(新疆天富金阳新能源有限责任公司，新疆石河子，832000)
摘要:本文运用理论分析和实证分析相结合的方法，找出影响光伏电站逆变器效率的因素，并与电站的实际发电数据相结合，提出改进光伏并网逆变器效率的途径。
关键词：光伏电站 逆变器效率 多路MPPT
一、引言
太阳能光伏发电系统可区分为两大类：一是独立系统，二是并网系统。独立系统是由太阳能电池直接给负载提供功率，多用于向偏远无电地区供电，易受到诸如时间和季节的影响。并网发电系统的特点是通过控制逆变器，直接将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，输向电网。光伏发电的核心是利用光伏组件（就是人们常说的太阳能电池板）将太阳能转化为电能，但由于光伏组件只能生成直流电，且大小与阳光强度有关，难以直接利用，因此需要将这种直流电通过光伏逆变器转换成我们常用的交流电，方便电力的传输与利用。
逆变器作为一种将直流电转换成交流电的设备，应用范围十分宽广。而光伏逆变器，则是针对光伏发电系统而设计的一种特种逆变器。寻求高性能、低造价的光伏材料和器件以减小光伏发电系统的自身损耗是其研究热点之一。作为光伏阵列与电网系统间进行能量变换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的地位。因此，对于拓扑结构的合理选择、提高系统效率和降低生产成本有着极其重要的意义。
光伏逆变器与普通逆变器相比，区别体现在其具备最大功率点跟踪（MPPT）功能与针对电网安全的低电压穿越能力。
按照光伏发电原理，光伏组件的发电能力是随着阳光强度、温度和其他环境因素变化的，在不同日照强度下都存在一个最大功率输出点。光伏逆变器通过MPPT模块，控制自身输入端（即光伏组件输出端）的工作电压大小，使得光伏组件工作在最大功率点输出状态下，实现光伏逆变器的最大功率输入，提高阳光的利用率。
二、光伏并网逆变器效率介绍
欧洲效率(European Efficiency)选取德国慕尼黑地区一年的日照强度数据，分别对应欧洲效率的分档区间，统计其不同区间的年累计发电量，在此基础上计算出每段功率分档水平上的年总发电量的权重占比。对于光伏逆变器的设计而言，对最大功率的追求仅仅是处于第二位的，欧洲效率的最大化才是最重要的。欧洲效率是指最大稳压下的是最大效率，是根据欧洲光照条件，给出一个有标准配置阵列的光伏逆变器，在不同功率点的权值，用来估算逆变器的总体效率。欧洲效率权重取值如表格1所示。
表1 慕尼黑地区光照资源分布与欧洲效率分布
加州效率(California Efficiency，CEC效率)是由美国加州能源协会选取美国洛杉矶地区与达拉斯地区一年的辐照强度，按照上述范围选取的原则对应CEC效率的分档区间，统计不同区间的年累计发电量，在此基础上计算出每段功率分档水平上的年总发电量的权重占比。加州效率权重取值如表格2所示。
表2 美国洛杉矶、达拉斯地区光照资源分布与CEC效率权重
根据欧洲效率以及CEC效率模型进行分析，结合中国地区太阳能资源区条件，我国在2012年开始成立了起草小组并于2013年针对中国光伏发电建设及运行环境的特点在国内率先提出了“中国效率”的概念。
我国太阳能资源区分为四类，在每一类地区中选取代表性区域分析不同功率区间的年累计发电量，按照欧洲效率以及CEC效率取点的原则，在此基础上选取相对稳定且能覆盖全功率范围的统计区间，并计算出每段功率分档上的年发电量的权重占比。
表3 中国效率加权值表
2015年中国工业和信息化部公告的 《光伏制造行业规范条件(2015年本)》首次提出光伏逆变器的“中国效率”相关要求。《光伏制造行业规范条件(2015年本)》中规定：含变压器型的光伏逆变器中国加权效率不得低于96%，不含变压器型的光伏逆变器中国加权效率不得低于98%(微型逆变器相关指标分别不低于94%和95%)。
三、光伏并网逆变器效率的提升
3.1欧洲效率的提升
对对于光伏逆变器而言，不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益，欧洲效率的提高同样可以，而且更加明显。欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。它充分考虑了太阳光强度的变化，更加准确地描述了光伏逆变器的性能。欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的，其中半载的效率占其最大组成部分。
为了提高光伏逆变器的欧洲效率，仅仅降低额定负载时的损耗是不够的，必须同时提高不同负载情况下的效率。欧效的改善所带来的经济效益也很容易通过计算得到。例如以一个额定功率 3kw 的光伏逆变器为例，根据现在市场上的成本估算，光伏发电每千瓦安装成本大约需要 4000 欧元[2]，那也就意味着光伏逆变器每提高欧效 1%就可以节省 120 欧元。提高光伏逆变器的欧洲效率带来的经济效益是显而易见的，“不惜成本”追求更高的欧效也成为现在光伏逆变器发展的趋势。
3.2功率器件的选型
在通用逆变器的设计中，综合考虑性价比因素，IGBT 是最多被使用的器件。因为 IGBT 导通压降的非线性特性使得 IGBT 的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加。从而保证了逆变器在最大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是对于光伏逆变器而言，IGBT 的这个特性反而成为了缺点。因为欧洲效率主要和逆变器不同轻载情况下效率的有关。在轻载时，IGBT 的导通压降并不会显著下降，这反而降低了逆变器的欧洲效率。相反，MOSFET 的导通压降是线性的，在轻载情况下具有更低的导通压降，而且考虑到它非常卓越的动态特性和高频工作能力，MOSFET 成为了光伏逆变器的首选。另外考虑到提高欧效后的巨大经济回报，最新的比较昂贵的器件，如 SiC 二极管，也正在越来越多的被应用在光伏逆变器的设计中，SiC 肖特基二极管可以显著降低开关管的导通损耗，降低电磁干扰。
对于无变压器式光伏逆变器，它的主要设计目标为对太阳能电池输入电压进行最大功率点跟踪，从而得到最大的输入功率，追求光伏逆变器最大欧效及低电磁干扰。
为了得到最大输入功率，电路必须具备根据不同太阳光条件自动调节输入电压的功能，最大功率点一般在开环电压的 70%左右，当然这和具体使用的光伏电池的特性也有关。典型的电路是通过一个 boost 电路来实现。然后再通过逆变器把直流电逆变为可并网的正弦交流电。
本文受新疆生产建设兵团第八师2015年度科技计划支持，课题名称：高纬度地区提升光伏发电效率工艺研究与应用，课题编号：2015cz04
参考文献：
[1]刘志强. 10kW光伏并网逆变器的研制[D].北方工业大学,2011.
[2]黄丽娟. 单相光伏并网逆变器共模漏电流和无功补偿的研究[D].扬州大学,2014.
[3]金渊. 单相多电平光伏并网逆变器研究[D].北京交通大学,2014.
[4]曾晓生. 基于准比例谐振控制的光伏并网逆变器的研制[D].华南理工大学,2012.
论文作者:李景云,熊德安
论文发表刊物:《科技中国》2016年4期
论文发表时间:2016/6/22
标签：逆变器论文; 光伏论文; 效率论文; 欧洲论文; 功率论文; 权重论文; 直流电论文; 《科技中国》2016年4期论文;