并网型逆变器的特点和应用

今天，大部分可再生能源系统，包括光伏发电和风力发电都是并入电网的。这些系统需要能够和电网同步工作的逆变器。它们产生可以和电网兼容的正弦波电能并且把多余的电能馈送给电网。它们产生的电能和来自电网的电能是一致而不可分辨的，很多时候它们发出的电能甚至更清洁一些。

并网型逆变器也可以称作配电网型逆变器，它将光伏阵列产生的直流电转换成交流电（见图6-7）。于是电能便从逆变器流向开关箱或者主接线板。然后再为工作电路供电，包括冰箱、电脑、立体声录放机等设备。多余的电能馈送给电网，相应的电表读数会减少。

图6-7 并网型逆变器。这一台光洁而安静的Fronius逆变器非常适用于并网型系统。Fronius的逆变器出产于奥地利Sattledt地区的一个新工厂。该工厂在2007年初正式运行。厂内使用的电能有75%来自于一个大型的屋顶架设的光伏系统，厂内使用的热能则有80%来自于生物质供热系统。

并网型逆变器产生的正弦波电压的幅值和频率都和电网电压一致。为了实现这一功能，逆变器会监测输电线电压的幅值和频率，然后调整它的输出和电网侧保持一致。这样，光伏阵列向电网馈送的电能就和电网输送给用户的电能在形式上保持一致。

并网型逆变器装有反孤岛保护，这个功能可以在电网停止供电时自动将逆变器和电网断开。也就是说，如果电网因故障断电了，并网型逆变器会依照程序自动停机。电网故障时，逆变器会一直处于停运状态直到电网恢复正常。在电网发生故障时将逆变器和电网断开是很有必要的，这样可以保护电力工作人员免受电击伤害。

当电网侧电压的幅值或者频率过高或过低以至于超过了逆变器所能接受的范围时，逆变器也会停机（这个范围是由电网公司确定的）。这种情况被称作过/欠电压或者过/欠频率。无论是电压还是频率，只要超过了逆变器程序中限定的范围，逆变器都会停机。这种情况容易发生在输电线的终端或者功率因数很糟糕的制造厂房的附近（第4章中给出了功率因数的定义，更详细的解释可以参阅下文中的“功率因数是怎样影响电压的？”）。在这两种情况下，电网的电能质量很差，电压或者频率不能满足逆变器规定的阈值范围。逆变器会一直保持停机状态直到电网电能质量恢复到它可以接受的范围。

并网型逆变器还具有故障工况重启的功能。逆变器中含有一组传感器和开关，当电网恢复供电或者逆变器检测到电压或者频率已恢复正常时，开关会立刻合上，将逆变器重新并入电网。

让许多刚刚接触太阳能发电的人很难理解的是，当电网因故障断电或者出现过/欠电压、过/欠频率的情况时，不仅逆变器停止了向电网输送多余的电能，整个光伏发电系统都停止了工作。也就是说，向主接线板和工作电路输送的电流同样被切断了。为什么逆变器不能继续工作，为家庭或者商业用户提供电能呢？

答案很简单：因为逆变器需要和电网连接来确定它输出的交流电的电压和频率，没有这个连接，逆变器就不能工作。它就是这样连线的。

为了避免在电网故障时家里停电，您可以采用带电池后备的并网系统。这样的系统可以使家里或者商业场所在电网停电时仍然维持电能的供应。这种系统中的逆变器在停电期间尽管和电网断开了，它仍然可以从蓄电池组中获取电能并提供给工作电路，这是通过一个独立的开关箱实现的。这样的系统通常设计并连线成只给家庭或商户的必要电路，也就是只为最重要（关键）的负载供电。在电网停电和逆变器接通电池的瞬间，用户会看到短暂的功率闪动，逆变器质量越好，切换会越平滑。高质量的逆变器开关动作非常迅速以至于当系统切换到后备电池时连电脑都不会受到影响。

并网型逆变器通常还带有LCD显示屏，为您提供输入电压（光伏阵列输出的直流电电压）和输出电压（逆变器输出的供给家用或商用的交流电压）的相关信息，还显示输出交流电流的大小。Fronius逆变器还能够显示您节省了多少电费以及您通过太阳能发电减少的二氧化碳排放量。

