聯(lián)網(wǎng)逆變器制造商所面臨的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是他們必須遵守各國(guó)幾乎均不相同的光伏設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求。例如，歐洲各國(guó)對(duì)于聯(lián)網(wǎng)接口有著各自不同的要求。德國(guó)實(shí)行是VDE0126-1標(biāo)準(zhǔn)下的"發(fā)電裝置與公共低壓電網(wǎng)之間自動(dòng)切斷裝置"規(guī)定;意大利則要求各家遵守Enel(國(guó)家電力公司)制定的DK5940號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，"電廠聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)"等。所有這些國(guó)家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)逆變器從電網(wǎng)斷開(kāi)的電壓及頻率變化有著不同的要求。除了對(duì)故障穿越等不同系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整以外，此種現(xiàn)狀還導(dǎo)致了較高的生產(chǎn)成本。
就技術(shù)層面來(lái)看，直至目前為止，常見(jiàn)的逆變器設(shè)計(jì)是以下列參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)的：溫度范圍在-25至50℃之間;估算使用期限在20年左右;轉(zhuǎn)換率通常在94%以上;具有電磁兼容性;成本較低;可靠性較高;可承載所有電網(wǎng)故障;功率因數(shù)趨近于1;同時(shí)可進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。
目前，大多數(shù)逆變器的功能是在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器處將光伏設(shè)備所產(chǎn)出的直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦交流電流波形，以保證發(fā)電器和公共電網(wǎng)之間的連接與同步性。但是，這種功能隨后發(fā)生了改變。新的標(biāo)準(zhǔn)在各種程度上對(duì)光伏逆變器提出了不同的要求：對(duì)效率、成本及穩(wěn)定性等關(guān)鍵特征的發(fā)展;與碳化硅、氮化鎵等新材料的兼容性;與微型逆變器等創(chuàng)新型技術(shù)的整合;有效的最大功率點(diǎn)跟蹤控制功能;以及遵循如"反孤島效應(yīng)"測(cè)試等各種新規(guī)范。
在對(duì)硅基MOSFET等新材料的要求方面，SiC技術(shù)在碳化物領(lǐng)域發(fā)生了顯著的改變，使得MOSFET(金氧半場(chǎng)效晶體管)的生產(chǎn)能力遠(yuǎn)超出了相類似的硅絕緣柵雙極型晶體管(insulated-gatebipolartransistor，簡(jiǎn)稱IGBT)，特別是在高壓高溫的條件下。這就為改善光伏逆變器效率提供了一個(gè)可行之路。
逆變器及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
MPPT效率，即在一定時(shí)間內(nèi)，逆變器由光伏陣列處所捕獲的能源與理想狀態(tài)下該技術(shù)所捕獲的能源量之間的比值，是逆變器內(nèi)另一個(gè)可能發(fā)生能源損失的領(lǐng)域。目前對(duì)于MPPT效率的正規(guī)測(cè)試使用的是EN50530標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)為測(cè)量聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)中逆變器的MPPT效率提供了一個(gè)流程，并規(guī)定，逆變器應(yīng)可為低壓電網(wǎng)供給穩(wěn)定的交流電壓和恒定的頻率。
圖一：安裝在西班牙境內(nèi)一座光伏電站的光伏聯(lián)網(wǎng)逆變器
此標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試過(guò)程也必須同時(shí)考慮到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件。MPPT效率與逆變器總效率的差值也將被考慮在內(nèi)，即需要將逆變器的靜態(tài)功率轉(zhuǎn)換率考慮在內(nèi)。
圖二：聯(lián)網(wǎng)光伏逆變器的電子元器件
"在檢測(cè)所制定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況均應(yīng)被考慮在內(nèi)。"
然而，很少有光伏逆變器的產(chǎn)品目錄或是使用手冊(cè)會(huì)將逆變器的MPPT效率寫在其中，甚至即使給出了相關(guān)數(shù)據(jù)，也通常只是對(duì)額定功率的一種重復(fù)而已。只有在極少數(shù)的情況下，一些有問(wèn)題的逆變器會(huì)公布這一數(shù)值，但是對(duì)于額定功率與實(shí)際檢測(cè)到的MPPT效率之間存在差值這一事實(shí)卻很少被提及。很明顯，這一領(lǐng)域需要進(jìn)行改變，不僅是要改善MPPT效率，同時(shí)要更改測(cè)試與公布的結(jié)果。
另一個(gè)已受到標(biāo)準(zhǔn)化要求的是孤島效應(yīng)，即IEC62116標(biāo)準(zhǔn)。孤島效應(yīng)，是指與和主電網(wǎng)斷開(kāi)的一部分電網(wǎng)，仍保持負(fù)載和發(fā)電的現(xiàn)象。這是電力供應(yīng)商(公共事業(yè)規(guī)模)必須要面對(duì)的情況，同時(shí)這對(duì)于在電網(wǎng)上工作的工人來(lái)說(shuō)也是極為危險(xiǎn)的，因?yàn)檫@種情況可能導(dǎo)致功率逆流的現(xiàn)象發(fā)生。
