逆變技術(shù)對(duì)光伏發(fā)電的影響

李君業(yè)，周 寧

1.淄博市纖維紡織產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所，山東淄博 255033

2.淄博廣電天網(wǎng)視訊有限公司，山東淄博 255033

進(jìn)入2010年以來，隨著國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的政策扶持，尤其是許多地方對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的補(bǔ)貼，讓太陽(yáng)能發(fā)電成為了新寵，許多新能源的公司也把企業(yè)定位在太陽(yáng)能發(fā)電。在未來幾年中，預(yù)計(jì)太陽(yáng)能工程的增長(zhǎng)率將達(dá)到20%～30%。

太陽(yáng)能作為一種新能源，為電池制造、電源轉(zhuǎn)換等相關(guān)企業(yè)提供了新的舞臺(tái)。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電流為直流電，但民用電力以交流供電為主，而且太陽(yáng)能發(fā)電最終將走向并網(wǎng)運(yùn)行，這就要求太陽(yáng)能發(fā)電必須通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電來驅(qū)動(dòng)家用電器等負(fù)載。因此，逆變器在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。

1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求

光伏發(fā)電分為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是其太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生電力供特定負(fù)載使用消耗的獨(dú)立系統(tǒng)；聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是其太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生電力由公共電網(wǎng)進(jìn)行傳送輸出的發(fā)電系統(tǒng)。不論是那種系統(tǒng)都對(duì)關(guān)鍵部件逆變器提出了很高的要求。

1）整機(jī)效率要高，因?yàn)樘?yáng)能電池板的效率在15%左右而且價(jià)格較高，因此要求逆變器的自身消耗要少，轉(zhuǎn)換效率要高；

2）要具有完備的保護(hù)功能，光伏發(fā)電系統(tǒng)與我們?nèi)粘Ｊ褂玫墓搽娋W(wǎng)一樣，要具有過欠壓、過電流、短路、缺相保護(hù)以及溫度超限報(bào)警等功能。而實(shí)現(xiàn)這些功能也是逆變器的基本性能之一；

3）要有較寬的輸入電壓范圍及足夠的輸出容量，這是由太陽(yáng)能電池的發(fā)電特點(diǎn)所要求的。由于日光光照角度及太陽(yáng)發(fā)光強(qiáng)度的變化而導(dǎo)致了太陽(yáng)能電池的輸出端電壓在不斷變化，從而影響逆變器的輸出容量產(chǎn)生變化，因此要求逆變器能在較大的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作以保持輸出電壓的穩(wěn)定；

4）具有滿負(fù)載啟動(dòng)性能，逆變器要做到在滿負(fù)載多次連續(xù)啟動(dòng)的條件下而不損壞的能力；

5）輸出電壓的波形失真度要小，如果輸出電壓中含有較高的高次諧波，將對(duì)電力負(fù)載產(chǎn)生干擾而導(dǎo)致負(fù)載不能正常工作或?qū)搽娋W(wǎng)產(chǎn)生電力污染。

2 逆變技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

盡管近年來太陽(yáng)能電池制造企業(yè)一直致力于提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但是就2010年2月太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率來看，15cm×15cm厚200μm的太陽(yáng)能電池也只能實(shí)現(xiàn)19.3%的轉(zhuǎn)換效率。由于太陽(yáng)能面板的光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)低(平均約在15%左右)，所以從太陽(yáng)能面板盡可能多獲得輸出功率的重任就落在了逆變器身上。 太陽(yáng)能逆變器性能提高更依賴于功率開關(guān)器件，想獲得高效的交流輸出電壓和電流，就需要正確選擇功率器件。 在中小功率的太陽(yáng)能逆變器中不少公司擁有自己的專利電路結(jié)構(gòu)，新一代功率器件使得這些電路如虎添翼，效率、可靠性等各方面性能都有了很大提高。

傳統(tǒng)逆變器與多個(gè)太陽(yáng)能電池模塊串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，存在因日照不均、電池性能不均等原因?qū)е螺敵鲂氏陆档谋锥?，進(jìn)而導(dǎo)致整體的輸出功率大幅降低的問題。為了解決這一問題，出現(xiàn)了各個(gè)太陽(yáng)能電池模塊配備逆變器及轉(zhuǎn)換器功能的新架構(gòu)，即“微型逆變器”及“微型轉(zhuǎn)換器”。此外，與通信功能組合的話，還可用于監(jiān)視各個(gè)模塊的狀態(tài)，檢測(cè)出出現(xiàn)故障的模塊。簡(jiǎn)而言之，微型逆變器是在各個(gè)模塊上全部配備上現(xiàn)有的逆變器功能。也就是說，從輸出功率的優(yōu)化到DC-AC轉(zhuǎn)換均由模塊來進(jìn)行。從模塊輸出的功率為交流，可直接并入電網(wǎng)。 電源優(yōu)化器會(huì)以間接的方式互相通信，檢測(cè)自己的電流和電壓環(huán)境并自我調(diào)整，直到串聯(lián)的整排電池板能夠達(dá)到最佳值，同時(shí)在電池板級(jí)別達(dá)到局部?jī)?yōu)化。

