、不影響進網(wǎng)電流質(zhì)量的孤島檢測技術(shù)是微逆變器開發(fā)需要解決的一個重要課題。 （6）無電解電容變換技術(shù) 光伏組件的壽命一般為2025年，要求微逆變器的壽命必須接近光伏組件，而電解電容式功率變換器壽命的瓶頸，要使微逆變器達到光伏組件的壽命，必須減少或避免電解電容的使用，因此研究和開發(fā)無電解電容功率變換技術(shù)是微逆變器開發(fā)需要解決的另一個課題。 （7）信息通信技術(shù) 當多個微逆變器組成分布式發(fā)電系統(tǒng)時，系統(tǒng)需要實時收集每個微逆變器的信息，以實現(xiàn)有效的監(jiān)測與管理，因此需要低成本、高效、高可靠性信息通信技術(shù)作為保證，可以利用的通信技術(shù)包括PLC、ZigBee、Z-Wave、6LowPA、PoE、GPRS、GSM技術(shù)等。 英偉力微逆變器產(chǎn)品分析 英偉力新能源科技(上海)有限公司最近發(fā)布的一款微逆變器產(chǎn)品MAC250主要參數(shù)如下： 額定輸出功率：180VA； 峰值輸出功率：220VA 輸入電壓：20V50V； 輸入電壓：187VAC242VAC； 工作頻率范圍：49.5Hz50.5Hz； 最大效率：95%； CEC效率：94% 工作環(huán)境溫度：-4065 重量：2.4kg 體積：240mm*138mm*35mm 保修期：15年。 從上述指標可知，該款微逆變器產(chǎn)品已經(jīng)滿足了上述設(shè)計和使用要求，變換效率等指標達到了集中式并網(wǎng)逆變器的技術(shù)水平。 總結(jié) 本文分析了微逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀，重點分析了微逆變器開發(fā)所需要解決的關(guān)鍵性問題，分析表明，微逆變器與傳統(tǒng)重大功率集中并網(wǎng)逆變器存在明顯的不同，為了掌握微逆變器的核心技術(shù)，需要解決包括逆變器拓撲、軟開關(guān)、并網(wǎng)電流控制、MPPT等多個關(guān)鍵性核心技術(shù)。太陽能照明系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究2010年11月22日 來源：硅谷 作者：薛勇; 毛明科; 汪明健 責(zé)任編輯：doeboy 【中心議題】 詳細闡述太陽能照明系統(tǒng)的調(diào)光、驅(qū)動方式以及散熱問題 介紹了蓄電池的種類，容量的確定方法 【解決方案】 采用電流調(diào)節(jié)和脈沖寬度調(diào)制兩種方式進行調(diào)光 利用開關(guān)電源驅(qū)動LED 提高散熱性能 0 引言隨著煤炭，石油，天然氣等不可再生能源的日趨枯竭，能源問題己經(jīng)成為制約人類經(jīng)濟社會發(fā)展的重要問題之一，太陽能作為無污染的可再生的綠色能源，越來越受到世界各國的青睞，充分開發(fā)利用太陽能是各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略，是解決能源與環(huán)境保護的主要對策之一。目前，利用太陽能的有效途徑就是將它轉(zhuǎn)換成電能的光伏發(fā)電技術(shù)，而太陽能照明系統(tǒng)就是光電轉(zhuǎn)換的一個重要用途。1 太陽能照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般太陽能照明系統(tǒng)包括太陽能電池板，蓄電池，控制器和照明負載(LED燈)。在白天有陽光的時候，太陽能電池所產(chǎn)生的電量一部分是供給照明負載，一部分是儲存在蓄電池當中。當晚上或則陰雨天氣的時候，照明負載就完全由蓄電池來供電。由于光伏系統(tǒng)容易受外界的影響，所以配備一個控制器實現(xiàn)調(diào)節(jié)、控制、保護等功能。圖一所列的是太陽能照明系統(tǒng)的框圖。2 照明負載(LED燈)隨著各種不可再生能源的不斷匾乏，尋求新能源是頭等大事，但與此同時節(jié)約能源也是我們面臨的重要的問題。在整個照明領(lǐng)域，以白熾燈為主力軍的角色己經(jīng)發(fā)生改變，目前備受人們關(guān)注的LED燈已經(jīng)開始進入市場。它作為一種新型的綠色照明光源，勢必會以獨特的優(yōu)勢取代傳統(tǒng)光源。2.1 LED的特點。