實現(xiàn)更高效可靠的太陽能逆變器設計

1、實現(xiàn)更高效可靠的太陽能逆變器設計    由于能源需求不斷增長，有報告稱中國到2010年將成為頭號二氧化碳排放國；而化石能源的稀缺，使可再生能源成為全球性話題。因此發(fā)展太陽能光伏技術成為中國節(jié)能減排戰(zhàn)略中的關鍵。有市場分析報告指出，2008年中國大陸光伏電池產(chǎn)量已居全球第一，擁有諸如尚德、晶澳、中電光伏和天合等一批光伏電池精英生產(chǎn)商。而金融危機同時也給了中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)一個整合與升級的良機。當前，太陽能光伏市場(包括光伏模塊和逆變器)正以每年約30由于能源需求不斷增長，有報告稱中國到2010年將成為頭號二氧化碳排放國；而化石能源的稀缺，使可再生能源成為全

2、球性話題。因此發(fā)展太陽能光伏技術成為中國節(jié)能減排戰(zhàn)略中的關鍵。有市場分析報告指出，2008年中國大陸光伏電池產(chǎn)量已居全球第一，擁有諸如尚德、晶澳、中電光伏和天合等一批光伏電池精英生產(chǎn)商。而金融危機同時也給了中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)一個整合與升級的良機。當前，太陽能光伏市場(包括光伏模塊和逆變器) 正以每年約30%的年累積速度增長。太陽能逆變器的作用是將隨太陽能輻射及光照變化的DC電壓轉(zhuǎn)換成為電網(wǎng)兼容的AC輸出；而對于廣大電子工程師而言，太陽能逆變器是一個值得高度關注的技術領域。因此下文將介紹太陽能逆變器設計所需注意的技術要點、挑戰(zhàn)以及相應的解決方法。 基本設計標準 基于太陽能逆變

3、器的專用性以及保持設計的高效率，它需要持續(xù)監(jiān)視太陽能電池板陣列的電壓和電流，從而了解太陽能電池板陣列的瞬時輸出功率。它還需要一個電流控制的反饋環(huán)，用于確保太陽能電池板陣列工作在最大輸出功率點，以應付多變的高輸入。目前，太陽能逆變器已有多種拓撲結構，最常見的是用于單相的半橋、全橋和Heric(Sunways專利)逆變器，以及用于三相的六脈沖橋和中點鉗位（NPC）逆變器；圖1所示是這些逆變器的拓撲圖 (Microsemi圖源)。同時，設計還需遵從安全規(guī)范，并在電網(wǎng)發(fā)生故障的時候可以快速斷開與電網(wǎng)的連接。因此，太陽能逆變器的基本設計標準包括額定電壓、容量、效率、電池能效、輸出AC電源質(zhì)量、最大功率點

4、跟蹤（MPPT）效能、通信特性和安全性。 圖1a：半橋逆變。圖1b：全橋逆變器。  圖1c：Heric逆變器。  圖1d：三相橋逆變器。圖1e：NPC三級逆變器。  額定電壓：太陽能逆變器的主要功能是把來自光伏面板（有時是經(jīng)過穩(wěn)壓的DC電壓）的可變DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓以驅(qū)動負載或給電網(wǎng)供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V；而對工業(yè)應用來說，480V也很常見。對選定的逆變器拓撲來說，輸出AC電壓的范圍將決定 DC母線電壓以及每個半導體開關的額定電壓。 容量：它是太陽能逆變器

5、額定功率的另一個說法。該數(shù)值在200W（面板集成模塊）到數(shù)百千瓦之間。容量越大，逆變器的體積越大、價格越高。太陽能逆變器的成本以美元/瓦來衡量。就一個恰到好處的設計而言，確定容量時，必須把浪涌、過載以及連續(xù)工作模式等情況考慮在內(nèi)。 效率：每個太陽能逆變器都有其對效率（輸出功率/輸入功率）的要求，例如，一個數(shù)千瓦系統(tǒng)的典型效率可達95%?；谔柲荜嚵械哪芰哭D(zhuǎn)換效率相對低（約在15%左右）的事實，所以，就以最小的太陽能面板獲得最多的輸出功率來說，高效逆變器具有非常重要的意義。 電池能力：在逆變器的DC側(cè)加裝電池組起著能量緩存器的作用，它能平抑DC電壓可能的波動并把負載還未使用

6、的能量存儲起來。電池能力的一個優(yōu)點是當天黑時仍可持續(xù)提供能量。任何加裝了電池的太陽能逆變器都需要電池控制器，雖然在連接電網(wǎng)的情況一般用不到。 輸出功率質(zhì)量：源于逆變器內(nèi)在的開關模式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，且通常還包含由脈寬調(diào)制（PWM）引入的寬范圍高頻諧波。對許多電子負載來說，這些諧波有害無益；當并網(wǎng)時，這些諧波成為污染源。盡管有這些諧波，太陽能逆變器依然能夠?qū)ω撦d較差的功率因數(shù)進行補償，并弱化諸如電壓驟降和波動等電源質(zhì)量問題。一款設計精良的太陽能逆變器應輸出近似正弦波并減少引入到電網(wǎng)內(nèi)不期望的低頻成分。 MPPT效能：太陽能面板的輸出將遵循電流-電壓曲線圖中

7、不同光照條件下的一系列特性曲線，因此，為獲得最大功率輸出，需對電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)。最大功率點跟蹤手法類似獲取內(nèi)燃機最佳效率曲線的作法，其中，扭矩和速度對應電流和電壓。過去10年間，開發(fā)出若干算法，其中最流行的是通過擾動電壓和觀察輸出的方法。 通信特性：對一個數(shù)千瓦的太陽能逆變器來說，構建一個用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲的通信連接很有必要。歸功于當今這樣一個數(shù)字時代，作為一種通用控制器的微處理器(MCU)很適合該功能。 安全性：有兩個含義：1.當并網(wǎng)時，需仔細觀察波形并在掉電時，立即切斷連接；反孤島保護對此很關鍵。2.維護和維修時，工作人員應沒安全風險。 并網(wǎng)逆變器需要在不降低功率等級的前提下，緊密匹配電網(wǎng)的相位和頻率。在并網(wǎng)時，逆變器能夠把負載用不了的電能回送至電網(wǎng)且無須借助體積龐大、成本高昂的能量存儲器件?；诎踩紤]，并網(wǎng)的逆變器將在掉電時自動切斷且一般沒有用于存儲能量的電池組。同時，離網(wǎng)太陽能逆變器工作在獨立模式，無需與外部AC 電網(wǎng)同步。所以，它不需要任何反孤島保護措施。 另外，對于逆變器的并網(wǎng)設計和離網(wǎng)設計，兩者間的區(qū)別還在于輸出級。然而，在并網(wǎng)連接系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下，