【導(dǎo)讀】太陽(yáng)能逆變器是怎樣設(shè)計(jì)的？元器件是怎樣選擇的？本文分析一款典型的太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)中的主要組件和元器件選擇，從太陽(yáng)能面板的直流輸入開(kāi)始，到直流-交流轉(zhuǎn)換過(guò)程，到輸送給電網(wǎng)的交流輸出……將太陽(yáng)能采集技術(shù)的來(lái)龍去脈弄的一清二楚！
通過(guò)本文拆解可以看到太陽(yáng)能逆變器主板的架構(gòu)設(shè)計(jì)和所用的元器件：從太陽(yáng)能面板的直流輸入開(kāi)始，經(jīng)由直流-交流轉(zhuǎn)換過(guò)程，直到輸送給電網(wǎng)的交流輸出，以及這種設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)哪些特性，以滿足各種各樣的安規(guī)和其他性能標(biāo)準(zhǔn)，以及電力廠商對(duì)進(jìn)入其電網(wǎng)上的信號(hào)的嚴(yán)格要求。
今年8月30日，西京電氣總公司的一位神秘專(zhuān)家將現(xiàn)身西安·2013電力電子與電源管理技術(shù)研討會(huì)，介紹發(fā)電設(shè)備和控制系統(tǒng)以及技術(shù)規(guī)范。趕快點(diǎn)擊報(bào)名搶占有限席位！http://www.szzhuce.cn/seminar/87/agenda
我們以一款典型的太陽(yáng)能逆變器SMA"陽(yáng)光男孩"(Sunny Boy) 為例看到其中設(shè)計(jì)中的主要組件和元器件選擇，包括從Vishay 的EMI抑制電容器到TI的TMS320F2812 DSP。該設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)隔離和保護(hù)，明智地采用了諸如Avago的HCPL-316J和 HCPL-312J這類(lèi)光隔離MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器。
光伏功率系統(tǒng)包括多個(gè)組成部分，例如，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的光伏面板，機(jī)械和電氣連接及裝配，以及太陽(yáng)能逆變器。太陽(yáng)能逆變器是將太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能傳送給電網(wǎng)的關(guān)鍵。圖1所示是一個(gè)基本的、但非常完整的光伏系統(tǒng)框圖。
圖1：完整的光伏系統(tǒng)框圖
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太陽(yáng)能光伏逆變器是什么？
逆變器的主要功能是將光伏面板或電池存儲(chǔ)的來(lái)自太陽(yáng)光的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為供電器設(shè)備使用的、特定的交流電壓和頻率，并可以回輸給電網(wǎng)。當(dāng)然，這個(gè)交流輸出因不同地區(qū)而各異，在北美是60Hz/115VAC，而在歐洲的大部分地區(qū)則是50Hz/230VAC
總部位于德國(guó)的艾思瑪太陽(yáng)能技術(shù)股份公司(SMA Solar Technology AG)開(kāi)發(fā)出“陽(yáng)光男孩”（Sunny Boy）系列太陽(yáng)能逆變器。圖2所示的逆變器主板被用于“陽(yáng)光男孩”3000TL, 4000TL 和 5000TL的無(wú)變壓器版本，分別適用于3kW、4kW 和4.6kW交流輸出電力系統(tǒng)(@230V, 50Hz)。
該逆變器主板采用多串(multi-string)技術(shù),由于帶有兩個(gè)獨(dú)立的DC轉(zhuǎn)換器，因而使得高度復(fù)雜的發(fā)生器配置變得易于實(shí)現(xiàn)。輸入部分如圖2左下象限所示。兩路DC輸入均采用Vishay 的EMI抑制電容器#339MKP作為濾波器的一部分，這個(gè)濾波器還包括繞在一個(gè)共用磁芯上的DC共模濾波器電感和一個(gè)15μF升壓轉(zhuǎn)換器平滑電容器#MKPC4AE系列，如圖2左下象限所示。
還是在直流輸入側(cè)，采用兩個(gè)繼電器用于監(jiān)測(cè)純IT AC系統(tǒng)中符合IEC 61557-8標(biāo)準(zhǔn)的絕緣電阻。見(jiàn)圖2左上象限。需要測(cè)量的是系統(tǒng)線和系統(tǒng)地之間的絕緣電阻。當(dāng)下降到可調(diào)的閾值以下時(shí)，輸出繼電器就會(huì)切換到故障狀態(tài)。借助這些繼電器，一個(gè)疊加的直流測(cè)量信號(hào)可被用于執(zhí)行測(cè)量功能。通過(guò)來(lái)自疊加的直流測(cè)量電壓及其合成電流，可以計(jì)算出被測(cè)系統(tǒng)絕緣電阻的阻值。請(qǐng)注意圖2中的霍爾效應(yīng)電流傳感器。
這個(gè)SMA逆變器主板上最令人印象深刻的特色之一就是采用了極高質(zhì)量的有源和無(wú)源元件，從而增強(qiáng)了該逆變器設(shè)計(jì)的可靠性和性能。