大多数的现代逆变器还包括另一项关键技术：最大功率点追踪MPPT，也在第4章中讨论过）。MPPT是一款软件，它持续追踪光伏阵列输出的电压和电流。这样做是为了找到电压和电流最佳的组合以获得最大功率，也就是最大功率点。这样可以保证太阳能发电系统在工作时可以发出最多的功率（W），提高效率并且优化输出。离网型系统中的充电控制器也包含MPPT。补充材料“最大功率追踪”解释了最大功率追踪的工作原理。

某些逆变器，比如Trace SW的并网系列逆变器，带有清晨自动开机和晚上自动关机的功能。晚上逆变器自动停机（因为它在这个时候不需要工作），早上会被叫醒（准备将来自光伏阵列的直流电转换为交流电）。SW系列的这种睡眠模式消耗的功率不足1W。

并网型逆变器可以在一个相当宽范围的输入电压下工作。例如，SW系列的输入直流电压可以在34～75V之间变化（标签上以VDC为单位的数据指的就是直流输入电压）。Fronius和Oregon-based PV Powered Design生产的逆变器可以在一个更宽范围的输入直流电压下工作：150～500V。这就使得模块和系统的布局有更宽的选择。不仅如此，和低压光伏阵列相比，高压光伏阵列可以放置在离逆变器更远的地方。同时，高直流输入电压使得用户可以使用更细更便宜的输电线将光伏阵列发出的电能输送到家里或者办公地点。不断增长的能源价格和需求量导致铜材料的价格飞涨，所以在铜线上节省的资金将是相当可观的。

并网型逆变器既可以安装在室内，也可以安装在室外。有一些逆变器，比如Trace UT系列，安装在室外的一个保护性外壳里。这样您就可以把逆变器安装在外部的墙上，许多电力部门都是这样要求的。为了给逆变器降温，机箱上设有开孔（通风孔）以及内部隔板来增加散热表面积。高温地区的用户还可以要求在逆变器内增设散热风扇以提高散热能力。逆变器，比如这一款，含有交流和直流的断路器，供操作人员在执行散热功能时切断所有的交直流电源。集成的交直流断路器可以减少安装成本。

并网型逆变器必须遵守电网部门和发电商（即用户）提前签订的互连协议中的各项规定。电网部门的相关规定包括可以接受的波形畸变率，过/欠频率、过/欠电压、停电期间自动断开等。当您考虑购买一台逆变器时，看一下它有没有UL1741标志。带有这个标志的逆变器能够满足电力部门提出的所有要求。

有很多公司都生产并网型逆变器，包括Xantrex、Fronius、SMA和PV Powered Design。逆变器通常有2～10年的保修期。Fronius的逆变器保修期就长达10年之久。

我的逆变器安全吗？

消费者怎样才能知道他们的逆变器在电网断电时是否能和电网正常地断开呢？更重要的是，他或者她怎样才能够使当地的电力部门相信他们的逆变器那个时候会和电网断开呢？答案就在逆变器的铭牌上。如果上面列出了它符合UL1741和IEEE 1547的标准，您（和您所在地区的电力部门）就可以确信这台逆变器达到了国家安全标准。也就是说，它可以保证分布式电源和电网的互连是安全的。现在大部分的逆变器都拥有UL 1741的认证，UL 1741的认证可以保证在任何地区，您都可以很顺利地同当地的电力部门达成逆变器与电网互连的协议。

功率因数是怎样影响电压的？

功率因数是衡量电压与电流契合程度的指标。感性负载，比如电机，使电流滞后于电压。当电压和电流波形不一致时，传送的有功就会减少。为了传送给定大小的功率，在功率因数较高的情况下就必须增大电流。输电线中的电流会产生电压降，使输电线终端电压降低。在传输同样有功的情况下，一个功率因数糟糕透顶的工厂所需要的传输电流要远远大于高功率因数负载所需要的传输电流。这个更高的电流可能会导致配电网输电线终端的电压跌落。

最大功率点追踪

为了使光伏阵列发出尽可能多的能量，大部分系统都包含一项称作最大功率点追踪的功能。在离网型系统中，实现最大功率点追踪的电路设置在逆变器内部，而在电池型系统中，相关电路设置在充电控制器中。

