并網(wǎng)光伏逆變器效率影響因素綜合分析

沈成 徐文慧

（江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司 江蘇省南京市 210000）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也給自然環(huán)境帶來(lái)了很大影響。近年來(lái)，太陽(yáng)能作為一種創(chuàng)新、高效的清潔能源逐漸引起了人們的關(guān)注。并網(wǎng)光伏逆變器作為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的重要部件，對(duì)整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電氣效率與電能質(zhì)量將產(chǎn)生很大影響。

1 光伏并網(wǎng)逆變器

隨著發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，從發(fā)展前景看，火電、水電、風(fēng)電、核電在效率的提高和成本的控制方面空間有限，而光伏發(fā)電無(wú)論技術(shù)還是成本都有較大改進(jìn)空間，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電在行業(yè)內(nèi)的比重將越來(lái)越高。當(dāng)下我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)還是以是直流系統(tǒng)為主，即通過(guò)太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，通過(guò)蓄電池直接給負(fù)載供電，如偏遠(yuǎn)地區(qū)常用的戶用照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)[1]。但此類(lèi)系統(tǒng)兼容性較差，故直流光伏電源難以作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)則是利用太陽(yáng)能電池方陣，將光照產(chǎn)生的直流電通過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合規(guī)范要求的交流電后接入公用電網(wǎng)，產(chǎn)生的電力除供給交流負(fù)荷外，多余的電力反饋給公用電網(wǎng)。太陽(yáng)能電池價(jià)格要比普通電池價(jià)格昂貴很多，要想把太陽(yáng)能的價(jià)值發(fā)揮到最大、提升太陽(yáng)能系統(tǒng)效率，就必須投入更多時(shí)間與精力去研究逆變器的逆變效率，只有逆變效率提升了，才能提升整個(gè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率。且由于大型光伏電站多應(yīng)用于一些日照資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些電站絕大多數(shù)都是無(wú)人值守與維護(hù)，因此，逆變器自身必須得具備合理的電路結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)其元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，同時(shí)，逆變器還應(yīng)該具備一定的保護(hù)功能，如欠壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)、極性反接保護(hù)等。直流輸入電壓還需具備寬泛的適應(yīng)范圍，由于太陽(yáng)能電池的輸入電壓會(huì)隨負(fù)載與日照強(qiáng)度的不同發(fā)生較大變化。而蓄電池的電壓會(huì)隨本身剩余容量與內(nèi)阻變化波動(dòng)，通常一個(gè)12V的蓄電池其端電壓變化范圍在[10，16]V，但當(dāng)蓄電池老化后其端電壓的變化范圍則將更大，因此逆變器需具備較大的直流輸入電壓范圍才能確保交流輸出電壓的穩(wěn)定性。

2 光伏并網(wǎng)逆變器工作原理

光伏并網(wǎng)逆變器的主要功能是把直流電快速轉(zhuǎn)化為交流電，如果直流電壓偏低的話，交流變壓器會(huì)快速升壓，這樣就可以得到一套完善、規(guī)范的交流電壓頻率。通常高性能逆變器中直流母線電壓值一般都不是很低，絕大多數(shù)電流輸出的變壓器就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)上升到220V。然而，其他一些部分逆變器中的直流電壓一般都比較低。另外一部分普通電壓值通常在24V左右。因此，在對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器工作原理進(jìn)行分析的過(guò)程中一定要結(jié)合其他各方面因素去綜合考慮分析。逆變器的主電路一般都需要控制電路的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，比較常見(jiàn)的有方波與正弦波兩種主要方式，整個(gè)方波在輸出逆變電源時(shí)是一個(gè)簡(jiǎn)單化的流程[2]。雖然這種方式占用的資金成本比較低，但效率也非常低。因此正弦波將會(huì)成為逆變器發(fā)展的主要方向，伴隨著微電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，有很多PWM功能微處理器已經(jīng)逐漸得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，并且發(fā)揮的作用會(huì)越來(lái)越大，正弦波輸出技術(shù)將會(huì)越來(lái)越完善。方波輸出的逆變器主要應(yīng)用于脈寬調(diào)制集成電路。通過(guò)應(yīng)用功率揚(yáng)效應(yīng)管可以作為重要開(kāi)關(guān)功率元件，這樣就能夠有效提高逆變器的整體性價(jià)比。電路輸出端通常都會(huì)應(yīng)用LC電路來(lái)濾除高頻波，這樣就可以得到較為純凈的正弦波。光伏并網(wǎng)逆變器中的主功率元件整體選擇非常重要，通過(guò)應(yīng)用更多的功率元器件在一定程度上能夠有效完善整個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器的工作流程。在這種情況下一定要先設(shè)計(jì)關(guān)斷后才能夠進(jìn)行通導(dǎo)的電路，PWM輸出時(shí)，為了使H橋或半H橋的上下管不會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)速度問(wèn)題發(fā)生同時(shí)通導(dǎo)，一般都會(huì)設(shè)置死區(qū)時(shí)間。雖然安全性得到了提高，但整個(gè)電路結(jié)構(gòu)也變得較為復(fù)雜。

