光伏发电应用市场广阔 联网逆变器面临多重挑战

    随着新能源产业的发展，光伏发电市场应用越来越广。为实现电网稳定、可靠的运行，联网逆变器作为太阳能安装关键组成部分，必须能够保证所输送电能的质量以及整个电网的稳定性。为保证与这些要求同步发展，电网运营商将发布新的各制造商均需遵守的电网运行守则，以监督不断增加的使用量。逆变器制造商所面临的另一个难题是各国的相关政策法规都不尽相同，在大多数情况下，甚至在相同地点的不同项目都要遵循不同的规章制度。本文就这些新的发展趋势分析了联网光伏逆变器所面临的各种新挑战。

    联网逆变器制造商所面临的一个亟待解决的问题是他们必须遵守各国几乎均不相同的光伏设备联网技术要求。例如，欧洲各国对于联网接口有着各自不同的要求。德国实行是VDE0126-1标准下的"发电装置与公共低压电网之间自动切断装置"规定;意大利则要求各家遵守Enel(国家电力公司)制定的DK5940号标准，"电厂联网标准"等。所有这些国家和地区的标准都对逆变器从电网断开的电压及频率变化有着不同的要求。除了对故障穿越等不同系统的参数进行必要的调整以外，此种现状还导致了较高的生产成本。

    就技术层面来看，直至目前为止，常见的逆变器设计是以下列参数作为标准的：温度范围在-25至50℃之间;估算使用期限在20年左右;转换率通常在94%以上;具有电磁兼容性;成本较低;可靠性较高;可承载所有电网故障;功率因数趋近于1;同时可进行最大功率点跟踪(MPPT)。

    目前，大多数逆变器的功能是在开关转换器处将光伏设备所产出的直流电压转换成正弦交流电流波形，以保证发电器和公共电网之间的连接与同步性。但是，这种功能随后发生了改变。新的标准在各种程度上对光伏逆变器提出了不同的要求：对效率、成本及稳定性等关键特征的发展;与碳化硅、氮化镓等新材料的兼容性;与微型逆变器等创新型技术的整合;有效的最大功率点跟踪控制功能;以及遵循如"反孤岛效应"测试等各种新规范。

    在对硅基MOSFET等新材料的要求方面，SiC技术在碳化物领域发生了显著的改变，使得MOSFET(金氧半场效晶体管)的生产能力远超出了相类似的硅绝缘栅双极型晶体管(insulated-gatebipolartransistor，简称IGBT)，特别是在高压高温的条件下。这就为改善光伏逆变器效率提供了一个可行之路。

    逆变器及其相关标准

    MPPT效率，即在一定时间内，逆变器由光伏阵列处所捕获的能源与理想状态下该技术所捕获的能源量之间的比值，是逆变器内另一个可能发生能源损失的领域。目前对于MPPT效率的正规测试使用的是EN50530标准。这一标准为测量联网光伏系统中逆变器的MPPT效率提供了一个流程，并规定，逆变器应可为低压电网供给稳定的交流电压和恒定的频率。

    此标准的测试过程也必须同时考虑到静态和动态条件。MPPT效率与逆变器总效率的差值也将被考虑在内，即需要将逆变器的静态功率转换率考虑在内。

    "在检测所制定的标准时，静态和动态情况均应被考虑在内。"

    然而，很少有光伏逆变器的产品目录或是使用手册会将逆变器的MPPT效率写在其中，甚至即使给出了相关数据，也通常只是对额定功率的一种重复而已。只有在极少数的情况下，一些有问题的逆变器会公布这一数值，但是对于额定功率与实际检测到的MPPT效率之间存在差值这一事实却很少被提及。很明显，这一领域需要进行改变，不仅是要改善MPPT效率，同时要更改测试与公布的结果。

    另一个已受到标准化要求的是孤岛效应，即IEC62116标准。孤岛效应，是指与和主电网断开的一部分电网，仍保持负载和发电的现象。这是电力供应商(公共事业规模)必须要面对的情况，同时这对于在电网上工作的工人来说也是极为危险的，因为这种情况可能导致功率逆流的现象发生。

    EN62116标准是一项将于今年晚些时候公布的欧洲标准。相较于其之前2008年所制定的IEC标准，这项新标准并没有进行太大的改动。但是，这项新标准将不再对设置参数进行要求(如电压和频率故障跳闸的运行规模及运行时间等)，也不再制定合格/失败的标准，因为每个项目都必须要遵守各国家地区所制定的国家标准或电网运行守则。因此，逆变器的标准化就变成了不可能完成的任务，因为这种做法与真正的国际化标准理念相违背。

    另一个较为重要的问题是关于电子整流器或转换器[1]等非线性电力负荷装置使用量的大幅增加。非线性负荷会通过引入谐波电流，给电网抗阻带来具有不同频谱的电压降，使供电质量降低，并导致非正弦电网电压的产生。对电网进行分散式输电并可以无功功率对电网提供支持的光伏逆变器通常可根据电流控制的反应速度不同，为电网提供有功率正弦电流和特定的非正弦无功率电流。通过电网电压的测量值和由复杂频率决定的电网阻抗可算得电网的补偿电流，从而有效地抑制电压谐波。为了实现这一目的，电网电压信号需要通过一组调至不同谐波的数字滤波器进行分析。从而实现通过筛选结果，以及电网阻抗角或经过调整后的适当的控制算法得到补偿电流的大小。

