近年來,，太陽能由于具有眾多的環(huán)保和經(jīng)濟方面的好處以及久經(jīng)驗證的可靠性，因而成為一種主要的再生能源形態(tài),。由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)不含運動部件,，所以系統(tǒng)一旦安裝完成后，實際上并不需要任何維護,。本文介紹太陽能光伏技術的主要應用領域,，并重點探討太陽能逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀和應用前景。
光伏技術應用領域
光伏技術主要應用于以下領域：
家用并網(wǎng)系統(tǒng)：這是發(fā)達地區(qū)最流行的家庭和企業(yè)級太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應用類型,。與本地電網(wǎng)的連接,，允許將光伏系統(tǒng)產生的多余電能輸送至電網(wǎng)，賣給公用機構,。當沒有太陽時,，再從電網(wǎng)輸出電力。逆變器用來將光伏系統(tǒng)產生的直流電(DC)轉換為運行一般電氣設備所需的交流電(AC),。
并網(wǎng)發(fā)電廠：在一個廠區(qū)位置上,，這些也并入電網(wǎng)的系統(tǒng)產生大量光伏電能，其容量從幾百千瓦到幾兆瓦,。其中一些電廠位于機場或火車站等大型工業(yè)建筑內,，這類電廠利用已有的可用空間，補償了高耗能用戶所需的部分電能,。
農村電氣化離網(wǎng)系統(tǒng)：在不通電的地方,，光伏系統(tǒng)通過充電控制器連接到電池?？梢允褂靡粋€逆變器提供交流電源,，供普通電器使用。典型的離網(wǎng)應用是為偏遠地區(qū)(如山區(qū)房屋和發(fā)展中國家的地區(qū))供電,。農村電氣化是指如下兩類應用：可滿足一個家庭基本用電需求的小型家用太陽能系統(tǒng),；或可為幾個家庭提供足夠電能,、稍大些的小型太陽能電網(wǎng)。
混合系統(tǒng)：太陽能系統(tǒng)可與其它種類的能源(例如生物質能發(fā)電,、風力發(fā)電或柴油發(fā)電)組合在一起,，以確保持續(xù)穩(wěn)定供應電力,?；旌蟿恿ο到y(tǒng)可以是并網(wǎng)的、獨立的或由電網(wǎng)提供后備支持,。
離網(wǎng)工業(yè)應用：在電信領域,，經(jīng)常需要把太陽能發(fā)電用于遠程應用，尤其是在需要將偏遠農村地區(qū)與國內其它地區(qū)連接起來的場合,。由光伏或混合動力系統(tǒng)供電的移動電話中繼站應用,，也有很大潛力。其它應用還包括：交通信號燈,、海航支持系統(tǒng),、保安電話、遠程照明,、公路標志和廢水處理廠等,。因為它們能為那些電力傳送不到的地區(qū)提供動力，從而避免了鋪設線網(wǎng)的高成本,，所以,，目前這些應用具有成本優(yōu)勢。
太陽能光伏逆變器
一個典型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池板陣列和逆變器組成,。光伏電池板將太陽光線以直流電壓的形式直接轉化為電能,；逆變器將光伏電池板產生的直流電壓轉換成可送至電網(wǎng)的交流電壓。因此,，逆變器已成為并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的核心部件,。
逆變器除應具有高效率的DC/AC轉換和最大功率點跟蹤(MPPT)等特性外，還應能滿足所要求的質量――低的總諧波失真(THD)電流,、高功率因數(shù)(接近1)和低的電磁干擾水平,，提供交流電，盡可能優(yōu)化能源從光伏陣列輸送到電網(wǎng)的過程,。此外,，逆變器還必須滿足用戶、設備和電網(wǎng)本身對安全的要求,。
逆變器可采用若干種拓撲結構,。其中之一是使用H橋驅動的線性變壓器。這是最簡單,、最可靠的方式,，它可提供電網(wǎng)和直流前端之間的完全隔離,。它還規(guī)避了直流電流進入電網(wǎng)的這種應盡力避免的情況發(fā)生。不過,，線性變壓器嚴重的功率損耗會導致低效率,，這是這種拓撲結構的缺點；線性變壓器的大個頭和重量,，也是該拓撲的缺陷,。
利用輸出電感取代笨重的線性變壓器是另一種拓撲結構。這種方法在所有拓撲中的效率最高,；與采用線性變壓器的逆變器相比,，因輸出電感的體積小，所以這種逆變器要輕得多,、也更具成本效益,。但其缺點是，不會在電網(wǎng)和光伏電池板間提供任何形式的電氣隔離,。一些管控條例嚴格的國家是不允許使用此類逆變器的,。
