太阳能逆变器

太阳能逆变器或PV逆变器是一种电转换器，其将光伏（PV）太阳能电池板的可变直流（DC）输出转换为可以馈送到商用电网中的公用频率交流电（AC）或由当地的离网电网使用。 它是光伏系统中系统（BOS）组件的关键平衡，允许使用普通的交流供电设备。 太阳能逆变器具有适用于光伏阵列的特殊功能，包括最大功率点跟踪和防孤岛保护。

分类
太阳能逆变器可分为三大类：

独立逆变器，用于隔离系统，逆变器从光伏阵列充电的电池获取直流能量。 许多独立式逆变器还包含集成电池充电器，以便在可用时从AC电源补充电池。 通常，这些不与公用电网以任何方式接口，因此不需要具有防孤岛保护。
并网逆变器，与公用事业供应的正弦波相匹配。 出于安全原因，并网逆变器设计为在失去公用电源时自动关闭。 在公用事业停电期间，它们不提供备用电源。
备用电池逆变器是专用逆变器，设计用于从电池获取能量，通过车载充电器管理电池充电，并将多余的能量输出到公用电网。 这些逆变器能够在公用设施停电期间向所选负载提供AC能量，并且需要具有防孤岛保护。

设备类型
模块化逆变器（微型逆变器）
每个太阳能模块都有自己的单相逆变器，可以集成在接线盒中。
这是一个DC-DC转换器，其目的是设置电压，使连接的模块以其最大功率点（MPP）运行。
这在光伏系统中是有用的，该光伏系统由不同取向或不同阴影的子场组成，例如涂有太阳能模块汽车或飞机。

串式逆变器（英文串逆变器）
大多数单相逆变器将一股或几股太阳能模块的能量馈送到电网中。

多串逆变器
单相或三相逆变器，配备多个MPP跟踪器，用于多个串（甚至不同）的太阳能电池板。

中央逆变器
大型电气系统，通常采用控制柜的形式，也可作为集装箱设计的站点，通常用于峰值功率超过100 kW。 模块化设计简化了必要的维修。

混合逆变器
逆变器与内部或外部蓄电池的组合。 这导致不间断电源的可能性，以及馈电模式中自耗的优化。

电路和效率
基本上，您可以区分两种类型的太阳能逆变器：

带变压器的设备
在这里，变压器接管直流和交流侧之间的电流隔离。 由于电流隔离，PV发电机可以在一个极上接地 – 系统中没有交流电位。 在某些国家/地区也是强制性的。

无变压器设备
这里，输入侧和输出侧彼此电连接。 在该电路设计中，不使用变压器，因此这些设备通常具有更高的效率。 然而，缺乏电隔离需要不同的电气安全概念。 部分地，太阳能模块与地面的交流电压可能导致损耗，并且薄膜模块会降级。 为了进一步提高效率并避免泄漏电流，已经开发出电路技术名称H5或Heric拓扑。
在太阳能逆变器的DC输入端通常是输入转换器。 该转换器通常是具有非常高效率的上变频器。 输出电路在宽负载范围内也必须具有高效率。

为了优化变压器的逆变器，逆变器通常接管输入变压器的功能，从而消除了中间电路。 这称为直接馈电或直接转换器。 由于仅需要一个转换器，因此效率提高。 然而，这种装置具有较小的范围和最佳效率，因此特别是在具有部分遮蔽的系统中相对快速地相对化。

太阳能逆变器的效率可与欧元效率相媲美，后者评估特别是部分负荷情况。

在太阳能行业中，术语kWp已经被用来表示峰值功率而不是kW。 但是，这不符合国际单位制的规则，根据该规则，单位名称不予补充。 另请参阅：单位字符的拼写。

最大功率点跟踪
太阳能逆变器使用最大功率点跟踪（MPPT）来从光伏阵列获得最大可能功率。 太阳能电池在太阳辐射，温度和总电阻之间具有复杂的关系，产生称为IV曲线的非线性输出效率。 MPPT系统的目的是对电池的输出进行采样并确定电阻（负载）以获得任何给定环境条件下的最大功率。

填充因子，通常由其缩写FF表示，是与面板的开路电压（Voc）和短路电流（Isc）一起确定来自太阳能电池的最大功率的参数。 填充因子定义为太阳能电池的最大功率与Voc和Isc的乘积之比。

MPPT算法有三种主要类型：扰动和观察，增量电导和恒定电压。 前两种方法通常被称为爬山方法; 它们依赖于电压曲线来对抗上升到最大功率点左侧的电压，然后下降到右侧。

操作
在一些欧洲国家，在网络侧需要所谓的网络监控设备，其具有相关的交换设备（ENS），其在不希望的孤岛情况下关闭逆变器。 对于安装功率超过30 kW的系统，可以省去ENS。 通过全极点关闭，可以进行足够的频率和电压监控，以便在关闭或发生故障时与网络安全隔离。

