光伏并网微逆变器关键技术分析

光伏并网微逆变器关键技术分析2010 年 11 月 11 日 来源：英伟力新能源科技 ( 上海 ) 有限公司 作者：吴红飞 [ 责任编辑： Aglaia] 微逆变器区别于传统逆变器的特点微逆变器的设计考虑因素微逆变器的关键性技术引言：常见的光伏并网发电系统结构包括集中式、 串式、 多串式和交流模块式等几种方案。 集中式、 串式和多串式系统中， 都存在光伏组件的串联和并联， 因此系统的最大功率点跟踪时针对整个串并联光伏阵列， 无法兼顾系统中每个光伏阵列， 单个光伏阵列利用率低、 系统抗局部阴影能力差， 且系统扩展灵活性不够。 光伏并网微逆变器 ( 简称微逆变器 ) 与单个光伏组件相连， 可以将光伏组件输出的直流电直接变换成交流电并传输到电网， 具有以下优点： (1)保证每个组件均运行在最大功率点，具有很强的抗局部阴影能力； (2) 将逆变器与光伏组件集成，可以实现模块化设计、实现即插即用和热插拔，系统扩展简单方便； (3) 并网逆变器基本不独立占用安装空间， 分布式安装便于配置， 能够充分利用空间和适应不同安装方向和角度的应用； (4) 系统冗余度高、可靠性高，单个模块失效不会对整个系统造成影响。微逆变器的概念由来已久， 但最初并没有引起人们的注意， 近年来随着太阳能发电技术的发展以及技术的进步，使得微逆变器十分具有吸引力。美国加州 Petaluma 的 Enphase 从2008 年开始微逆变器的商业化量产，并取得了不错的销售成绩，使得微逆变器获得了更广泛的认可， 吸引了众多公司纷纷加入到微逆变器的研发行列， 德国艾斯玛太阳能技术股份公司 (SMASolarTechnology)2009 年通过技术收购荷兰 OKE-Services 光伏系统电子开发商， 进入了微逆变器市场。 国内众多的光伏并网逆变器生产厂商主要从事大功率集中并网逆变器产品的开发， 随着国内外微逆变器市场的日益火热， 众多厂商也纷纷蠢蠢欲动， 尝试开始微逆变器产品的开发，英伟力 (Involar) 新能源科技公司是国内最早从事微逆变器研究的公司，公司从 2008 年初开始微逆变器技术的开发，经过近两年的努力已完全自主掌握了微逆变器的核心技术，并于 2010 年 5 月份成功发布了其第一代产品 MAC250，目前该款微逆变器产品已经推向市场。微逆变器不同于传统大功率集中式逆变器，本文重点分析微逆变器的关键性技术。微逆变器的特点及设计考虑因素微逆变器区别于传统逆变器的特点：（ 1）逆变器输入电压低、输出电压高单块光伏组件的输出电压范围一般为 20~50V，而电网的电压峰值约为 311V(220VAC)或156V(110VAC)， 因此， 微逆变器的输出峰值电压远高于输入电压， 这要求微逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑； 而集中式逆变器一般为降压型变换器， 其通常采用桥式拓扑结构，逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压；（ 2）功率小单块光伏组件的功率一般在 100W~300W，微逆变器直接与单块光伏组件相匹配，其功率等级即为 100W~300W， 而传统集中式逆变器功率通过多个光伏组件串并联组合产生足够高的功率，其功率等级一般在 1kW以上。微逆变器的设计考虑因素：（ 1）变换效率高并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率， 为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网逆变器具有较高的变换效率。（ 2）可靠性高由于微逆变器直接与光伏组件集成，一般与光伏组件一起放于室外，其工作环境恶劣，要求微逆变器具有较高的可靠性（ 3）寿命长光伏组件的寿命一般为二十年，微逆变器的使用寿命应该与光伏组件的寿命相当。