因此，變頻器廠家想方設法要把高頻,、高效,、小巧輕便的變壓器做進前端DC/DC轉換器。這樣,，它不僅提供了電網(wǎng)和光伏電池板之間的電氣隔離,，還為逆變器提供了調節(jié)和受控的直流母線電壓。而且,，可以在DC-DC轉換器部分實現(xiàn)MPPT功能是上述方案的另一個好處,。逆變器內的MPPT系統(tǒng)可確保逆變器在各種天氣條件下，以及在一天內的任何時段,，始終都工作于光伏電池板可以輸出的最大功率,。
Sun Farmer太陽能逆變器平臺
Sun Farmer太陽能逆變器平臺是IMI新加坡研發(fā)團隊研制的第一款逆變器產品，其輸出端采用了無變壓器的拓撲結構,，并輔之以在前端DC-DC轉換器內采用小型高頻高效變壓器,。該產品帶有零電壓轉換(ZVT)機制的相移DC-DC轉換器，以減少半導體器件的開關損耗,；在輸出端則采用全橋拓撲驅動兩個電感,。
這款IMI太陽能逆變器的核心是一顆32位微處理器，它具有用于并網(wǎng)操作電源管理和MPPT算法的全數(shù)字控制算法,，固件是用C語言開發(fā)的,。
微處理器執(zhí)行的任務包括，DC-DC部分的MPPT跟蹤機制,；電網(wǎng)電壓過零檢測,；使用PLL的電網(wǎng)相同步,；電網(wǎng)電壓和電流的Park和反Park變換；有功功率和無功功率計算,；以及其它保護功能,。
Sun Farmer逆變器的特別之處在于：一旦連接到光伏電池，就不再需要用戶干預,。它會自動檢測電網(wǎng)電壓的存在,，并控制其輸出電壓與電網(wǎng)電壓、頻率和相位同步,。這款太陽能逆變器的目標壽命是8年以上,。
逆變器的安全特性也很重要。連接光伏系統(tǒng)的電網(wǎng)當發(fā)生故障時,，必須要觀察孤島情況。當發(fā)生孤島情況時,，必須立即將光伏發(fā)電系統(tǒng)與主電網(wǎng)斷開,。若光伏輸出與負載匹配，則光伏系統(tǒng)可以繼續(xù)僅為本地負載供電,。不過,，如果在發(fā)生孤島情況期間，光伏系統(tǒng)沒有與主電網(wǎng)斷開,，則將有瞬時過電流經(jīng)過光伏系統(tǒng)逆變器,，從而可能損壞斷路器等保護設備。
必須保護光伏或其它任一種分布式發(fā)電系統(tǒng)免受孤島現(xiàn)象的損害,，主要原因如下：
（1） 電網(wǎng)無法控制孤島的電壓和頻率,，從而有可能在電網(wǎng)無法控制的情況下?lián)p壞客戶端設備。
（2） 公用設施以及分布式光伏能源的所有者需要對連至其電網(wǎng)的客戶設備的電氣損壞負責,。
(3）孤島可能對電力系統(tǒng)員工或公眾造成危害,，因為它會使那些通常被認為已與所有勵源斷開的線路帶電。
(4）孤島重新并網(wǎng)后,，可能會由于相移閉合導致線路重新跳閘,、或損壞分布式能源產生設備或連接的其它設備。
（5）孤島可能會干擾公共機構為恢復正常服務而手動或自動恢復電網(wǎng)的操作,。
除了具有防范孤島危害的功能外,，逆變器還需要滿足特定地區(qū)提出的各中具體安全條例和規(guī)范。
逆變器的未來
未來的太陽能逆變器需要具備以下特性,。
更高的效率：目前,，美國市場上逆變器的最高效率可達95％。在歐洲,，由于采用無變壓器的設計和創(chuàng)新的拓撲結構,，可實現(xiàn)更高效率,。例如：有一款產品(SMA Sunny Mini Central 8000TL)就聲稱可達到98％的效率。
更低的成本：大約0.2-0.3美元/瓦的價格已被設定為2020年逆變器的價格目標,，這意味著比目前售價降低了50-75％,。這個目標最有可能通過增加產量和改善學習曲線來實現(xiàn)。
更高可靠性：目前,，逆變器的MTBF(平均無故障時間)為5~10年,。理想情況是，逆變器的壽命應與光伏發(fā)電系統(tǒng)內的其它組件一樣長(即25年),。但很多人懷疑,，是否有可能以合理的成本實現(xiàn)這樣的目標。在中近期,，通過改進質量控制,、更好地散熱并降低復雜性，MTBF大于10年的目標是可能實現(xiàn)的,。
先進的通信功能：今天,，逆變器可以記錄并借助制造商特定的協(xié)議傳遞信息。下一代單元應使用通用的通信標準傳送更全面的系統(tǒng)信息,，以實現(xiàn)先進的診斷功能,，并能與公用服務機構通信，以支持電網(wǎng)的穩(wěn)定性,。
本文小結
Sun Farmer太陽能逆變器平臺項目是一個試點項目,，它最終將為未來采用替代能源的能量采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)鋪平道路。目前大多數(shù)發(fā)達國家已開始采取措施解決溫室氣體排放,，并正在努力解決由全球變暖帶來的環(huán)境問題,，未來幾十年，節(jié)能產品和能量采集系統(tǒng)市場將經(jīng)歷一個不斷增長的過程,。因此,，對Sun Farmer項目設計和開發(fā)的長期投資將是明智之舉。