3 并網(wǎng)光伏逆變器效率影響因數(shù)綜合分析

3.1 關(guān)于逆變器轉(zhuǎn)化效率分析

逆變器轉(zhuǎn)化效率為交流側(cè)的輸出功率與直流側(cè)的輸入功率兩者之間的比值。可以用如下公式來(lái)表示：

逆變器轉(zhuǎn)化效率通常會(huì)受以下兩種因素影響：①把直流電流快速轉(zhuǎn)換成交流正弦波，在一定程度上會(huì)給功率半導(dǎo)體整體發(fā)熱產(chǎn)生很大損失。②逆變器MPPT中的控制算法會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)轉(zhuǎn)換效率[3]。光伏電池陣列中的輸出電流與電壓會(huì)隨日照的溫度變化發(fā)生巨大變化，且隨用電設(shè)備負(fù)載率的變化發(fā)生較大波動(dòng)。逆變器的MPPT算法在一定程度上可以對(duì)電流與電壓進(jìn)行有效控制，使光伏系統(tǒng)能夠快速達(dá)到最大輸出功率，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)跟蹤到最大電力點(diǎn)，轉(zhuǎn)化效率也將得到進(jìn)一步提高。當(dāng)負(fù)載率在63%左右時(shí)，在此條件下的逆變器電氣效轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)的是一種最高狀態(tài)。

3.2 并網(wǎng)光伏逆變器效率影響因素之MPPT電壓范圍

并網(wǎng)光伏逆變器中日常工作電壓范圍跟并網(wǎng)光伏逆變器的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和逆變器的輸出電壓有著密切聯(lián)系。通常組串式與集散式逆變器為雙級(jí)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MPPT工作電壓范圍在[250，850]V，而集中式逆變器為單級(jí)結(jié)構(gòu)，MPPT輸出的電壓通常有270V、315V、400V三種規(guī)格[4]。但有一種組串式逆變器也為單級(jí)結(jié)構(gòu)，這種組串式逆變器由于只有一級(jí)DC～AC逆變器，正常情況下，MPPT輸出的電壓為400V，輸入電壓范圍在[570，850]V，因此在應(yīng)用上各有優(yōu)劣。從逆變器的角度來(lái)看，輸出電壓越高的逆變器，功率等級(jí)相同、電流越低，整體效率就會(huì)越高。由于單級(jí)要比雙級(jí)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單很多，故其穩(wěn)定性高、資金成本低，價(jià)格也比較便宜。而從整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度來(lái)看，MPPT電壓范圍越廣泛，逆變器的工作時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)電也越多。根據(jù)串聯(lián)原理，電壓增加，系統(tǒng)電流不變。串聯(lián)的光伏組件也是木桶理論，即輸出電流由最不利的那塊組件決定。故應(yīng)盡量多使組件并聯(lián)，這樣逆變器的轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定性更好。

3.3 并網(wǎng)光伏逆變器效率影響因素之MPPT路數(shù)

組串式并網(wǎng)光伏逆變器的MPPT路數(shù)有1～5路，集中式逆變器的MPPT有1～3路，集散式逆變器則把匯流箱和MPPT升壓集成，有多路MPPT。從減少失配的角度出發(fā)，MPPT路數(shù)越多失配越少，但從可靠性的角度出發(fā)，MPPT路數(shù)越多損耗就越嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益越低。通常當(dāng)兩者失配超0.5%以上，多路MPPT的價(jià)值才能體現(xiàn)。故需結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，根據(jù)不同地形、光照，選擇不同的逆變器，降低投入，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 總結(jié)

本文結(jié)合并網(wǎng)光伏逆變器的工作原理來(lái)對(duì)其逆變效率影響因素進(jìn)行分析。雖然逆變器的成本在整個(gè)光伏電站中所占比例很小，但卻對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率影響極大，而最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）則是影響逆變器轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。至于選擇何種形式的逆變器則需根據(jù)工程實(shí)際綜合考慮。