如何提升效率-光伏逆变器中的黑科技

 光伏逆变器是光伏系统非常重要的一个设备，主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成交流电，除此之外，逆变器还承担检测组件、电网、电缆运行状态，和外界通信交流，系统安全管家等重要功能。在光伏行业标准NB32004-2013中，逆变器有100多个严格的技术参数，每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查，对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。一款全新的逆变器，从开发到量产，要两年多时间才能出来，除了过欠电压保护等功能外，逆变器还有很多鲜为人知的黑科技，如漏电流控制、散热设计、电磁兼容、谐波抑制，关键器件保护，效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

本文主要介绍逆变器如何提升效率

逆变器的效率直接关系到系统的发电量，因此是客户高度关注的一个重要指标。

2018年1月，工信部发布的《光伏制造行业规范条件》要求：含变压器型的光伏逆变器中国加权效率不得低于96%，不含变压器型的光伏逆变器中国加权效率不得低于98%（单相二级拓扑结构的光伏逆变器相关指标分别不低于94.5%和96.8%），微型逆变器相关指标分别不低于94.3%和95.5%。这个标准不算高，是入门级的，大部分厂家都可以达到。而效率的不断提升，是逆变器生产厂家一直追求的目标，集中式逆变器的效率，2010年平均约96%，2018年上升到99%，“单相二级拓扑结构的光伏逆变器相关指标分别不低于94.5%和96.8%”，可能是单相含变压器效率不低于94.5%，不含变压器效率不低于96%，组串式逆变器大部分是不含变压器的，单相中国效率可以达到98%。

1、逆变器转换效率的重要性

提高逆变器的转换效率有很大的重要性。比如我们提高1%的转换效率，500KW的逆变器，平均每天算4小时，逆变器每天可以多发出将近20度电，那么一年既可以多发出将近7300度电，十年即可多发出73000度电。这样就相当于一台5KW逆变器的发电量。这样客户可以节省一台5KW逆变器的电站。所以为了提高客户的最大利益，我们需要尽可能的提高逆变器的转换效率。

2、逆变器效率的影响因素

提高逆变器效率唯一的措施就是降低损耗，逆变器的主要损耗来自于IGBT、MOSFET等功率开关管，以及变压器、电感等磁性器件。损耗和元器件的电流，电压以及选用的材料采取的工艺有关系。

IGBT的损耗主要有导通损耗和开关损耗，其中导通损耗和器件内阻、经过的电流有关，开关损耗和器件的开关频率，器件承受的直流电压有关。

电感的损耗主要有铜损和铁损，铜损指电感线圈电阻所引起的损耗，当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗，由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损，铜损可以通过测量变压器短路阻抗来计算。铁损包括两个方面：一是磁滞损耗，另一是涡流损耗，铁损可以通过测量变压器空载电流来计算。

3、如何提升逆变器效率

目前有三种技术路线：一是采用空间矢量脉宽调制等控制方式，降低损耗，二是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的内阻，三是采用三电平，五电平等多电平电气拓扑以及软开关技术，降低功率器件两端的电压，降低功率器件的开关频率。

电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）

是一种全数字控制方式，具有直流电压利用率高，易于控制等的优点，被广泛应用逆变器中。直流电压利用率高，可以在相同大小的输出电压下，采用更低的直流母线电压，从而降低了功率开关器件的电压应力，器件上的开关损耗更小，逆变器的变换效率得到了一定的提升。在空间矢量合成中，有多种矢量序列组合方法，通过不同的组合和排序，可以获得减小功率器件开关次数的效果，从而能够进一步减小逆变器功率器件的开关损耗。

采用碳化硅材料的元器件

碳化硅器件的单位面积的阻抗仅为硅器件的百分之一。利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件，其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一，碳化硅技术可以有效减小二极管反向恢复电流，从而能降低功率器件上的开关损耗，主开关所需的电流容量也能相应减小。因此，将碳化硅二极管作为主开关的反并二极管，是改善逆变器效率的途径。

与传统快恢复硅反并联二极管相比，采用碳化硅反并联二极管后，二极管反向恢复电流显著减小，并可以改善1％的总变换效率。采用快速IGBT后，由于开关速度加快，并能改善2％整机变换效率。当把SiC反并二极管与快速IGBT相结合后，逆变器的效率将进一步改善。

软开关与多电平技术

软开关技术利用谐振原理，使开关器件中的电流或者电压按正弦或者准正弦规律变化，当电流自然过零时，关断器件；当电压自然过零时，开通器件。从而减少了开关损耗，同时极大地解决了感性关断，容性开通等问题。当开关管两端的电压或流过开关管的电流为零时才导通或者关断，这样开关管不会存在开关损耗。

三电平逆变器拓扑主要应用在于高压大功率场合。与传统两电平结构相比，三电平逆变器输出增加了零电平，功率器件的电压应力减半。因为这个优点，在相同的开关频率下，三电平逆变器可以比两电平结构采用更小的输出滤波电感，电感损耗、成本和体积都能有效减小；而在相同的输出谐波含量下，三电平逆变器可以比两电平结构采用更低的开关频率，器件开关损耗更小，逆变器的变换效率得到提高。

总结：

光伏行业不能一味依赖政府补贴，要实现平价上网才有可能发展。要实现这个目标，一是要降低成本，二是要提高发电量收益。当前光伏行业各个产业链，包括组件和逆变器厂家都在不遗余力地努力。为了提高收益，从系统层面看，需要优化系统设计，从设备层面看需要提高各部件的效率。光伏组件效率提升0.1%的背后是无数汗水和无数的创新，同样的道理也适用于逆变器。逆变器效率每提高0.1个百分点，背后都隐含着研发人员大量努力的工作。