它经常被宣传为具有高效率的逆变器。 在部分负荷范围内，它略低，因此被平均，然后称为“欧洲效率”。 然而，逆变器的效率并不仅仅取决于光伏系统的整体效率。

自2009年1月起，装机容量超过100 kW的德国光伏系统必须可以选择通过电网运营商在注入的有功功率（第6.1节EEG）中进行减少。 此外，有可能提供一定量的无功功率。 实际上，这些规范是通过纹波控制接收器动态实现的，纹波控制接收器可以发出四级有功功率降低的信号，或指定偏离1有效因子，例如cosφ= 0.95（电感）。 通过提供感应无功功率，可以避免电容性过电压。

从2011年7月开始，低压电网中的小型系统必须提供类似的控制功能。 针对具体国家的进一步法规导致供应瓶颈和更高的生产成本。 诸如净计量之类的反概念采用更直接的方法并将问题转移到网络运营商。

在较大系统（尤其是符合中压指令）的情况下，动态网络稳定需要进一步的措施，例如低电压穿越的能力。 这些措施旨在避免许多系统因短期本地欠压而意外和同时关闭，因为它们出现在三相系统中的短路或其他错误的情况下。

单相系统只能输入德国的电网，最大功率为5 kW（4.6 kW连续功率）。 这种限制是网络稳定性并避免不平衡负载。 除了能量转换的基本功能外，太阳能逆变器还具有广泛的数据采集功能，在某些情况下还具有远程维护选项。

主电源频率
电网中的电能在短期内不能大量存储。 因此，始终需要在生产和消费之间建立能量平衡。 确保这是电源频率作为交流电压供电电网中的控制变量。 在欧洲，这被定义为50.0 Hz。 偏离标称值表示能量过剩（电源频率增加）或能量短缺（电源频率降低）。 为了避免电网供电过剩，逆变器必须不断监测电网频率，并在超过国家特定限值时（德国50.2 Hz）与电网断开连接。 由于同时产生的电能的主要部分来自德国的光伏系统，所有系统的硬关闭将触发与该极限值相反的效果，进而导致网络不稳定。 因此，对于10kW以上的装置，该限制随后增加到随机值。 较新的工厂必须具有50.2和51.5 Hz之间的功率梯度，这会根据当前电网频率降低或增加馈入功率，从而积极地促进电网稳定。

岛屿运作
在用于隔离操作的系统中，特殊岛式逆变器使传统消费者能够使用230 V AC。 决定性因素是提供的最大功率。 为此，各个逆变器可以并联连接，但是取决于网络的大小，但需要额外的控制装置以与其他发电机和能量存储器协调。 小型系统有时提供集成电池系统，但没有网络同步，因为缺少其他发电机的默认值。

太阳能微型逆变器
太阳能微型逆变器是一种设计用于单个PV模块的逆变器。 微逆变器将每个面板的直流输出转换为交流电。 其设计允许以模块化方式并行连接多个独立单元。

微逆变器的优势包括单面板功率优化，每个面板的独立操作，即插即用安装，改进的安装和防火安全性，最小化系统设计和库存最小化的成本。

2011年在阿巴拉契亚州立大学进行的一项研究表明，与使用一个逆变器的串联设置相比，单个集成逆变器设置在无阴影条件下产生的功率增加约20％，在阴影条件下功率增加27％。 两种设置都使用相同的太阳能电池板

并网太阳能逆变器
如果公用电网发生故障，太阳能并网逆变器可以快速断开并网。 这是一项NEC要求，可确保在停电时，并网逆变器将关闭以防止其产生的能量损害任何被派去修理电网的线路工人。

目前市场上可用的并网逆变器使用许多不同的技术。 逆变器可以使用较新的高频变压器，传统的低频变压器或无变压器。 高频变压器不是直接将直流电转换为120或240伏交流电，而是采用计算机化的多步骤过程，包括将电源转换为高频交流电，然后转换回直流电，再转换为最终的交流输出电压。

从历史上看，人们一直担心无变压器电气系统会进入公用电网。 这种担忧源于直流和交流电路之间缺乏电流隔离这一事实，这可能导致危险的直流故障通过交流侧。 自2005年以来，NFPA的NEC允许无变压器（或非电流）逆变器。 VDE 0126-1-1和IEC 6210也已经过修改，以允许和定义此类系统所需的安全机制。 主要是，残余或接地电流检测用于检测可能的故障状况。 还进行隔离测试以确保DC到AC的分离。

许多太阳能逆变器被设计为连接到公用电网，并且当它们没有检测到电网的存在时将不会操作。 它们包含精确匹配电网电压，频率和相位的特殊电路。

太阳能泵浦逆变器
先进的太阳能泵浦逆变器将来自太阳能电池阵列的直流电压转换为交流电压，直接驱动潜水泵，无需电池或其他储能设备。 通过利用MPPT（最大功率点跟踪），太阳能泵浦逆变器调节输出频率以控制泵的速度，以便节省泵电动机的损坏。

太阳能泵浦逆变器通常具有多个端口以允许输入由PV阵列产生的DC电流，一个端口允许输出AC电压，并且另一个端口用于来自水位传感器的输入。

市场
截至2014年，最先进的太阳能转换器的转换效率达到98％以上。 虽然串式逆变器用于住宅到中型商用光伏系统，但中央逆变器覆盖了大型商业和公用事业规模的市场。 中央和串式逆变器的市场份额分别约为50％和48％，微型逆变器的市场份额不到2％。

2014年逆变器/转换器市场