EN62116標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)將于今年晚些時(shí)候公布的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。相較于其之前2008年所制定的IEC標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有進(jìn)行太大的改動(dòng)。但是，這項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)將不再對(duì)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行要求(如電壓和頻率故障跳閘的運(yùn)行規(guī)模及運(yùn)行時(shí)間等)，也不再制定合格/失敗的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槊總€(gè)項(xiàng)目都必須要遵守各國(guó)家地區(qū)所制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或電網(wǎng)運(yùn)行守則。因此，逆變器的標(biāo)準(zhǔn)化就變成了不可能完成的任務(wù)，因?yàn)檫@種做法與真正的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)理念相違背。
另一個(gè)較為重要的問(wèn)題是關(guān)于電子整流器或轉(zhuǎn)換器[1]等非線性電力負(fù)荷裝置使用量的大幅增加。非線性負(fù)荷會(huì)通過(guò)引入諧波電流，給電網(wǎng)抗阻帶來(lái)具有不同頻譜的電壓降，使供電質(zhì)量降低，并導(dǎo)致非正弦電網(wǎng)電壓的產(chǎn)生。對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分散式輸電并可以無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)提供支持的光伏逆變器通?？筛鶕?jù)電流控制的反應(yīng)速度不同，為電網(wǎng)提供有功率正弦電流和特定的非正弦無(wú)功率電流。通過(guò)電網(wǎng)電壓的測(cè)量值和由復(fù)雜頻率決定的電網(wǎng)阻抗可算得電網(wǎng)的補(bǔ)償電流，從而有效地抑制電壓諧波。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，電網(wǎng)電壓信號(hào)需要通過(guò)一組調(diào)至不同諧波的數(shù)字濾波器進(jìn)行分析。從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)篩選結(jié)果，以及電網(wǎng)阻抗角或經(jīng)過(guò)調(diào)整后的適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǖ玫窖a(bǔ)償電流的大小。
目前，針對(duì)高滲透光伏設(shè)施的智能光伏逆變器技術(shù)的一系列新理論正在市場(chǎng)中興起，正如IEAPVPS(IEA光伏電力系統(tǒng)實(shí)施協(xié)議)第14項(xiàng)議題中所指出的那樣，這對(duì)于逆變器而言是無(wú)疑是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。
光伏逆變器在初始電源與電網(wǎng)之間起到了十分重要的媒介作用。其所應(yīng)具備的具體功能包括：電網(wǎng)監(jiān)控與保護(hù)的集成、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制，以及其他多功能特征。
逆變器在高滲透光伏領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展前景尚不明朗。新一代逆變器應(yīng)能夠在光伏發(fā)電與電網(wǎng)之間起到接口作用，在正常運(yùn)行期間提供無(wú)功功率，并可在電網(wǎng)故障時(shí)正常運(yùn)行、提供短路電流，同時(shí)具有有功及無(wú)功功率注入的可控性。
"光伏逆變器應(yīng)在原始發(fā)電與電網(wǎng)本身之間起到十分重要的媒介作用。"
此外，光伏逆變器還需能夠提供動(dòng)態(tài)電網(wǎng)支持(故障穿透等)，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的特定標(biāo)準(zhǔn)以及電網(wǎng)上的光伏故障管理，進(jìn)行相應(yīng)的性能調(diào)整。光伏逆變器應(yīng)起到中心樞紐的作用，用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)控、通信及控制等功能。同時(shí)，光伏逆變器還應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)化的通信界面和控制協(xié)議以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的聯(lián)網(wǎng)。與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的能源管理系統(tǒng)(EMS)的全面整合也將成為一項(xiàng)必要條件，并將成為優(yōu)化光伏太陽(yáng)能直接利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平價(jià)的一項(xiàng)特征。
圖三：光伏組件背面示意圖
"逆變器必須可與電網(wǎng)管理進(jìn)行全面集成，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)出指令后，在緊急情況下啟動(dòng)臨時(shí)短期電能縮減功能。"
從集成電網(wǎng)的保護(hù)方面來(lái)看，應(yīng)該明確設(shè)定相關(guān)要求，對(duì)于在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，是否保持發(fā)電裝置與其之間的連接、何時(shí)調(diào)整發(fā)電裝置以適應(yīng)故障電網(wǎng)運(yùn)行要求等問(wèn)題進(jìn)行管理。同時(shí)，系統(tǒng)控制也需集成卓越的通信控制功能。智能逆變器應(yīng)具備協(xié)調(diào)電壓控制、無(wú)功功率平衡、頻率控制的有源功率限制以及存儲(chǔ)動(dòng)力需求等因素之間關(guān)系的能力。