（ 4）体积小微逆变器直接与光伏组件集成在一起，其体积越小越容易与光伏组件集成。（ 5）成本低低成本是产品发展的必然趋势，也是微逆变器市场化的需求。微逆变器的关键性技术（ 1）微逆变器拓扑微逆变器的特殊应用需求决定了其不能采用传统的降压型逆变器拓扑结构， 如全桥、 半桥等拓扑， 而应该选择能够同时实现升降压变换功能的变换器拓扑， 除能够实现升降压变换功能外，还应该实现电气隔离； 另一方面，高效率、 小体积的要求决定了其不能采用工频变压器实现电气隔离，需要采用高频变压器。可选的拓扑方案包括：高频链逆变器、升压变换器与传统逆变器相组合的两级式变换、基于隔离式升降压变换器的 Flyback 逆变器等几种， 其中 Flyback 变换器拓扑结构简洁， 控制简单、可靠性高，是一种较好的拓扑方案，目前 Enphase、 Involar （英伟力）等公司开发的微逆变器产品均是基于 Flyback 变换器。（ 2）高效率变换技术为了减小微逆变器的体积， 要求提高逆变器的开关频率， 而开关频率的提高必然导致开关损耗升高、 变换效率下降， 因此小体积与高效率两者之间是矛盾的， 高频软开关技术是解决两者矛盾的有效方法，软开关技术可以在不增加开关损耗的前提下提高开关频率。研究和开发简单有效的软开关技术并将软开关技术与具体的微逆变器拓扑相结合是微逆变器开发需要解决的关键问题之一， 据报道， 英伟力公司引入谐振软开关技术有效改善了微逆变器的变换效率， 其发布的 MAC250微逆变器产品最高效率达到 95%以上， CEC效率达到94.5%以上。（ 3）并网电流控制技术传统的集中式并网逆变器中一般采用电流闭环控制技术保证进网电流与电网电压同频同相，实现高质量的并网电流控制，如采用 PI 控制、重复控制、预测电流控制、滞环控制、单周期控制、 比例谐振控制等控制方法， 上述方法都需要采用电流霍尔等元件采样进网电流，进而实现并网电流的控制。由于微逆变器的小功率特色， 为了降低单位发电功率的成本， 且考虑到体积要求， 开发新型的高可靠性、 低成本小功率并网电流控制技术是微逆变器开发需要解决的另一个关键性问题。（ 4）高效率、低成本最大功率点跟踪 (MPPT)技术光伏发电系统的效率为电池板的光电转换效率、 MPPT效率和逆变器效率三部分乘积，高效率 MPPT技术对光伏发电系统的效率提高和成本降低有十分重要的意义。常见的 MPPT算法包括开路电压法、短路电流法、爬山法、扰动观察法、增量电导法以及基于模糊和神经网络理论的智能跟踪算法等，上述 MPPT方法中一般需要同时检测光伏输出侧电压和电流，进而计算出并网功率。微逆变器的光伏侧输入电压低， 因此光伏侧的电流较大， 如果采用电阻检测输入侧电流，对微逆变器的整机效率影响较大， 而采用霍尔元件采样光伏侧电流则会增加系统成本及逆变器体积， 因此针对微逆变器的特殊要求， 需要开发新型的无需电流检测的高效率 MPPT技术。据报道，英伟力公司研究了一种无电流传感器 MPPT技术来适应微逆变器的应用需求， MPPT效果良好，跟踪精度达到 99.9%以上。（ 5）孤岛检测技术孤岛检测是光伏并网发电系统必备的功能， 是人员和设备安全的重要保证。 针对微逆变器的特殊应用需求， 开发简单、 有效、零检测盲区、 不影响进网电流质量的孤岛检测技术是微逆变器开发需要解决的一个重要课题。（ 6）无电解电容变换技术光伏组件的寿命一般为 20~25 年， 要求微逆变器的寿命必须接近光伏组件， 而电解电容式功率变换器寿命的瓶颈， 要使微逆变器达到光伏组件的寿命， 必须减少或避免电解电容的使用，因此研究和开发无电解电容功率变换技术是微逆变器开发需要解决的另一个课题。（ 7）信息通信技术当多个微逆变器组成分布式发电系统时， 系统需要实时收集每个微逆变器的信息， 以实现有效的监测与管理，因此需要低成本、 高效、高可靠性信息通信技术作为保证， 可以利用的通信技术包括 PLC、 ZigBee 、 Z-Wave、 6LowPA、 PoE、 GPRS、 GSM技术等。