本系統(tǒng)中照明負載采用的是LED燈，它是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化成化學(xué)能的半導(dǎo)體器件。它主要有以下幾個特點:LED的發(fā)光效率高，理論上分析，它的轉(zhuǎn)換率可達到100%，是熒光燈的兩倍，比白熾燈高10倍。由于LED燈的特性是直流低壓，而太陽能組件輸出與蓄電池所儲存的都是直流電壓，故省去了交直流轉(zhuǎn)換的逆變器，節(jié)約了成本。壽命長，LED燈的理論壽命可長達10萬小時。目前，國外的產(chǎn)業(yè)化的LED燈壽命在3一5萬小時。除此之外，它還有可靠穩(wěn)定，壽命長，環(huán)保等特點。2.2 LED的調(diào)光方式。LED的調(diào)光方式主要分為兩種:電流調(diào)節(jié)方式。LED具有類似二極管的正向電壓特性曲線，所以LED的亮度由電流來控制。一般情況下，它隨著電流的增大，亮度會增加，所以我們可以通過改變電流的大小來調(diào)節(jié)LED燈的亮度。但是此種調(diào)光方式，只有工作在某個特定的正向電流值的范圍內(nèi)，LED的亮度才與電流成正比。如果超出這個范圍，LED就會變色，可能偏藍或偏紫。同時，由于電流增大，相應(yīng)的溫度會升高，這會對LED器件造成損壞，影響其使用壽命。脈沖寬度調(diào)制。它是在恒定電流和恒定功率的情況下，通過改變P姍信號的占空比來調(diào)節(jié)LED的亮度，所以就不會出現(xiàn)電流調(diào)節(jié)方式的變色和損壞器件等現(xiàn)象。如需要50%的亮度就提供50%的占空比的電流。2.3 LED的驅(qū)動方式。LED驅(qū)動方式主要有電阻限流和恒流源兩種工作方式。蓄電池在充放電時，電壓和電流都存在著波動，而電阻限流的驅(qū)動方式缺點是，會隨著蓄電池的這種變化致使LED燈的亮度發(fā)生改變，而且工作在此種方式下，附加的電阻會損耗很多的能量。正因如此，我們考慮恒流源驅(qū)動。前面所介紹LED的亮度，壽命等與電流有著直接的關(guān)系，所以恒流源驅(qū)動是最好的工作方式。其中，恒流源驅(qū)動又包括電荷泵和開關(guān)電源兩種。電荷泵是以電容器為儲能元件，利用分離電容器將電源從輸入端傳送至輸出端，而不需要附加電感。但它有個缺點，只能提供有限的輸出電壓，一般都低于輸入電壓的兩倍，所以必須采用并聯(lián)的驅(qū)動方式。開關(guān)電源是以電感為儲能元件，有Boost(升壓電路)，Buek(降壓電路)，Buek一Boost(升壓/降壓電路)三種。它的工作方式是，先對電感進行充電，之后電感釋放所儲存的電能，從而得到輸出電壓，電路中的濾波電容、儲能電感、續(xù)流二極管的結(jié)構(gòu)不同，實現(xiàn)升壓或降壓的功能。開關(guān)電源以其輸出范圍寬，工作效率高等特點，得到廣泛的應(yīng)用。2.4 LED的散熱技術(shù)。相對于傳統(tǒng)光源，LED是屬于冷光源型，因為LED發(fā)光的時候不會出現(xiàn)大量的紅外輻射。但是它發(fā)光的時候會使PN結(jié)產(chǎn)生熱量，致使溫度升高，影響LED的壽命，所以必須提高它的散熱功能。一般我們會研究以下幾個方面來解決LED的散熱問題:在LED的熱沉上裝散熱片，一般是選擇導(dǎo)熱性能好的鋁片，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。LED的熱阻越低越好，這對導(dǎo)出PN結(jié)的溫度十分重要。LED產(chǎn)生的熱量與內(nèi)量子效應(yīng)有關(guān)，可以通過改進氮化稼生長過程中的材料結(jié)構(gòu)，獲得高質(zhì)量的外延片，提高內(nèi)量子效應(yīng)，加快芯片結(jié)到外延層的熱傳導(dǎo)。3 電池考慮到晚上或者連續(xù)陰雨天氣的狀況，照明系統(tǒng)中必須配備蓄電池，以滿足對照明負載的供電。蓄電池的種類很多，有鉛酸蓄電池，錫鎳蓄電池，鐵鎳蓄電池，鏗離子蓄電池等等。但是，目前市場上使用最多的是鉛酸蓄電池。使用蓄電池必須注意一下幾點:盡量使用MPPT充分利用太陽能電池。充電特性要滿足蓄電池的要求，這樣才能更好的延長蓄電池的壽命。由于不同負載對蓄電池的容量要求不同，包括放電深度，溫度，控制器效率，放電率等都會對蓄電池的容量造成影響，所以系統(tǒng)對蓄電池的容量選擇非常的重要。如果采用免維護鉛酸閥控式蓄電池，則按照以下的公式確定容量:蓄電池容量二(自給天數(shù)x日平均負載)/最大放電深度。