正如第3章中提到的，光伏阵列发出的电压和电流随着电池温度、光照和负载而变化（您应该还能想起负载指的是任何消耗电能的设备、仪器或者电器，电池也包括在内）。

图6-8中显示了光伏设备（电池、模块或者阵列）产生的电压与电流之间的关系，即电流-电压曲线或者I-V曲线（I代表电流，V代表电压）。让我们花一点时间来研究这幅图。(www.xing528.com)

I-V曲线显示了在特定情况下，也就是特定光强和电池温度下，光伏阵列发出的电压与电流之间的关系。光伏阵列可以工作在曲线上的任意一点。

图6-8 I-V曲线

让我们先来看看标有“短路电流”的这一点。这是当外部电路短路时，即光伏阵列终端被短接时，光伏阵列的工作点，如图所示，这一点的电流很高，但是电压却是零。这一点并没有任何功率的产生。

为什么？

您应该记得，功率是由电压和电流的乘积决定的。既然这一点的电压为零，输出的功率自然是零。

现在再看看标有“开路电压”的这一点。这是当阵列的外部电路开路，即没有接任何负载的情况下，光伏阵列的工作点。这一点的电流是零但电压却是最大值。那么这一点产生的功率是多少？

同样，输出的功率还是零。

在短路点和开路点之间的所有工作点处都有功率产生。阵列产生多少功率取决于它运行在曲线上的哪一点。当工作点远离短路点时，输出功率逐渐增加。在“膝盖”的中部，也就是曲线从平坦转向陡峭的地方，功率达到最大值。功率达到最大值的这一点就称作最大功率点。随着工作点沿着“膝盖”向下移动，逐渐远离最大功率点，靠近开路点，功率会减小。负载决定了阵列将会在I-V曲线上的何处运行。

就像光伏阵列的电压电流关系可以画成一条I-V曲线一样，负载的电压和电流也可以。图6-9显示了一种典型负载的I-V曲线，它基本上是一条直线。负载可以工作在线上的任一点，实现任意的电压电流组合，那么，什么决定了负载在I-V曲线上的具体工作点？

答案是光伏阵列。

当阵列和负载连接时，它们必须工作在同一点，也就是两条I-V曲线上都存在的点。图6-10将光伏阵列的I-V曲线和负载的I-V曲线画在了一起，可以说明这一点。两条曲线的交点就是光伏阵列和负载连接时它们的工作点。

为了使阵列发出最大功率，它必须工作在最大功率点。但是，就像我们刚刚看到的，阵列的工作点是由负载决定的。那么，我们是怎样使负载曲线和阵列曲线相交在最大功率点的？

在回答这个问题之前，我们必须指出阵列的I-V曲线并不是固定的，它会随着电池温度以及光照强度而变化。图6-11显示了阵列的I-V曲线随电池温度的变化规律，图6-12显示了阵列的I-V曲线随光照强度的变化规律。因此，最大功率点是一个动态目标。为了使负载曲线和阵列曲线相交在最大功率点处，我们需要调整负载曲线使它跟踪阵列I-V曲线的最大功率点。幸运的是，有一种方法可以实现这一设想。

负载I-V曲线的斜率，或者说角度，可以通过改变负载的阻抗实现。阻抗是指导体对电流的阻碍作用，单位是欧姆（Ω）。用负载的电压除以电流就得到了负载的阻抗。阻抗的变换是通过DC-DC变换电路实现的。DC-DC变换电路能够改变阵列供给负载（充电控制器或者逆变器）的电压。电压改变，电流也随之改变。这样，DC-DC变换电路就能够改变负载I-V曲线的斜率。附加的电路能够控制DC-DC变换器“瞄准”负载曲线使得它能够和阵列曲线相交在最大功率点。DC-DC变换器及其控制电路的组合就是最大功率点追踪器。

白天，当温度、光照和负载变化时，MPPT调整负载的阻抗，保证光伏阵列输出最大功率。MPPT还可以使光伏阵列输出的高压直流电电压降低以满足电池或者并网型逆变器对输入直流电压的要求。

图6-9 I-V曲线（负载）

图6-10 光伏阵列和负载的I-V曲线

图6-11 不同温度下的I-V曲线

图6-12 不同光照下的I-V曲线