3 逆變技術(shù)對(duì)光伏發(fā)電的影響

隨著實(shí)際應(yīng)用的愈來愈普遍，太陽(yáng)能逆變器也開始不斷面臨諸如并網(wǎng)性能、電磁兼容、保護(hù)功能等各類新的技術(shù)挑戰(zhàn)。具體來講，就是要提高并網(wǎng)效率、減少并網(wǎng)電流諧波、確保輸出功率因數(shù)和消除直流分量；電磁兼容方面，則是要控制電壓波動(dòng)和閃爍、減少電磁輻射并提高抗擾度。市電和太陽(yáng)能逆變器進(jìn)行切換時(shí)，要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與逆變器間的快速、平滑切換，需要解決以下幾個(gè)問題：一是逆變器的輸出始終與電網(wǎng)保持同步；二是切換開關(guān)裝置安全可靠；三是切換條件的快速和準(zhǔn)確的檢測(cè)。因此，太陽(yáng)能系統(tǒng)面對(duì)的最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化逆變器性能。

4 當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響因素

近年來，在世界光伏市場(chǎng)的強(qiáng)勢(shì)拉動(dòng)下，我國(guó)光電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，已經(jīng)成為世界第一大太陽(yáng)能電池生產(chǎn)國(guó)。同時(shí)，政府的各種政策扶持和資金支持，也使得光伏行業(yè)風(fēng)生水起。去年7月，全國(guó)共示范建筑應(yīng)用項(xiàng)目111個(gè)、申報(bào)裝機(jī)容量152mW、示范裝機(jī)容量91mW，補(bǔ)貼金額約12億元，項(xiàng)目覆蓋了23個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)）、3個(gè)直轄市和5個(gè)計(jì)劃單列市。而今年將優(yōu)先支持太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用一體化程度較高的建材型、構(gòu)件型項(xiàng)目；優(yōu)先支持已出臺(tái)并落實(shí)上網(wǎng)電價(jià)、財(cái)政補(bǔ)貼等扶持政策的地區(qū)項(xiàng)目；優(yōu)先支持2009年示范項(xiàng)目進(jìn)展較好的地區(qū)項(xiàng)目。但也要看到光伏發(fā)電的高成本及上網(wǎng)電價(jià)還未能敲定是當(dāng)前制約其發(fā)展的主要因素，資料顯示，太陽(yáng)能電池的原料多硅晶，目前核心技術(shù)掌握在歐美少數(shù)幾家公司手中，具有相當(dāng)?shù)膲艛嘈?，而且我?guó)的高純多晶硅材料多依賴進(jìn)口，因此太陽(yáng)能電池價(jià)格高昂，使太陽(yáng)能發(fā)電成本很難有所下降。另外，太陽(yáng)能電池中組件（如逆變器、控制器等）成本占整套系統(tǒng)的比例達(dá)到了70%，要降低發(fā)電成本，就要降低組件成本提升技術(shù)水平，就得不斷提高光電轉(zhuǎn)換率，而目前的光電轉(zhuǎn)換率多在15%左右，短時(shí)間內(nèi)難有大的突破。從中我們可以看出，要想打破光伏發(fā)電成本瓶頸，必須要靠科研人員和企業(yè)的自主研發(fā)創(chuàng)新，或找到更廉價(jià)的太陽(yáng)能電池新材料，或提高光電轉(zhuǎn)化效率，而所有這些，需要的不僅僅是時(shí)間。降低發(fā)電成本是利用太陽(yáng)能發(fā)電面臨的第一道坎。另一道坎就是目前太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)的上網(wǎng)電價(jià)遲遲不能敲定。上網(wǎng)電價(jià)未定也影響了一些太陽(yáng)能發(fā)電站的建立。而投資者只有知道了上網(wǎng)電價(jià)才能確定自己投資是否是明智的。

由此可以看出，只有提升光伏發(fā)電電池及各組件的技術(shù)創(chuàng)新能力和質(zhì)量水平并且明確產(chǎn)業(yè)政策，才能使我國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。促進(jìn)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。