太阳能逆变器设计的最新趋势

 

关键字：太阳能

 逆变器设计 

由于能源成本日益攀升，太阳能发电正逐渐成为一项可行的替代能源。德国政府通过立法，
推 出 各 种 激 励 手 段 积 极 鼓 励 可 再 生 能 源 的 使 用

( 如 《 再 生 能 源 法 》

“Energieeinspeisungsgesetz”)，受此驱使，至 2007 年，该国一直是全球最大的太阳能市场。
而现在，其它国家已超过德国，例

 如西班牙在 2008 年的新建太阳能发电厂数量居全球之

冠，而意大利、法国和美国的已安装太阳能发电容量预计将呈大幅增长。多种激励措施推动
需求走高，继而

 刺激产能增长。但由于最近全球经济危机的爆发和 2008 年西班牙对太阳能

市场的激励措施突然撤销，致使太阳能芯片供大于求，导致价格下跌

40%-50%。 这使得光

伏技术更接近所谓的

“平价电价”(grid parity)目标，亦即太阳能发电成本与目前电能市价相

当。预计在

2015 年，德国将可实现均一电价。

太阳能模块产生一个直流电压，太阳能逆变器再把这一直流电能转换为交流电能，然后接
入电网。本文将探讨太阳能逆变器设计的最新趋势。
其中一个重要趋势是采用更高的功率。现在，峰值发电量超过

100kW 的太阳能发电厂越来

越普遍，而较小规模的发电系统也存在这种趋势：平均功率从

5kWp 提高到 10kWp。

升压＋

H-桥拓扑是太阳能逆变器极为常用的拓扑之一，是一种两级非隔离拓扑。其第一级

是升压级，用于把模块的可变输出电压

(例如 100V 

– 500V)升高到更大的中间电压，后者必

须大于实际峰值主线电压

(如 230V x sqrt(2)，或>325V)。该升压级还有一个重要作用，就是

为了实现效率最大化，太阳能模块必须运作产生尽可能大的功率，而太阳能模块的功率

 曲

线可通过输出电流乘以输出电压数值获得。功率特性中有一个最大点，被称为

“最大功率点”

或

MPP，而这精确位置会随着模块的类型、温度和日照阴影等因素 而变化。

利用名为

“最大功率点跟踪”或 MPPT 的软件技术，辅以定制化算法，逆变器的输入级便可

跟踪这个最大功率点。
逆变器的第二级把恒定的中间电压转换为

50Hz 的交流电压，再馈入供电主线。这个输出与

供电主线的相位及频率同步。这一级由于与供电主线连接，故即便在故

 障状态下也必须达

到一定的安全标准。除此之外，还有一个与低压指令

 (Low Voltage Directive) 相关的 VDE 

0126-1-1 新草案，该提案要求太阳能逆变器在电能质量下降的情况下也应有源支持主供电
网，以尽量降低更具普遍性的停电风险。在现有法规限制之下，是

 可以设计一个在停电时

能够实时关断逆变器，以实现自我保护。不过，当太阳能逆变器变得普及，并在总发电量中
占有可观的份额时，如果一遇上停电便直接关断连

 接的太阳能逆变器的话，是可能造成更

大规模的主电网停电的，因为这样逆变器便会一个接一个关断，并迅速减少电网中的电能。
因此，新的指令草案旨在提高主干

 配电网的稳定性和电能质量，而代价仅仅是使逆变器的

输出级稍微复杂一点。
太阳能逆变器必须可靠，以尽量减小维护和停机检修的成本。这些逆变器还必须具有高效，
以尽量增大发电量。太阳能逆变器设计人员还需付出相当的努力，以尽可

 能地提高效率。

有很多方法能够提高升压逆变器的效率。由于升压逆变器可在连续传导模式或边界传导模式
(CCM 或 BCM)下工作，这就衍生出不同的优化方案。在 CCM 模式中，损耗的一大主因是
升压二极管的反向恢复电流；在这种情况下，一般使用碳化硅二极管或飞兆半导

 体的

Stealth 二极管来解决。太阳能逆变器更常采用的是 BCM 模式，而尽管对这类功率级通常建
议选择

CCM 模式，但采用 BCM 模式的原因在于 BCM 模式中二极管的正向电 压要低得多。