隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電市場應(yīng)用越來越廣。為實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，聯(lián)網(wǎng)逆變器作為太陽能安裝關(guān)鍵組成部分，必須能夠保證所輸送電能的質(zhì)量以及整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為保證與這些要求同步發(fā)展，電網(wǎng)運(yùn)營商將發(fā)布新的各制造商均需遵守的電網(wǎng)運(yùn)行守則，以監(jiān)督不斷增加的使用量。逆變器制造商所面臨的另一個難題是各國的相關(guān)政策法規(guī)都不盡相同，在大多數(shù)情況下，甚至在相同地點的不同項目都要遵循不同的規(guī)章制度。本文就這些新的發(fā)展趨勢分析了聯(lián)網(wǎng)光伏逆變器所面臨的各種新挑戰(zhàn)。

    聯(lián)網(wǎng)逆變器制造商所面臨的一個亟待解決的問題是他們必須遵守各國幾乎均不相同的光伏設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求。例如，歐洲各國對于聯(lián)網(wǎng)接口有著各自不同的要求。德國實行是VDE0126-1標(biāo)準(zhǔn)下的"發(fā)電裝置與公共低壓電網(wǎng)之間自動切斷裝置"規(guī)定;意大利則要求各家遵守Enel(國家電力公司)制定的DK5940號標(biāo)準(zhǔn)，"電廠聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)"等。所有這些國家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)都對逆變器從電網(wǎng)斷開的電壓及頻率變化有著不同的要求。除了對故障穿越等不同系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整以外，此種現(xiàn)狀還導(dǎo)致了較高的生產(chǎn)成本。

    就技術(shù)層面來看，直至目前為止，常見的逆變器設(shè)計是以下列參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)的：溫度范圍在-25至50℃之間;估算使用期限在20年左右;轉(zhuǎn)換率通常在94%以上;具有電磁兼容性;成本較低;可靠性較高;可承載所有電網(wǎng)故障;功率因數(shù)趨近于1;同時可進(jìn)行最大功率點跟蹤(MPPT)。

    目前，大多數(shù)逆變器的功能是在開關(guān)轉(zhuǎn)換器處將光伏設(shè)備所產(chǎn)出的直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦交流電流波形，以保證發(fā)電器和公共電網(wǎng)之間的連接與同步性。但是，這種功能隨后發(fā)生了改變。新的標(biāo)準(zhǔn)在各種程度上對光伏逆變器提出了不同的要求：對效率、成本及穩(wěn)定性等關(guān)鍵特征的發(fā)展;與碳化硅、氮化鎵等新材料的兼容性;與微型逆變器等創(chuàng)新型技術(shù)的整合;有效的最大功率點跟蹤控制功能;以及遵循如"反孤島效應(yīng)"測試等各種新規(guī)范。

    在對硅基MOSFET等新材料的要求方面，SiC技術(shù)在碳化物領(lǐng)域發(fā)生了顯著的改變，使得MOSFET(金氧半場效晶體管)的生產(chǎn)能力遠(yuǎn)超出了相類似的硅絕緣柵雙極型晶體管(insulated-gatebipolartransistor，簡稱IGBT)，特別是在高壓高溫的條件下。這就為改善光伏逆變器效率提供了一個可行之路。

    逆變器及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

    MPPT效率，即在一定時間內(nèi)，逆變器由光伏陣列處所捕獲的能源與理想狀態(tài)下該技術(shù)所捕獲的能源量之間的比值，是逆變器內(nèi)另一個可能發(fā)生能源損失的領(lǐng)域。目前對于MPPT效率的正規(guī)測試使用的是EN50530標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)為測量聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)中逆變器的MPPT效率提供了一個流程，并規(guī)定，逆變器應(yīng)可為低壓電網(wǎng)供給穩(wěn)定的交流電壓和恒定的頻率。

    此標(biāo)準(zhǔn)的測試過程也必須同時考慮到靜態(tài)和動態(tài)條件。MPPT效率與逆變器總效率的差值也將被考慮在內(nèi)，即需要將逆變器的靜態(tài)功率轉(zhuǎn)換率考慮在內(nèi)。

    "在檢測所制定的標(biāo)準(zhǔn)時，靜態(tài)和動態(tài)情況均應(yīng)被考慮在內(nèi)。"

    然而，很少有光伏逆變器的產(chǎn)品目錄或是使用手冊會將逆變器的MPPT效率寫在其中，甚至即使給出了相關(guān)數(shù)據(jù)，也通常只是對額定功率的一種重復(fù)而已。只有在極少數(shù)的情況下，一些有問題的逆變器會公布這一數(shù)值，但是對于額定功率與實際檢測到的MPPT效率之間存在差值這一事實卻很少被提及。很明顯，這一領(lǐng)域需要進(jìn)行改變，不僅是要改善MPPT效率，同時要更改測試與公布的結(jié)果。