    目前，针对高渗透光伏设施的智能光伏逆变器技术的一系列新理论正在市场中兴起，正如IEAPVPS(IEA光伏电力系统实施协议)第14项议题中所指出的那样，这对于逆变器而言是无疑是一个真正的挑战。

    光伏逆变器在初始电源与电网之间起到了十分重要的媒介作用。其所应具备的具体功能包括：电网监控与保护的集成、系统的监测与控制，以及其他多功能特征。

    逆变器在高渗透光伏领域内的发展前景尚不明朗。新一代逆变器应能够在光伏发电与电网之间起到接口作用，在正常运行期间提供无功功率，并可在电网故障时正常运行、提供短路电流，同时具有有功及无功功率注入的可控性。

    "光伏逆变器应在原始发电与电网本身之间起到十分重要的媒介作用。"

    此外，光伏逆变器还需能够提供动态电网支持(故障穿透等)，并根据系统运行的特定标准以及电网上的光伏故障管理，进行相应的性能调整。光伏逆变器应起到中心枢纽的作用，用来进行数据采集、系统监控、通信及控制等功能。同时，光伏逆变器还应具备标准化的通信界面和控制协议以实现简易的联网。与电网运营的能源管理系统(EMS)的全面整合也将成为一项必要条件，并将成为优化光伏太阳能直接利用率，进而实现电网平价的一项特征。

    "逆变器必须可与电网管理进行全面集成，从而实现电网运营商发出指令后，在紧急情况下启动临时短期电能缩减功能。"

    从集成电网的保护方面来看，应该明确设定相关要求，对于在电网出现故障时，是否保持发电装置与其之间的连接、何时调整发电装置以适应故障电网运行要求等问题进行管理。同时，系统控制也需集成卓越的通信控制功能。智能逆变器应具备协调电压控制、无功功率平衡、频率控制的有源功率限制以及存储动力需求等因素之间关系的能力。

    此外，智能逆变器还应具备如电压调节、谐波的过滤/补偿和备用电源等多功能特点。光伏逆变器还应该在区域电力存储与电网之间起到接口作用。在这种情况下，光伏逆变器就必须得具备可整合至电网管理的能力，以按需提供能量、进行削峰/调峰，以及提高电网供电安全系数及配套服务和电网存储能力。此外，作为电网管理必不可少的组成部分之一，逆变器必须可与电网管理进行全面集成，从而实现电网运营商通过远程控制发出指令后，在紧急情况下启动临时短期电能削减功能。

    逆变器在光伏产业内的发展与渗透将对安装设备与电网运营的整合提出进一步要求。在这一问题上，光伏逆变器将成为实现电网与光伏发电进一步结合过程中的关键因素。而为了实现这一目标而提出的新标准将需要逆变器在很多方面实现技术创新。其中一些创新将有助于整个产业在若干领域内表现突出，包括：提供系统服务、为电网提供支持、以大幅提高光伏发电量在电网中所占比例为目的的电网管理集成等。

    微型逆变器

    另一个值得关注的概念是近期市场所引入的微型逆变器概念，即适用于单一典型电池板的小型逆变器，而这毫无疑问地成为光伏逆变器未来的发展重点。微型逆变器这一理念最早在上个世纪七十年代被提出，随后在九十年代生产出了相关产品。对于微型逆变器这一理念来说，其主要的劣势在于其成本问题：由于每个电池板均需重复组串型逆变器的繁琐程序，因此，其分销成本和净成本均十分昂贵。

    微型逆变器十分适用于规模在1KWp或以下的小型光伏系统。在一些使用组串型逆变器的大型光伏系统中，每个组件的遮挡效应和由此造成的整个系统能效低的情况可通过为这些组件加装并运行单独的组件逆变器而得到改善。

    但是，"真正的"微型逆变器并不是指其型号较小，或者其额定功率较低，而是指逆变器能够控制单个电池板，并具备在电池板及其周围进行安装的安装方式。小型组串型逆变器和大型逆变器均可同时控制多块电池板，并可在远离电池板的地方进行安装，通常是安装在室内。

    微型逆变器可在电池板背面直接生成与电网相匹配的电能。阵列中的电池板通常是以平行方式连接起来，然后接入电网。这种方式的一个主要好处就是单独一个电池板或逆变器的故障并不会波及到整个组串，并使其发生离线状况。凭借较低的功耗和热负荷，以及优化后的平均故障间隔时间(MTBF)，使用了微型逆变器的系统的总体阵列可靠性相较于使用了组串型逆变器的系统有着较大幅度的提高。

    越来越多的微型逆变器品牌活跃于市场之中，其中一些产品的名称也逐渐为人所熟知，如Accurate太阳能、DirectGrid、Enecsys、EnPhaseEnergy、GreenRay太阳能、Larankelo、OKE、Petra太阳能和SolarBridge等。此外，整个产业还将在不久的将来引入一项新的行业标准，即IEC62109-4标准：光伏电源系统内功率转换器的使用安全标准(第四部分)--集成电子器件在光伏组件上使用的特殊要求。

    结论

    综上所述，将一些相关指导方针涵盖在修订后的标准中是十分重要的一件事。这些标准包括：对启动/关闭引起的能耗损失的估算;功率因数;在非正常运转模式下的性能;直流电流的注入;实际使用时MPPT的性能;总体性能测量(能源等级);有功功率控制;无功功率控制;对谐波及其过滤的限制，以及低压穿透(LVRT)能力等。同时，标准的制定也应充分考虑到关于电磁兼容性(EMC)的问题。目前，业内普遍希望，未来任何国际性标准的制定都能充分融合上述问题，以赋予其应有的价值。<