由于能源需求不斷增長(zhǎng)，有報(bào)告稱(chēng)中國(guó)到2010年將成為頭號(hào)二氧化碳排放國(guó)；而化石能源的稀缺，使可再生能源成為全球性話題。因此發(fā)展太陽(yáng)能光伏技術(shù)成為中國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略中的關(guān)鍵?！峨娮庸こ虒?zhuān)輯》市場(chǎng)分析報(bào)告指出，2008年中國(guó)大陸光伏電池產(chǎn)量已居全球第一，擁有諸如尚德、晶澳、中電光伏和天合等一批光伏電池精英生產(chǎn)商。而金融危機(jī)同時(shí)也給了中國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)一個(gè)整合與升級(jí)的良機(jī)。

　　當(dāng)前，太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)(包括光伏模塊和逆變器)正以每年約30%的年累積速度增長(zhǎng)。太陽(yáng)能逆變器的作用是將隨太陽(yáng)能輻射及光照變化的DC電壓轉(zhuǎn)換成為電網(wǎng)兼容的AC輸出；而對(duì)于廣大電子工程師而言，太陽(yáng)能逆變器是一個(gè)值得高度關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。因此下文將介紹太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)所需注意的技術(shù)要點(diǎn)、挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方法。

　　基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　基于太陽(yáng)能逆變器的專(zhuān)用性以及保持設(shè)計(jì)的高效率，它需要持續(xù)監(jiān)視太陽(yáng)能電池板陣列的電壓和電流，從而了解太陽(yáng)能電池板陣列的瞬時(shí)輸出功率。它還需要一個(gè)電流控制的反饋環(huán)，用于確保太陽(yáng)能電池板陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)，以應(yīng)付多變的高輸入。目前，太陽(yáng)能逆變器已有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的是用于單相的半橋、全橋和Heric(Sunways專(zhuān)利)逆變器，以及用于三相的六脈沖橋和中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器；圖1所示是這些逆變器的拓?fù)鋱D(Microsemi圖源)。同時(shí)，設(shè)計(jì)還需遵從安全規(guī)范，并在電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候可以快速斷開(kāi)與電網(wǎng)的連接。因此，太陽(yáng)能逆變器的基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括額定電壓、容量、效率、電池能效、輸出AC電源質(zhì)量、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）效能、通信特性和安全性。

圖1a：半橋逆變。圖1b：全橋逆變器

圖1c：Heric逆變器

圖1d：三相橋逆變器。圖1e：NPC三級(jí)逆變器

　　額定電壓：太陽(yáng)能逆變器的主要功能是把來(lái)自光伏面板（有時(shí)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的DC電壓）的可變DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓以驅(qū)動(dòng)負(fù)載或給電網(wǎng)供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V；而對(duì)工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，480V也很常見(jiàn)。對(duì)選定的逆變器拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，輸出AC電壓的范圍將決定DC母線電壓以及每個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的額定電壓。

　　容量：它是太陽(yáng)能逆變器額定功率的另一個(gè)說(shuō)法。該數(shù)值在200W（面板集成模塊）到數(shù)百千瓦之間。容量越大，逆變器的體積越大、價(jià)格越高。太陽(yáng)能逆變器的成本以美元/瓦來(lái)衡量。就一個(gè)恰到好處的設(shè)計(jì)而言，確定容量時(shí)，必須把浪涌、過(guò)載以及連續(xù)工作模式等情況考慮在內(nèi)。

　　效率：每個(gè)太陽(yáng)能逆變器都有其對(duì)效率（輸出功率/輸入功率）的要求，例如，一個(gè)數(shù)千瓦系統(tǒng)的典型效率可達(dá)95%?；谔?yáng)能陣列的能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)低（約在15%左右）的事實(shí)，所以，就以最小的太陽(yáng)能面板獲得最多的輸出功率來(lái)說(shuō)，高效逆變器具有非常重要的意義。

　　電池能力：在逆變器的DC側(cè)加裝電池組起著能量緩存器的作用，它能平抑DC電壓可能的波動(dòng)并把負(fù)載還未使用的能量存儲(chǔ)起來(lái)。電池能力的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)天黑時(shí)仍可持續(xù)提供能量。任何加裝了電池的太陽(yáng)能逆變器都需要電池控制器，雖然在連接電網(wǎng)的情況一般用不到。

　　輸出功率質(zhì)量：源于逆變器內(nèi)在的開(kāi)關(guān)模式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，且通常還包含由脈寬調(diào)制（PWM）引入的寬范圍高頻諧波。對(duì)許多電子負(fù)載來(lái)說(shuō)，這些諧波有害無(wú)益；當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，這些諧波成為污染源。盡管有這些諧波，太陽(yáng)能逆變器依然能夠?qū)ω?fù)載較差的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，并弱化諸如電壓驟降和波動(dòng)等電源質(zhì)量問(wèn)題。一款設(shè)計(jì)精良的太陽(yáng)能逆變器應(yīng)輸出近似正弦波并減少引入到電網(wǎng)內(nèi)不期望的低頻成分。

　　MPPT效能：太陽(yáng)能面板的輸出將遵循電流-電壓曲線圖中不同光照條件下的一系列特性曲線，因此，為獲得最大功率輸出，需對(duì)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最大功率點(diǎn)跟蹤手法類(lèi)似獲取內(nèi)燃機(jī)最佳效率曲線的作法，其中，扭矩和速度對(duì)應(yīng)電流和電壓。過(guò)去10年間，開(kāi)發(fā)出若干算法，其中最流行的是通過(guò)擾動(dòng)電壓和觀察輸出的方法。

　　通信特性：對(duì)一個(gè)數(shù)千瓦的太陽(yáng)能逆變器來(lái)說(shuō)，構(gòu)建一個(gè)用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的通信連接很有必要。歸功于當(dāng)今這樣一個(gè)數(shù)字時(shí)代，作為一種通用控制器的微處理器(MCU)很適合該功能。

　　安全性：有兩個(gè)含義：1.當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，需仔細(xì)觀察波形并在掉電時(shí)，立即切斷連接；反孤島保護(hù)對(duì)此很關(guān)鍵。2.維護(hù)和維修時(shí)，工作人員應(yīng)沒(méi)安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　并網(wǎng)逆變器需要在不降低功率等級(jí)的前提下，緊密匹配電網(wǎng)的相位和頻率。在并網(wǎng)時(shí)，逆變器能夠把負(fù)載用不了的電能回送至電網(wǎng)且無(wú)須借助體積龐大、成本高昂的能量存儲(chǔ)器件。基于安全考慮，并網(wǎng)的逆變器將在掉電時(shí)自動(dòng)切斷且一般沒(méi)有用于存儲(chǔ)能量的電池組。