    另一個已受到標(biāo)準(zhǔn)化要求的是孤島效應(yīng)，即IEC62116標(biāo)準(zhǔn)。孤島效應(yīng)，是指與和主電網(wǎng)斷開的一部分電網(wǎng)，仍保持負(fù)載和發(fā)電的現(xiàn)象。這是電力供應(yīng)商(公共事業(yè)規(guī)模)必須要面對的情況，同時這對于在電網(wǎng)上工作的工人來說也是極為危險的，因為這種情況可能導(dǎo)致功率逆流的現(xiàn)象發(fā)生。

    EN62116標(biāo)準(zhǔn)是一項將于今年晚些時候公布的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。相較于其之前2008年所制定的IEC標(biāo)準(zhǔn)，這項新標(biāo)準(zhǔn)并沒有進(jìn)行太大的改動。但是，這項新標(biāo)準(zhǔn)將不再對設(shè)置參數(shù)進(jìn)行要求(如電壓和頻率故障跳閘的運(yùn)行規(guī)模及運(yùn)行時間等)，也不再制定合格/失敗的標(biāo)準(zhǔn)，因為每個項目都必須要遵守各國家地區(qū)所制定的國家標(biāo)準(zhǔn)或電網(wǎng)運(yùn)行守則。因此，逆變器的標(biāo)準(zhǔn)化就變成了不可能完成的任務(wù)，因為這種做法與真正的國際化標(biāo)準(zhǔn)理念相違背。

    另一個較為重要的問題是關(guān)于電子整流器或轉(zhuǎn)換器[1]等非線性電力負(fù)荷裝置使用量的大幅增加。非線性負(fù)荷會通過引入諧波電流，給電網(wǎng)抗阻帶來具有不同頻譜的電壓降，使供電質(zhì)量降低，并導(dǎo)致非正弦電網(wǎng)電壓的產(chǎn)生。對電網(wǎng)進(jìn)行分散式輸電并可以無功功率對電網(wǎng)提供支持的光伏逆變器通常可根據(jù)電流控制的反應(yīng)速度不同，為電網(wǎng)提供有功率正弦電流和特定的非正弦無功率電流。通過電網(wǎng)電壓的測量值和由復(fù)雜頻率決定的電網(wǎng)阻抗可算得電網(wǎng)的補(bǔ)償電流，從而有效地抑制電壓諧波。為了實現(xiàn)這一目的，電網(wǎng)電壓信號需要通過一組調(diào)至不同諧波的數(shù)字濾波器進(jìn)行分析。從而實現(xiàn)通過篩選結(jié)果，以及電網(wǎng)阻抗角或經(jīng)過調(diào)整后的適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǖ玫窖a(bǔ)償電流的大小。

    目前，針對高滲透光伏設(shè)施的智能光伏逆變器技術(shù)的一系列新理論正在市場中興起，正如IEAPVPS(IEA光伏電力系統(tǒng)實施協(xié)議)第14項議題中所指出的那樣，這對于逆變器而言是無疑是一個真正的挑戰(zhàn)。

    光伏逆變器在初始電源與電網(wǎng)之間起到了十分重要的媒介作用。其所應(yīng)具備的具體功能包括：電網(wǎng)監(jiān)控與保護(hù)的集成、系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，以及其他多功能特征。

    逆變器在高滲透光伏領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展前景尚不明朗。新一代逆變器應(yīng)能夠在光伏發(fā)電與電網(wǎng)之間起到接口作用，在正常運(yùn)行期間提供無功功率，并可在電網(wǎng)故障時正常運(yùn)行、提供短路電流，同時具有有功及無功功率注入的可控性。

    "光伏逆變器應(yīng)在原始發(fā)電與電網(wǎng)本身之間起到十分重要的媒介作用。"

    此外，光伏逆變器還需能夠提供動態(tài)電網(wǎng)支持(故障穿透等)，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的特定標(biāo)準(zhǔn)以及電網(wǎng)上的光伏故障管理，進(jìn)行相應(yīng)的性能調(diào)整。光伏逆變器應(yīng)起到中心樞紐的作用，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)控、通信及控制等功能。同時，光伏逆變器還應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)化的通信界面和控制協(xié)議以實現(xiàn)簡易的聯(lián)網(wǎng)。與電網(wǎng)運(yùn)營的能源管理系統(tǒng)(EMS)的全面整合也將成為一項必要條件，并將成為優(yōu)化光伏太陽能直接利用率，進(jìn)而實現(xiàn)電網(wǎng)平價的一項特征。

    "逆變器必須可與電網(wǎng)管理進(jìn)行全面集成，從而實現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)營商發(fā)出指令后，在緊急情況下啟動臨時短期電能縮減功能。"

    從集成電網(wǎng)的保護(hù)方面來看，應(yīng)該明確設(shè)定相關(guān)要求，對于在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，是否保持發(fā)電裝置與其之間的連接、何時調(diào)整發(fā)電裝置以適應(yīng)故障電網(wǎng)運(yùn)行要求等問題進(jìn)行管理。同時，系統(tǒng)控制也需集成卓越的通信控制功能。智能逆變器應(yīng)具備協(xié)調(diào)電壓控制、無功功率平衡、頻率控制的有源功率限制以及存儲動力需求等因素之間關(guān)系的能力。

