德博士•深“胶”浅谈：光伏系统的“心脏”——逆变器解析

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在过往的文章中，我们探讨了光伏产业中的几项热门技术。本文，德博士将带领大家走进光伏系统的核心部分——逆变器。作为光伏系统的“心脏”，逆变器在将太阳能电池组件产生的电能逆变为可用电力的过程中扮演着至关重要的角色。本文，德博士将向您介绍逆变器的关键技术、工作原理、类型及其未来发展趋势。

什么是光伏逆变器？

光伏逆变器是光伏系统中的核心设备之一，主要是将太阳能电池组件产生的直流电（DC-Direct Current）通过电子元器件逆变为交流电（AC-Alternating Current）输送家庭、企业或并网电力系统。

逆变器的工作原理

DC/AC逆变器工作原理

输入阶段：

太阳能电池组件被太阳光照射产生光电效应生成直流电（DC），直流电（DC）先经过一个保护电路，以确保逆变器和其他设备安全运行。随后，电流进入整流器，该装置将直流电（DC）转换为固定幅值的脉冲电流。

中间电路阶段：

在中间电路阶段，脉冲电流通过一个电容器滤波器进行处理，以平滑电流并减少噪音。随后，电流进入一个叫做“逆变桥”的电路。逆变桥由四个开关器件组成。通过控制这些开关的开闭状态，逆变桥可以精确地调整输出电信号的频率和幅度。

输出阶段：

在输出阶段，经过逆变桥的脉冲电流进一步逆变为连续的交流电（AC）信号。此时，交流电（AC）可以直接被具备特定频率和幅度的设备使用。输出阶段通常还包括输出滤波器，可以去除任何残留的高频噪音和谐波。

那所谓的DC/DC“逆变器”又是什么呢？

严格来说，DC/DC“逆变器”并不是真正意义上的光伏逆变器，更多的是被称为变流器。太阳能电池组件所产生的电能会受到外界温度和天气的影响，输出的直流电（DC）具有不稳定性，其电能质量和性能难以直接满足负载的运行要求。这时就需要使用DC/DC变流器，它能够调节和转换电能，从而确保系统的可靠性和可用性。

DC/DC变流器工作原理

输入阶段：

太阳能电池组件被太阳光照射产生光电效应生成直流电（DC），电压较低的直流电（DC）输入后首先经过升压变换器中的开关元件进行高频切换。

中间电路阶段：

在中间电路阶段，在开关元件断开的瞬间，高频变压器内电感储存的能量将以电磁感应的形式传送到电容中，使输出端的电压升高，这种方式被称为“磁场转变”或“磁能存储”，电感在电路中起到平滑电流和存储能量的作用。电容在电路中用于平滑输出端电压。

输出阶段：

在输出阶段，将低电压的直流电（DC）一直变换、反转并升压最后形成目标电压，供给负载使用。

光伏逆变器的种类

光伏逆变器根据不同的应用场景和设计结构，主要分为以下几种类型：

集中式逆变器：

集中逆变技术是若干个平行的光伏组串被连接到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用的三相IGBT（Insulate-Gate Bipolar Transistor）模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP（Digital Signal Processing）转换控制器来改善所产出的电能的质量，使它非常接近于正弦波电流，一般用于大于10KW的大型光伏发电站系统中。

应用场景：大型光伏电站、山地、荒漠等

优点：

1、功率大，数量少，便于管理；元器件少，稳定性好，便于维护。

2、谐波含量少，电能质量高；保护功能齐全，安全性高。

3、有功率调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好。

缺点：

1、集中式逆变器MPPT电压范围较窄，不能监控到每一路组件的运行情况，因此不可能使每一路组件都处于最佳工作点，组件配置不灵活。

2、集中式逆变器占地面积大，需要专用的机房，安装不灵活。

3、逆变器自身耗电大，机房散热通风需求大，系统维护相对复杂。

组串式逆变器：

组串式光伏逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（1-5KW）通过一个逆变器，在直流段具有最大功率峰值跟踪，在交流段并联并网。