圖2: SMA的“陽(yáng)光男孩”系列太陽(yáng)能逆變器主板
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最大功率點(diǎn)(MPP)
在這個(gè)信號(hào)鏈上遇到的第一個(gè)直流功能是最大功率點(diǎn)(MPP)。
該逆變器致力于對(duì)影響電力輸出的環(huán)境條件進(jìn)行補(bǔ)償。例如，光伏面板的輸出電壓和電流對(duì)溫度變化和每個(gè)電池單元面積上的光強(qiáng)(參見(jiàn)“輻照度”)極為敏感。電池輸出電壓與電池溫度成反比，電池電流與輻照度成正比。這種變化以及其他關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)致最佳逆變器電壓/電流工作點(diǎn)大幅移動(dòng)。逆變器通過(guò)采用閉環(huán)控制來(lái)保持工作在最大功率點(diǎn)(此處電壓與電流之積為最大值)，從而解決了上述問(wèn)題。SMA采用OptiTrac Global Peak最大功率點(diǎn)跟蹤器。利用這個(gè)附加的功能，即使光伏電站受到部分遮蔽，這個(gè)已被驗(yàn)證的工作跟蹤器管理系統(tǒng)OptiTrac也能夠發(fā)現(xiàn)并采用最佳工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)好的輸出產(chǎn)率。TI DSP控制器是最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的大腦。
判定MPP的最常用的方法是在每個(gè)MPPT周期，用控制器干擾面板的工作電壓并觀察輸出。這種方法是在MPP附近一個(gè)大范圍內(nèi)持續(xù)振蕩，以避免由于云層遮擋或其他條件引起的功率曲線發(fā)生局部的誤導(dǎo)性變化。這種擾動(dòng)觀測(cè)法要在每個(gè)周期中均保持振蕩遠(yuǎn)離MPP，其效率就很低。增量電感法是一種替代方法，可以解決功率曲線導(dǎo)數(shù)為零的問(wèn)題，即定義為峰值的問(wèn)題，然后穩(wěn)定為分解的電壓電平。不過(guò)，盡管這種方法避免了振蕩導(dǎo)致的低效率問(wèn)題，但又會(huì)產(chǎn)生其它的低效問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)穩(wěn)定在一個(gè)局部峰值而非MPP處。將上述兩種方法進(jìn)行綜合，既可以保持增量電感法的電平，又能在更大范圍內(nèi)定期掃描，以避免選中局部峰值。這種方法效率最高，但對(duì)控制器的性能要求也非常高。
圖3顯示MPP的判定如何隨不同條件而變化。
圖3：在各種天氣、時(shí)間和面板熱量條件下的MPP。(TI提供)
電容器通常用于儲(chǔ)存那些必須被存儲(chǔ)并被逆變器提取的能量。這個(gè)電容器通常位于PV總線上，并且必須足夠大以控制總線紋波電壓。否則，該紋波可能有損MPPT的精確度。
電解電容非常適合控制紋波，因?yàn)樗鼈兙哂休^低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和較高的電容容量。沿著圖2中PCB上邊緣的是平滑電容器組。
升壓型DC-DC步進(jìn)轉(zhuǎn)換器
下一個(gè)器件是步進(jìn)DC-DC轉(zhuǎn)換器，它負(fù)責(zé)將直流輸入升壓到開(kāi)關(guān)MOSFET橋，以便逆變器能夠高效地產(chǎn)生230V, 50Hz交流正弦波傳輸給電網(wǎng)。這個(gè)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器連同H5開(kāi)關(guān)橋包含在單獨(dú)的電源模塊中，該電源模塊附在逆變器主板的背面，可以很好地散熱到底座。這個(gè)模塊在最終裝配時(shí)將被安裝在圖2主板上部的中間部分。
圖4顯示了典型的無(wú)變壓器配置系統(tǒng)中的基本的DC/AC轉(zhuǎn)換電路或逆變器。其中： ? • DC/DC轉(zhuǎn)換提升或降低輸入的PV電壓，調(diào)整其輸出以達(dá)到DC/AC轉(zhuǎn)換級(jí)中的最大效率； ? • 電容器提供進(jìn)一步的電壓緩沖； ? • H4橋中的IGBT或MOSFET利用20kHz范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生交流電壓； ? • 線圈使交流電壓平滑切換為正弦信號(hào)，用于產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流輸出。
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無(wú)變壓器逆變器技術(shù)