4結(jié)束語太陽能照明是光伏發(fā)電的重要部分，由于它是可再生能源，無污染，不需要鋪設(shè)電纜線等優(yōu)點，得到大力的推廣。隨著科學(xué)的發(fā)展，提高LED能量轉(zhuǎn)化效率，更好的處理散熱問題，擁有一個合理的價格，不久的將來LED燈必定會普照社會的每一個角落。太陽能光伏發(fā)電在住宅戶用供電系統(tǒng)的應(yīng)用2010年11月22日 來源：科技信息 作者：張紅蓮 責(zé)任編輯：doeboy 【中心議題】 介紹了光伏供電系統(tǒng)的原理及技術(shù) 給出了太陽能光伏發(fā)電在住宅戶用供電系統(tǒng)的應(yīng)用 【解決方案】 采用了無變壓器式的能量變換器 遵循216V供電體制 運用小電流放電方式 0引言日益惡化的生態(tài)環(huán)境、能源短缺使人們逐步認識到，人類必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，大力開發(fā)和利用可再生能源是必由之路，開發(fā)綠色的、可持續(xù)的新型能源已成為歷史必然。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加速，對能源、電力的需求越來越大。而潔凈安全的太陽能發(fā)電技術(shù)，越來越得到廣泛的重視和應(yīng)用，也越來越貼近人們的生活。本文討論太陽能光伏發(fā)電在居民住宅供電上的應(yīng)用。1光伏發(fā)電在住宅供電的必要性在偏遠農(nóng)村山區(qū)無電地區(qū)，人們生活、生產(chǎn)用電無法得到保障，如果這些地區(qū)光照充足，采用太陽能光伏供電，可以解決照明、配電問題。在城鎮(zhèn)，人民生活水平不斷提高，各種家電逐漸走人日常居民家庭。一些老住宅，由于在規(guī)劃設(shè)計中對居民用電負荷估計太低，選用的線路截面、負荷開關(guān)容量偏小等，造成用電線路經(jīng)常性的過負荷跳閘，超負荷運行燒毀開關(guān)、電能表、電線等現(xiàn)象，產(chǎn)生了很大的安全隱患。再者，由于老住宅的用戶密度高，預(yù)留空間小，對于重排供配電線路或加設(shè)線路都有較大的難度，且線路的安全性也受到威脅。因此研究太陽能光伏發(fā)電在住宅供配電系統(tǒng)的應(yīng)用很有必要。2光伏供電系統(tǒng)介紹光伏供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。太陽能電池序列將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，給蓄電池組充電，由蓄電池組給直流負載供電，而能量變換器將光伏發(fā)電獲得的直流電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻交流電能，供交流負載用電，是太陽能利用的關(guān)鍵技術(shù)。2.1太陽能電池陣列系統(tǒng)中的太陽能電池陣列，采用12Vl8的串聯(lián)形式，每塊太陽電池的功率可根據(jù)系統(tǒng)所需功率來確定。選用效率高(11)、成本低的納米晶體化學(xué)太陽電池，成本是晶體硅太陽電池成本的1/51/10，壽命可達20a，應(yīng)用這種光電池可大幅度地降低系統(tǒng)的成本。相應(yīng)地采用串聯(lián)形式的12V18的蓄電池組，其容量可根據(jù)需要靈活配置。2.2能量變換器大多數(shù)中、小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，一般都采用直流供電體制供直流系統(tǒng)使用，或者經(jīng)逆變器把直流電變換成220V方波供交流電器使用，這樣使系統(tǒng)的使用效率受到了極大的限制，整個系統(tǒng)的使用效率限制在85左右。太陽能電池的效率不高，單晶硅為15，多晶硅為14。非晶硅和薄膜太陽電池為10，蓄電池的充放電效率為85。如果系統(tǒng)的使用效率不提高，勢必會增加整個系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)中，采用的無變壓器式的能量變換器，其電路原理圖如圖2所示，其效率大幅度提高，不小于95。對以交流負載為主的家用光伏供電系統(tǒng)來說，采用這種供電體制，可大大節(jié)約昂貴的“太陽電”，降低了整個光伏系統(tǒng)的成本。2.3蓄電池組光伏發(fā)電為綠色能源發(fā)電，