应用场景：中小型光伏系统，如商用或家庭屋顶系统等

优点：

1、每一组光伏组件配备一个逆变器，系统灵活性高。

2、体积小，重量轻，自身耗电量低，故障影响小、方便维护。

3、MPPT电压范围宽，一般为250-800V，组件配置灵活，阴雨天发电时间长。

缺点：

1、元器件较多，设计制造难度大，成本高。

2、逆变器数量多，总故障率会升高，监控难度大。

3、不带隔离变压器设计，电气安全性稍差，不适合薄膜组件负极接地系统。

4、户外型安装，风吹日晒很容易导致外壳和散热片老化；

微型逆变器：

微型逆变器能够在面板级实现最大功率点追踪，拥有超越中央逆变器的优势。可以通过对各模块的输出功率进行优化，使得整体的输出功率最大化。

应用场景：小型分布式光伏系统、屋顶家用等

优点：

1、可靠性高，配置灵活。

2、无高压电，更安全，安装简单。

3、有效降低局部遮挡造成的阴影对输出功率的影响。

缺点：

1、只适用于屋顶家用，应用受到限制。

2、相对于其他逆变器成本较高。

集散式逆变器：

集散式逆变器是近两年来新提出的一种逆变器形式，其主要特点是集中逆变和分散MPPT跟踪。集散式逆变器是聚集了集中式逆变器和组串式逆变器两种逆变器优点的产物，达到了集中式逆变器的低成本，组串式逆变器的高发电量。

应用场景：需要配备储能系统的光伏系统

优点：

1、与集中式对比，分散MPPT跟踪减小了失配的几率，提升了发电量。

2、与集中式及组串式对比，集散式逆变器具有升压功能，降低了线损。

3、与组串式对比，集中逆变在建设成本方面更具优势。

缺点：

1、工程经验少。较前两类而言，尚属新形式，在工程项目方面的应用相对较少。

2、安全性、稳定性以及高发电量等特性还需要经历工程项目的检验。

3、占地面积大，需专用机房。

光伏逆变器的关键技术有哪些？

光伏逆变器的性能和效率直接影响整个光伏系统的运行效果，因此，逆变器中的一些关键技术至关重要：

最大功率点追踪MPPT（Maximum Power Point Tracking）：

功能：确保光伏组件在各种光照条件下始终处于最佳功率输出状态，提高整体系统效率。

应用：在实际应用中，MPPT技术通常与DC/DC变流器配合使用，通过调节DC/DC变流器的占空比，实现光伏组件输出功率的最大化。

电网同步与并网控制：

功能：确保逆变器输出的交流电与电网电压和频率保持同步，防止电力输出不稳定。

应用：在实际应用中，通常与锁相环（PLL-Phase Locked Loop）和电流控制器等配合使用，以实现光伏系统与电网的同步和并网控制。

远程监控与管理：

功能：通过物联网技术，实时监控和管理逆变器的运行状态，及时发现并处理故障。

应用：在实际应用中，远程监控与管理系统通常包括数据采集终端、通信网络、远程监控中心等多个部分，通过这些部分的协同工作实现对光伏系统的远程监控和管理。

光伏逆变器的未来发展趋势是怎样的？

光伏逆变器技术在不断演进，未来可能会向以下几个方向发展：

高效化：随着光伏系统的不断进步，逆变器的效率将持续提升，旨在最大限度地减少整体系统的能耗损失，实现能源利用的最大化。

智能化：未来的智能逆变器将融合更尖端的监控与控制技术，实现系统的全自动化管理。这不仅将显著增强系统的可靠性和安全性，还将大幅降低运维成本，提升整体运营效率。

集成化：逆变器将趋向于多功能集成，如储能管理、电动车充电等，从而逐步成为家庭和商业能源管理的核心中枢，为用户提供一站式、便捷化的能源管理解决方案。

模块化：为了适应不同规模和需求的光伏系统，逆变器的设计将更加注重灵活性和模块化。这种设计将便于用户根据实际需求进行扩展和升级，提升系统的可定制性和扩展性。