近年來，太陽能由于具有眾多的環保和經濟方面的好處以及久經驗證的可靠性，因而成為一種主要的再生能源形態。由于太陽能發電系統不含運動部件，所以系統一旦安裝完成后，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展現狀和應用前景。

光伏技術應用領域

光伏技術主要應用于以下領域：

家用并網系統：這是發達地區最流行的家庭和企業級太陽能光伏發電系統應用類型。與本地電網的連接，允許將光伏系統產生的多余電能輸送至電網，賣給公用機構。當沒有太陽時，再從電網輸出電力。逆變器用來將光伏系統產生的直流電(DC)轉換為運行一般電氣設備所需的交流電(AC)。

并網發電廠：在一個廠區位置上，這些也并入電網的系統產生大量光伏電能，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。

農村電氣化離網系統：在不通電的地方，光伏系統通過充電控制器連接到電池。可以使用一個逆變器提供交流電源，供普通電器使用。典型的離網應用是為偏遠地區(如山區房屋和發展中國家的地區)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；或可為幾個家庭提供足夠電能、稍大些的小型太陽能電網。

混合系統：太陽能系統可與其它種類的能源(例如生物質能發電、風力發電或柴油發電)組合在一起，以確保持續穩定供應電力。混合動力系統可以是并網的、獨立的或由電網提供后備支持。

離網工業應用：在電信領域，經常需要把太陽能發電用于遠程應用，尤其是在需要將偏遠農村地區與國內其它地區連接起來的場合。由光伏或混合動力系統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、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提供動力，從而避免了鋪設線網的高成本，所以，目前這些應用具有成本優勢。

太陽能光伏逆變器

一個典型的太陽能發電系統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的交流電壓。因此，逆變器已成為并網光伏系統的核心部件。

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(接近1)和低的電磁干擾水平，提供交流電，盡可能優化能源從光伏陣列輸送到電網的過程。此外，逆變器還必須滿足用戶、設備和電網本身對安全的要求。

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，它可提供電網和直流前端之間的完全隔離。它還規避了直流電流進入電網的這種應盡力避免的情況發生。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，它不僅提供了電網和光伏電池板之間的電氣隔離，還為逆變器提供了調節和受控的直流母線電壓。而且，可以在DC-DC轉換器部分實現MPPT功能是上述方案的另一個好處。逆變器內的MPPT系統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。

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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，它具有用于并網操作電源管理和MPPT算法的全數字控制算法，固件是用C語言開發的。

微處理器執行的任務包括，DC-DC部分的MPPT跟蹤機制；電網電壓過零檢測；使用PLL的電網相同步；電網電壓和電流的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。它會自動檢測電網電壓的存在，并控制其輸出電壓與電網電壓、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。連接光伏系統的電網當發生故障時，必須要觀察孤島情況。當發生孤島情況時，必須立即將光伏發電系統與主電網斷開。若光伏輸出與負載匹配，則光伏系統可以繼續僅為本地負載供電。不過，如果在發生孤島情況期間，光伏系統沒有與主電網斷開，則將有瞬時過電流經過光伏系統逆變器，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電系統免受孤島現象的損害，主要原因如下：

（1） 電網無法控制孤島的電壓和頻率，從而有可能在電網無法控制的情況下損壞客戶端設備。

（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的客戶設備的電氣損壞負責。

(3）孤島可能對電力系統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提出的各中具體安全條例和規范。

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新的拓撲結構，可實現更高效率。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。

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電系統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信息，以實現先進的診斷功能，并能與公用服務機構通信，以支持電網的穩定性。

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的進一步開發鋪平道路。目前大多數發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境問題，未來幾十年，節能產品和能量采集系統市場將經歷一個不斷增長的過程。因此，對Sun Farmer項目設計和開發的長期投資將是明智之舉。
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