英伟力微逆变器产品分析英伟力新能源科技 ( 上海 ) 有限公司最近发布的一款微逆变器产品 MAC250主要参数如下：额定输出功率： 180VA；峰值输出功率： 220VA 输入电压： 20V~50V；输入电压： 187VAC~242VAC；工作频率范围： 49.5Hz~50.5Hz ；最大效率： 95%；CEC 效率： 94% 工作环境温度： -40~65 ℃重量： 2.4kg 体积： 240mm*138mm*35mm 保修期： 15 年。从上述指标可知， 该款微逆变器产品已经满足了上述设计和使用要求， 变换效率等指标达到了集中式并网逆变器的技术水平。总结本文分析了微逆变器的发展现状，重点分析了微逆变器开发所需要解决的关键性问题，分析表明， 微逆变器与传统重大功率集中并网逆变器存在明显的不同， 为了掌握微逆变器的核心技术，需要解决包括逆变器拓扑、软开关、并网电流控制、 MPPT等多个关键性核心技术。太阳能照明系统关键技术的研究2010 年 11 月 22 日 来源：《硅谷》 作者：薛勇 ; 毛明科 ; 汪明健 [ 责任编辑： doeboy] 【中心议题】详细阐述太阳能照明系统的调光、驱动方式以及散热问题介绍了蓄电池的种类，容量的确定方法【解决方案】采用电流调节和脉冲宽度调制两种方式进行调光利用开关电源驱动 LED提高散热性能0 引言随着煤炭， 石油， 天然气等不可再生能源的日趋枯竭， 能源问题己经成为制约人类经济社会发展的重要问题之一， 太阳能作为无污染的可再生的绿色能源， 越来越受到世界各国的青睐，充分开发利用太阳能是各国政府可持续发展的能源战略， 是解决能源与环境保护的主要对策之一。 目前， 利用太阳能的有效途径就是将它转换成电能的光伏发电技术， 而太阳能照明系统就是光电转换的一个重要用途。1 太阳能照明系统的结构一般太阳能照明系统包括太阳能电池板，蓄电池，控制器和照明负载 (LED灯 ) 。在白天有阳光的时候， 太阳能电池所产生的电量一部分是供给照明负载， 一部分是储存在蓄电池当中。 当晚上或则阴雨天气的时候， 照明负载就完全由蓄电池来供电。由于光伏系统容易受外界的影响，所以配备一个控制器实现调节、控制、保护等功能。图一所列的是太阳能照明系统的框图。2 照明负载 (LED 灯 )随着各种不可再生能源的不断匾乏， 寻求新能源是头等大事， 但与此同时节约能源也是我们面临的重要的问题。 在整个照明领域， 以白炽灯为主力军的角色己经发生改变，目前备受人们关注的 LED灯已经开始进入市场。它作为一种新型的绿色照明光源，势必会以独特的优势取代传统光源。2.1 LED 的特点。本系统中照明负载采用的是 LED灯， 它是一种能够将电能转化成化学能的半导体器件。它主要有以下几个特点 : ① LED的发光效率高，理论上分析，它的转换率可达到 100%，是荧光灯的两倍，比白炽灯高 10 倍。②由于 LED灯的特性是直流低压， 而太阳能组件输出与蓄电池所储存的都是直流电压， 故省去了交直流转换的逆变器，节约了成本。③寿命长， LED灯的理论寿命可长达 10 万小时。目前，国外的产业化的 LED灯寿命在 3 一 5 万小时。 ④除此之外， 它还有可靠稳定， 寿命长，环保等特点。2.2 LED 的调光方式。LED的调光方式主要分为两种 : ①电流调节方式。 LED具有类似二极管的正向电压特性曲线，所以 LED的亮度由电流来控制。一般情况下，它随着电流的增大，亮度会增加， 所以我们可以通过改变电流的大小来调节 LED灯的亮度。 但是此种调光方式，只有工作在某个特定的正向电流值的范围内， LED的亮度才与电流成正比。 如果超出这个范围， LED就会变色， 可能偏蓝或偏紫。 同时， 由于电流增大，相应的温度会升高， 这会对 LED器件造成损坏， 影响其使用寿命。 ②脉冲宽度调制。它是在恒定电流和恒定功率的情况下，通过改变 P 姗信号的占空比来调节LED的亮度， 所以就不会出现电流调节方式的变色和损坏器件等现象。 