太阳能光伏逆变器：18．3．1光伏逆变器

18．3．1．1 分类及构成

光伏逆变器是将太阳电池所输出的直流电能变换成为交流电能的装置，在光伏发电系统中实现逆变、并网及保护、光伏电池最大功率跟踪（MPPT）、监测控制和通信、光伏方阵接地故障侦测等功能，是光伏发电系统的核心部分，其性能不仅是影响和决定整个光伏发电系统是否能稳定、安全、可靠、高效运行的关键因素，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素之一。

光伏逆变器的种类很多，按安装环境分为户内型和户外型；按交直流是否电气隔离情况分为隔离型和非隔离型；按可接入电网电压等级分为低压型和中高压型；按电磁发射的限值分为A型逆变器和B型逆变器；按使用要求分为集中型、组串型和微型。（注：A型逆变器是指非家用和不直接连接到住宅低压供电网的所有设施中使用的逆变器。对于这类设备不应限制其销售，但应在其有关使用说明中包含下列内容：“警告：这是一种A级逆变器产品，在家庭环境中，该产品可能产生无线电干扰，此时，用户可能需要另加措施。”B型逆变器适用于包括家庭在内的所有场合，以及直接与住宅低压供电网连接的设施）。

光伏逆变器一般由BOOST电路，逆变电路，驱动电路、采样电路、通讯电路以及各种保护和控制电路等构成（见图18．11～图18．13），其中，BOOS电路和逆变电路主要由半导体功率器件组成，常见的有功率场效应晶体管（POWER，MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、可关断晶体管（GTO）、MOS控制晶体管（MGT）、MOS控制晶闸管（MCT）、静电感应晶闸管（SITH）、智能型功率模块（IPM）等，半导体功率器件相当于整个电能变换的“心脏”，是功率转换的核心。控制电路中的主控芯片相当于整个逆变器的“大脑”，常见的有单片机、数字信号处理器（DSP）、FPGA等。

图18．11　集中型逆变器常见拓扑

图18．12　组串型逆变器常见电路拓扑

图18．13　微型逆变器常见电路拓扑（a）和（b）

光伏逆变器的关键器件和它们对于逆变器影响如表18．5所示。

表18．5　逆变器关键器件及其影响

（续表）

18．3．1．2 主要故障及原因

表18．6分别针对逆变器本体或其与系统配合两方面原因可能产生的各种故障进行了简单描述：

表18．6　光伏并网逆变器故障类别、原因分析

（续表）

影响光伏逆变器可靠性的内因主要有：器件选型，电路设计，热设计，结构设计等。外因主要包括存储、运输和工作过程中的环境条件的影响以及人员操作维护不当造成的影响。

造成光伏逆变器失效的原因和影响是多方面的，归根结底是设备本身具有出故障的内因，在各种外因的作用下出现了故障。

18．3．1．3 质量控制方式

对于光伏逆变器来说，单位发电量的成本是决定其竞争力的决定性因素，智能化水平决定了其应用前景，不同应用环境下的适应性能力决定了其应用的范围。光伏逆变器的可靠性决定了其可用度，间接影响其发电量，最终影响其发电成本。因此设计可靠、高效、智能化、适应性强的光伏逆变器应该成为所有光伏逆变器企业的目标。

保证产品的可靠性要从设计、生产及测试几个环节，从硬件的可靠性，软件的可靠性，以及整个机体结构设计的可靠性等多个方面进行控制。

1）硬件和结构可靠性

对光伏逆变器来说，硬件的故障主要体现在元器件的故障、安规设计不合理引起的故障、EMC设计不合理引起的故障等方面。

（1）元器件选型和检验。

据统计，在光伏逆变器的故障中元器件失效引起的故障占到大概26%，要保证逆变器整机质量，把好元器件质量关是至关重要的一步。光伏逆变器主回路中的关键元件见图18．14，主要包括IGBT、断路器、母线电容、防雷器、变压器、安规电容、电感、电抗器、霍尔等。元器件的故障原因主要有元器件选用不合理、元器件本身的故障。因此元器件的选择和元器件的来料检验是保证光伏逆变器可靠性的重要环节之一。

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图18．14　光伏并网逆变器关键元器件示意图［14］

a．对于元器件的可靠性的选择主要考虑降额设计、容差设计［12，13］。所谓降额设计就是使元器件工作在低于其额定值的应力条件下，合理地选择调整系数及应力水平，同时保证元器件的失效机理和失效模型不变。

任何元器件系统的参数都会有一定的误差，误差的变化会使系统产生漂移失效。为了克服这种失效的发生，进行合理的容差设计也是很有必要的。容差设计是根据元器件的参数变化对整机的影响度来控制整机参数的变化范围，或者根据整机的功能要求来控制元器件参数的变化范围，从而选择合适的元器件，保证整机的可靠性水平。

b．关键元器件的来料检验。

关键元器件的来料检验的过程也是一个可靠性筛选的过程。在这个过程中可以把一批元器件中由于原材料、工艺制造等潜在的不良因素造成的有缺陷而早期失效的产品、在安装到整机上之前挑选出来，提前消除失效隐患。