此外，智能逆變器還應(yīng)具備如電壓調(diào)節(jié)、諧波的過(guò)濾/補(bǔ)償和備用電源等多功能特點(diǎn)。光伏逆變器還應(yīng)該在區(qū)域電力存儲(chǔ)與電網(wǎng)之間起到接口作用。在這種情況下，光伏逆變器就必須得具備可整合至電網(wǎng)管理的能力，以按需提供能量、進(jìn)行削峰/調(diào)峰，以及提高電網(wǎng)供電安全系數(shù)及配套服務(wù)和電網(wǎng)存儲(chǔ)能力。此外，作為電網(wǎng)管理必不可少的組成部分之一，逆變器必須可與電網(wǎng)管理進(jìn)行全面集成，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)遠(yuǎn)程控制發(fā)出指令后，在緊急情況下啟動(dòng)臨時(shí)短期電能削減功能。
逆變器在光伏產(chǎn)業(yè)內(nèi)的發(fā)展與滲透將對(duì)安裝設(shè)備與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的整合提出進(jìn)一步要求。在這一問(wèn)題上，光伏逆變器將成為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與光伏發(fā)電進(jìn)一步結(jié)合過(guò)程中的關(guān)鍵因素。而為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而提出的新標(biāo)準(zhǔn)將需要逆變器在很多方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。其中一些創(chuàng)新將有助于整個(gè)產(chǎn)業(yè)在若干領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)突出，包括：提供系統(tǒng)服務(wù)、為電網(wǎng)提供支持、以大幅提高光伏發(fā)電量在電網(wǎng)中所占比例為目的的電網(wǎng)管理集成等。
微型逆變器
另一個(gè)值得關(guān)注的概念是近期市場(chǎng)所引入的微型逆變器概念，即適用于單一典型電池板的小型逆變器，而這毫無(wú)疑問(wèn)地成為光伏逆變器未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。微型逆變器這一理念最早在上個(gè)世紀(jì)七十年代被提出，隨后在九十年代生產(chǎn)出了相關(guān)產(chǎn)品。對(duì)于微型逆變器這一理念來(lái)說(shuō)，其主要的劣勢(shì)在于其成本問(wèn)題：由于每個(gè)電池板均需重復(fù)組串型逆變器的繁瑣程序，因此，其分銷成本和凈成本均十分昂貴。
微型逆變器十分適用于規(guī)模在1KWp或以下的小型光伏系統(tǒng)。在一些使用組串型逆變器的大型光伏系統(tǒng)中，每個(gè)組件的遮擋效應(yīng)和由此造成的整個(gè)系統(tǒng)能效低的情況可通過(guò)為這些組件加裝并運(yùn)行單獨(dú)的組件逆變器而得到改善。
但是，"真正的"微型逆變器并不是指其型號(hào)較小，或者其額定功率較低，而是指逆變器能夠控制單個(gè)電池板，并具備在電池板及其周圍進(jìn)行安裝的安裝方式。小型組串型逆變器和大型逆變器均可同時(shí)控制多塊電池板，并可在遠(yuǎn)離電池板的地方進(jìn)行安裝，通常是安裝在室內(nèi)。
微型逆變器可在電池板背面直接生成與電網(wǎng)相匹配的電能。陣列中的電池板通常是以平行方式連接起來(lái)，然后接入電網(wǎng)。這種方式的一個(gè)主要好處就是單獨(dú)一個(gè)電池板或逆變器的故障并不會(huì)波及到整個(gè)組串，并使其發(fā)生離線狀況。憑借較低的功耗和熱負(fù)荷，以及優(yōu)化后的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)，使用了微型逆變器的系統(tǒng)的總體陣列可靠性相較于使用了組串型逆變器的系統(tǒng)有著較大幅度的提高。
越來(lái)越多的微型逆變器品牌活躍于市場(chǎng)之中，其中一些產(chǎn)品的名稱也逐漸為人所熟知，如Accurate太陽(yáng)能、DirectGrid、Enecsys、EnPhaseEnergy、GreenRay太陽(yáng)能、Larankelo、OKE、Petra太陽(yáng)能和SolarBridge等。此外，整個(gè)產(chǎn)業(yè)還將在不久的將來(lái)引入一項(xiàng)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即IEC62109-4標(biāo)準(zhǔn)：光伏電源系統(tǒng)內(nèi)功率轉(zhuǎn)換器的使用安全標(biāo)準(zhǔn)(第四部分)--集成電子器件在光伏組件上使用的特殊要求。
結(jié)論
綜上所述，將一些相關(guān)指導(dǎo)方針涵蓋在修訂后的標(biāo)準(zhǔn)中是十分重要的一件事。這些標(biāo)準(zhǔn)包括：對(duì)啟動(dòng)/關(guān)閉引起的能耗損失的估算;功率因數(shù);在非正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的性能;直流電流的注入;實(shí)際使用時(shí)MPPT的性能;總體性能測(cè)量(能源等級(jí));有功功率控制;無(wú)功功率控制;對(duì)諧波及其過(guò)濾的限制，以及低壓穿透(LVRT)能力等。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的制定也應(yīng)充分考慮到關(guān)于電磁兼容性(EMC)的問(wèn)題。目前，業(yè)內(nèi)普遍希望，未來(lái)任何國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)的制定都能充分融合上述問(wèn)題，以賦予其應(yīng)有的價(jià)值。