如需要 50%的亮度就提供 50%的占空比的电流。2.3 LED 的驱动方式。LED驱动方式主要有电阻限流和恒流源两种工作方式。蓄电池在充放电时，电压和电流都存在着波动， 而电阻限流的驱动方式缺点是， 会随着蓄电池的这种变化致使 LED灯的亮度发生改变， 而且工作在此种方式下， 附加的电阻会损耗很多的能量。正因如此，我们考虑恒流源驱动。前面所介绍 LED的亮度，寿命等与电流有着直接的关系，所以恒流源驱动是最好的工作方式。其中， 恒流源驱动又包括电荷泵和开关电源两种。 电荷泵是以电容器为储能元件，利用分离电容器将电源从输入端传送至输出端， 而不需要附加电感。 但它有个缺点， 只能提供有限的输出电压， 一般都低于输入电压的两倍， 所以必须采用并联的驱动方式。开关电源是以电感为储能元件，有 Boost( 升压电路 ) ， Buek(降压电路 ) ， Buek 一 Boost( 升压 / 降压电路 ) 三种。 它的工作方式是， 先对电感进行充电，之后电感释放所储存的电能，从而得到输出电压，电路中的滤波电容、储能电感、 续流二极管的结构不同， 实现升压或降压的功能。 开关电源以其输出范围宽，工作效率高等特点，得到广泛的应用。2.4 LED 的散热技术。相对于传统光源， LED是属于冷光源型，因为 LED发光的时候不会出现大量的红外辐射。但是它发光的时候会使 PN结产生热量，致使温度升高，影响 LED的寿命， 所以必须提高它的散热功能。 一般我们会研究以下几个方面来解决 LED的散热问题 : ①在 LED的热沉上装散热片，一般是选择导热性能好的铝片，以加快热量从外延层向散热基板散发。② LED的热阻越低越好，这对导出 PN结的温度十分重要。③ LED产生的热量与内量子效应有关，可以通过改进氮化稼生长过程中的材料结构， 获得高质量的外延片， 提高内量子效应， 加快芯片结到外延层的热传导。3 电池考虑到晚上或者连续阴雨天气的状况， 照明系统中必须配备蓄电池， 以满足对照明负载的供电。蓄电池的种类很多，有铅酸蓄电池，锡镍蓄电池，铁镍蓄电池，铿离子蓄电池等等。 但是， 目前市场上使用最多的是铅酸蓄电池。 使用蓄电池必须注意一下几点 : ①尽量使用 MPPT充分利用太阳能电池。 ②充电特性要满足蓄电池的要求， 这样才能更好的延长蓄电池的寿命。 由于不同负载对蓄电池的容量要求不同，包括放电深度，温度，控制器效率，放电率等都会对蓄电池的容量造成影响， 所以系统对蓄电池的容量选择非常的重要。 如果采用免维护铅酸阀控式蓄电池， 则按照以下的公式确定容量 : 蓄电池容量二 ( 自给天数 x 日平均负载 )/ 最大放电深度。4 结束语太阳能照明是光伏发电的重要部分， 由于它是可再生能源， 无污染， 不需要铺设电缆线等优点，得到大力的推广。随着科学的发展，提高 LED能量转化效率，更好的处理散热问题， 拥有一个合理的价格， 不久的将来 LED灯必定会普照社会的每一个角落。太阳能光伏发电在住宅户用供电系统的应用2010 年 11 月 22 日 来源：《科技信息》 作者：张红莲 [ 责任编辑： doeboy] 【中心议题】介绍了光伏供电系统的原理及技术给出了太阳能光伏发电在住宅户用供电系统的应用【解决方案】采用了无变压器式的能量变换器遵循 216V 供电体制运用小电流放电方式0 引言日益恶化的生态环境、 能源短缺使人们逐步认识到， 人类必须走可持续发展的道路， 大力开发和利用可再生能源是必由之路， 开发绿色的、 可持续的新型能源已成为历史必然。随着我国经济发展， 工业化、 城镇化进程的加速， 对能源、 电力的需求越来越大。而洁净安全的太阳能发电技术， 越来越得到广泛的重视和应用， 也越来越贴近人们的生活。本文讨论太阳能光伏发电在居民住宅供电上的应用。1 光伏发电在住宅供电的必要性在偏远农村山区无电地区， 人们生活、 生产用电无法得到保障， 如果这些地区光照充足，采用太阳能光伏供电，可以解决照明、配电问题。