    此外，智能逆變器還應(yīng)具備如電壓調(diào)節(jié)、諧波的過濾/補(bǔ)償和備用電源等多功能特點。光伏逆變器還應(yīng)該在區(qū)域電力存儲與電網(wǎng)之間起到接口作用。在這種情況下，光伏逆變器就必須得具備可整合至電網(wǎng)管理的能力，以按需提供能量、進(jìn)行削峰/調(diào)峰，以及提高電網(wǎng)供電安全系數(shù)及配套服務(wù)和電網(wǎng)存儲能力。此外，作為電網(wǎng)管理必不可少的組成部分之一，逆變器必須可與電網(wǎng)管理進(jìn)行全面集成，從而實現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)營商通過遠(yuǎn)程控制發(fā)出指令后，在緊急情況下啟動臨時短期電能削減功能。

    逆變器在光伏產(chǎn)業(yè)內(nèi)的發(fā)展與滲透將對安裝設(shè)備與電網(wǎng)運(yùn)營的整合提出進(jìn)一步要求。在這一問題上，光伏逆變器將成為實現(xiàn)電網(wǎng)與光伏發(fā)電進(jìn)一步結(jié)合過程中的關(guān)鍵因素。而為了實現(xiàn)這一目標(biāo)而提出的新標(biāo)準(zhǔn)將需要逆變器在很多方面實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。其中一些創(chuàng)新將有助于整個產(chǎn)業(yè)在若干領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)突出，包括：提供系統(tǒng)服務(wù)、為電網(wǎng)提供支持、以大幅提高光伏發(fā)電量在電網(wǎng)中所占比例為目的的電網(wǎng)管理集成等。

    微型逆變器

    另一個值得關(guān)注的概念是近期市場所引入的微型逆變器概念，即適用于單一典型電池板的小型逆變器，而這毫無疑問地成為光伏逆變器未來的發(fā)展重點。微型逆變器這一理念最早在上個世紀(jì)七十年代被提出，隨后在九十年代生產(chǎn)出了相關(guān)產(chǎn)品。對于微型逆變器這一理念來說，其主要的劣勢在于其成本問題：由于每個電池板均需重復(fù)組串型逆變器的繁瑣程序，因此，其分銷成本和凈成本均十分昂貴。

    微型逆變器十分適用于規(guī)模在1KWp或以下的小型光伏系統(tǒng)。在一些使用組串型逆變器的大型光伏系統(tǒng)中，每個組件的遮擋效應(yīng)和由此造成的整個系統(tǒng)能效低的情況可通過為這些組件加裝并運(yùn)行單獨的組件逆變器而得到改善。

    但是，"真正的"微型逆變器并不是指其型號較小，或者其額定功率較低，而是指逆變器能夠控制單個電池板，并具備在電池板及其周圍進(jìn)行安裝的安裝方式。小型組串型逆變器和大型逆變器均可同時控制多塊電池板，并可在遠(yuǎn)離電池板的地方進(jìn)行安裝，通常是安裝在室內(nèi)。

    微型逆變器可在電池板背面直接生成與電網(wǎng)相匹配的電能。陣列中的電池板通常是以平行方式連接起來，然后接入電網(wǎng)。這種方式的一個主要好處就是單獨一個電池板或逆變器的故障并不會波及到整個組串，并使其發(fā)生離線狀況。憑借較低的功耗和熱負(fù)荷，以及優(yōu)化后的平均故障間隔時間(MTBF)，使用了微型逆變器的系統(tǒng)的總體陣列可靠性相較于使用了組串型逆變器的系統(tǒng)有著較大幅度的提高。

    越來越多的微型逆變器品牌活躍于市場之中，其中一些產(chǎn)品的名稱也逐漸為人所熟知，如Accurate太陽能、DirectGrid、Enecsys、EnPhaseEnergy、GreenRay太陽能、Larankelo、OKE、Petra太陽能和SolarBridge等。此外，整個產(chǎn)業(yè)還將在不久的將來引入一項新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC62109-4標(biāo)準(zhǔn)：光伏電源系統(tǒng)內(nèi)功率轉(zhuǎn)換器的使用安全標(biāo)準(zhǔn)(第四部分)--集成電子器件在光伏組件上使用的特殊要求。

    結(jié)論

    綜上所述，將一些相關(guān)指導(dǎo)方針涵蓋在修訂后的標(biāo)準(zhǔn)中是十分重要的一件事。這些標(biāo)準(zhǔn)包括：對啟動/關(guān)閉引起的能耗損失的估算;功率因數(shù);在非正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的性能;直流電流的注入;實際使用時MPPT的性能;總體性能測量(能源等級);有功功率控制;無功功率控制;對諧波及其過濾的限制，以及低壓穿透(LVRT)能力等。同時，標(biāo)準(zhǔn)的制定也應(yīng)充分考慮到關(guān)于電磁兼容性(EMC)的問題。目前，業(yè)內(nèi)普遍希望，未來任何國際性標(biāo)準(zhǔn)的制定都能充分融合上述問題，以賦予其應(yīng)有的價值。<