（2）安规设计。

a．逆变器的安规设计主要涉及防电击、防火灾、防环境污染、防能量冲击、防化学腐蚀、防机械伤害和热的伤害等方面。针对这些方面要从器件的选型、电路的设计、热设计、结构设计、装配环节的执行、应用环境等方面来考虑以提高逆变器的安全、可靠性。

b．防火安全设计。

对于光伏逆变器的防火设计首先要考虑选择防火等级高的外壳材料以及内部的非金属材料，同时提高外壳的防火结构的设计。

另外，要考虑整个光伏逆变器的热的设计，保证散热，避免内部元器件或线路温度过高。

保证光伏逆变器内部的电气间隙和爬电距离，避免因短路、拉弧等现象引起着火危险。

a．防电击、能量冲击。

为了防止光伏逆变器引起电击和能量冲击等危险，应保证光伏逆变器可靠接地，同时做好高压与低压电路的隔离保护等。

做好光伏逆变器的防雷设计。

b．防环境污染、化学、机械和热的伤害。

为了提高光伏逆变器的环境适应性，要选择合适的外壳材料，避免出现外壳腐蚀和老化；提高外壳的防护等级。

c．冗余设计。

对于光伏逆变器，要保证其可靠性不光要考虑其正常工作情况，还要考虑其在单一故障情况下的可靠性。对光伏逆变器的主控电路、保护开关、二次供电电路等进行冗余设计是其单一故障情况下的可靠性至关重要的保证。

（3）EMC设计。

系统干扰主要来自感应雷电、感应电网分合闸、人体静电以及系统电网波动等，光伏逆变器中应该通过设计尖峰电压抑制网络、选择专用防雷器、合理选择安规电容、主回路EMC设计以及软件滤波方式来提高整机系统的抗干扰能力。

2）软件可靠性

软件的可靠性是指在规定条件和时间内，软件成功地完成规定功能的能力（概率）或不引起系统故障的能力（概率）［15］。光伏逆变器的各种功能均由软件和硬件的配合共同实现，因此要保证光伏逆变器正常工作，故障情况下正常保护，在保证硬件可靠性的同时也必须要保证软件的可靠性。软件在使用中发生失效（不可靠）不仅会导致功能失效，甚至会导致灾难性的后果。

软件的失效是在程序运行过程中软件错误被触发所致，大多都是设计原因造成的，如果不进行更新则将经久不变，时间的长短对软件错误不起作用。

要保证软件的可靠性，在软件需求分析阶段要确定软件可靠性参数与指标；在软件的设计与实现阶段要特别注意软件可靠性的分析与设计并进行软件可靠性的早期预测；在软件测试阶段要对软件的可靠性进行测试与验证，同时对其可靠性进行预计和评估。

Mysers专家曾提出在软件可靠性设计中必须遵循的两个原则：控制程序的复杂程度；与用户保持紧密联系。光伏逆变器功能繁多且安全保护要求高，要保证软件的可靠性一方面要满足客户的使用需求；另一方面要使软件中各个功能模块具有最大的独立性，使程序具有合理的层次结构，当模块或单元之间的相互作用无法避免时，务必使其联系尽量简单，以防止在模块和单元之间产生未知的边际效应。

要提高光伏逆变器的可靠性，必须要根据光伏逆变器的特点，采用相应的可靠性设计方法。另外企业也需要制订相应的质量控制的流程，贯彻可靠性设计的准则，同时严格执行产品标准对产品进行全面的测试评估。

18．3．1．4 效率评估

光伏逆变器的发电效率直接影响光伏并网发电系统整体发电量，欧美等光伏发展较早的国家分别推出欧洲效率和加州效率，即通过不同输出功率条件下逆变器的发电效率配以不同加权系数来模拟真实使用环境，综合评价光伏逆变器发电效率。我国太阳能资源条件与欧美相差较大，欧洲效率或加州效率不能适用于我国使用要求，由于我国在这方面的研究尚属空白，长期以来都是采用最大转换效率片面地评价逆变器的发电效率。

光伏逆变器的效率参数包括了MPPT效率（动态、静态）、转换效率、总效率等。所谓MPPT效率，即在一定的时间内，光伏逆变器获得的直流电能与理论上光伏方阵在该段时间内能够提供的最大电能的比值。所谓转换效率，即在规定的时间内，逆变器在交流端口输出的能量与直流端口输入的能量的比值。所谓总效率，即在规定的测量周期内，逆变器交流输出的能量与理论上光伏方阵在该段时间内提供的最大电能的比值。鉴衡认证中心通过对长期国内光伏发电的数据累积以及对CEC效率和欧洲效率的加权方式的理论数据模型的分析跟广大的国内光伏企业一起研究制订了符合我国太阳能资源条件的光伏逆变器效率评估方法《中国典型太阳能资源区光伏并网逆变器加权效率测试与评估技术条件》，其中包含了使用在我国不同光伏资源区的光伏逆变器效率评估分别对应的权重系数，静态、动态MPPT效率、转换效率的测试条件和方法，加权MPPT效率、加权转换效率以及加权总效率的计算方法，更加全面、科学地对使用在我国的光伏逆变器进行效率的评估。