在城镇，人民生活水平不断提高， 各种家电逐渐走人日常居民家庭。 一些老住宅， 由于在规划设计中对居民用电负荷估计太低， 选用的线路截面、 负荷开关容量偏小等， 造成用电线路经常性的过负荷跳闸，超负荷运行烧毁开关、电能表、电线等现象，产生了很大的安全隐患。再者， 由于老住宅的用户密度高， 预留空间小， 对于重排供配电线路或加设线路都有较大的难度， 且线路的安全性也受到威胁。 因此研究太阳能光伏发电在住宅供配电系统的应用很有必要。2 光伏供电系统介绍光伏供电系统结构如图 1。太阳能电池序列将太阳能转换为直流电能，给蓄电池组充电， 由蓄电池组给直流负载供电， 而能量变换器将光伏发电获得的直流电能转换成恒压恒频交流电能，供交流负载用电，是太阳能利用的关键技术。2.1 太阳能电池阵列系统中的太阳能电池阵列， 采用 12V× l8 的串联形式， 每块太阳电池的功率可根据系统所需功率来确定。选用效率高 (11 ％ ) 、成本低的纳米晶体化学太阳电池，成本是晶体硅太阳电池成本的 1/5 ～ 1/10 ，寿命可达 20a，应用这种光电池可大幅度地降低系统的成本。 相应地采用串联形式的 12V× 18 的蓄电池组， 其容量可根据需要灵活配置。2.2 能量变换器大多数中、 小型光伏发电系统， 一般都采用直流供电体制供直流系统使用， 或者经逆变器把直流电变换成 220V方波供交流电器使用，这样使系统的使用效率受到了极大的限制，整个系统的使用效率限制在 85％左右。太阳能电池的效率不高，单晶硅为 15％，多晶硅为 14％。非晶硅和薄膜太阳电池为 10％，蓄电池的充放电效率为 85％。如果系统的使用效率不提高，势必会增加整个系统的成本。本系统中， 采用的无变压器式的能量变换器， 其电路原理图如图 2 所示， 其效率大幅度提高，不小于 95％。对以交流负载为主的家用光伏供电系统来说，采用这种供电体制，可大大节约昂贵的“太阳电”，降低了整个光伏系统的成本。2.3 蓄电池组光伏发电为绿色能源发电， 唯一的环境隐患在蓄电池上。 由于蓄电池中的铅酸有很强的腐蚀性， 且铅元素有毒， 对环境有一定的危害。 蓄电池最大的污染问题存在于生产和回收环节容易造成铅酸的泄露。本系统中的蓄电池考虑自给天数为2d，每户平均容量为 1.3kW，选择 GMF— 200 型深放电阀吸液式密封铅酸蓄电池，放电深度 (DOD)为 0.8 。使用期间无酸雾和气体逸出，不会对用户家庭造成污染，降低了维护成本。3 负载负载采用分类使用的办法。 系统有两路输出： 一路是交流负载， 由无变压器式能量变换器供电； 另一路是直流负载， 由太阳能电池或是蓄电池直接供电， 不需要通过能量变换器， 可提高系统效率、 节约能源和延长能量变换器的寿命， 提高了系统的可靠性。本供电系统中，由于采用 216(12× 18)V 供电制，照明负载可以选用市场上的常规照明用具， 避免了以往光伏系统采用 12V供电， 而必须使用特制的照明灯具或者必须经过能量变换器后才能使用的问题。 选用特制的 12V照明灯具，具有下列不足之处：一是灯具一旦损坏，在市场上难以购买，用户很不方便；二是特制的 12V照明灯使用量少 , 未形成批量生产，造价高，可靠性差。目前， 节能照明灯的技术已达到比较先进的水平， 紧凑型荧光灯得到了推广应用。据统计， 我国已是世界上第一大节能灯生产国和出口国。 同时， 可低压起动的节能型电子镇流器的电路技术也得到了长足的发展， 为光伏供电体制中的照明系统的选用提供了保证。 本系统所设计的这种照明系统具备的优点： 可随处购买， 便于更换；可靠性高，寿命长；成本低，价格便宜。4 结束语本文中光伏供电系统采用了无变压器式的能量变换器、 216V供电体制和小电流放电方式，系统的效率大幅度地提高，能量损失大大地减少，系统成本降低。采用光伏户用发电可以实现无电地区的供电， 缓解城镇的用电压力， 合理地应用于住宅供配电， 能解决老式住宅供配电难以增容的问题， 推动光伏发电系统的应用。