早在光伏市場(chǎng)發(fā)展之前，無(wú)變壓器開(kāi)關(guān)技術(shù)的理念就已存在了。設(shè)備工程師知道，一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管在完全開(kāi)啟或關(guān)閉的狀態(tài)下工作效率最高，因?yàn)檫@時(shí)沒(méi)有電流經(jīng)過(guò)它們，而且它們也不產(chǎn)生功率損耗。因此，放大一個(gè)理想方波的理論效率可達(dá)100%。信號(hào)被一個(gè)更高頻率的方波調(diào)制，其結(jié)果就是脈寬調(diào)制(PWM),這個(gè)電路被稱為D類(lèi)電路。用這種方式，就可能實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換，或DC到AC的高效切換。對(duì)于太陽(yáng)能逆變器而言，由于MOSFET和IGBT器件的成本高昂，所以這種技術(shù)在以往并不適用。不過(guò)，隨著這些器件成本不斷降低并且速度更快，相比于模擬切換到大量的銅鐵器件，該技術(shù)更具成本效益。這種技術(shù)也可用于制造電動(dòng)汽車(chē)。
在歐洲，無(wú)變壓器逆變器至今已經(jīng)應(yīng)用了幾年，SMA公司在2010年8月獲得UL認(rèn)證在美國(guó)銷(xiāo)售此類(lèi)產(chǎn)品。這個(gè)認(rèn)證適用于SMA的無(wú)變壓器逆變器Sunny Boy 8000TL-US, Sunny Boy 9000TL-US 和Sunny Boy 10000TL-US ，并保證符合針對(duì)光伏和電池供電逆變器的UL 1741標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)首次涵蓋了無(wú)變壓器逆變器的規(guī)范要求。與采用電隔離的器件相比，無(wú)變壓器逆變器要簡(jiǎn)潔得多；而且，憑借先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電路，無(wú)變壓器逆變器能提供比傳統(tǒng)逆變器更寬的工作電壓范圍。
圖4: 無(wú)變壓器DC/AC轉(zhuǎn)換電路—逆變器。(TI提供)
沒(méi)有電隔離的負(fù)面結(jié)果是可能導(dǎo)致接地故障，損壞逆變器并引發(fā)電火花。在有變壓器的情況下，如果次級(jí)電路發(fā)生短路，那么所有電流都將流經(jīng)初級(jí)電路，一旦變壓器過(guò)熱，就將被熱切斷阻止（希望如此）。在無(wú)變壓器情況下，如果沒(méi)有保護(hù)電路或保護(hù)電路失效，未能探測(cè)到接地故障或跳閘，大功率MOSFET或IGBT將立刻以一種災(zāi)難性的方式失效。幸運(yùn)的是，這類(lèi)事件的發(fā)生非常罕見(jiàn)，而且所有這種逆變器都要遵循UL 1741要求，具備接地故障保護(hù)功能。無(wú)論如何，都要保持具備這種功能，以確保在調(diào)整合路器及隔離熔斷器大小時(shí)將未探測(cè)到接地故障時(shí)的反饋電流考慮進(jìn)去。
如果能夠執(zhí)行準(zhǔn)確簡(jiǎn)單的計(jì)算，無(wú)變壓器逆變器就幾乎沒(méi)有缺點(diǎn)，而且具有眾多優(yōu)點(diǎn)。
不過(guò)，光伏逆變器還有很多其他的關(guān)鍵功能。
光伏逆變器還提供電網(wǎng)切斷功能，以防光伏系統(tǒng)給已經(jīng)切斷的設(shè)施供電；也就是說(shuō)，在電網(wǎng)切斷期間或者通過(guò)一個(gè)不可靠的連接傳輸電力時(shí)，逆變器保持在線，這會(huì)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)回輸給本地設(shè)備變壓器，在設(shè)備端產(chǎn)生數(shù)千伏電壓，并危及作業(yè)人員。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IEEE 1547和 UL 1741要求，交流線電壓或頻率不在規(guī)定限制內(nèi)時(shí)，所有的并網(wǎng)逆變器必須切斷，或者，在電網(wǎng)不再存在時(shí)完全關(guān)斷。在重新連接時(shí)，要等到逆變器探測(cè)到額定設(shè)備電壓和頻率超過(guò)5分鐘的時(shí)間，逆變器才能傳輸電力。如圖2右上象限所示，使用了4個(gè)額定值為22A、250VAC的LF-G繼電器。
但這還不是逆變器的最后職責(zé)。除了上述任務(wù)之外，逆變器在工作期間還支持手動(dòng)和自動(dòng)的輸入/輸出切斷，EMI/RFI傳導(dǎo)和輻射干擾抑制、接地故障中斷、PC兼容通信接口(“陽(yáng)光男孩”系列具有藍(lán)牙功能)，以及其他更多功能。該逆變器被安裝在一個(gè)堅(jiān)固的封箱中，以期在戶外滿功率工作25年以上！
像SMA主板這樣的典型單相光伏逆變器使用了一顆數(shù)字功率控制器、DSP，以及一對(duì)高邊/低邊柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)全橋PWM轉(zhuǎn)換器。該逆變器和許多性能優(yōu)良的逆變器應(yīng)用都采用全H橋拓?fù)洌驗(yàn)樗哂腥魏伍_(kāi)關(guān)模式拓?fù)涞淖罡吖β食休d能力。SMA采用H5技術(shù)，在輸出電容器和H橋之間的第5個(gè)功率半導(dǎo)體器件阻止了電荷的激勵(lì)振蕩損耗，并再次顯著降低了功率損耗。與經(jīng)典的逆變橋電路(H4拓?fù)? 相比，H5獲得了明顯改進(jìn)，其最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)98%。為防止光伏發(fā)電機(jī)的電力波動(dòng)，在逆變器的空運(yùn)行期間，該架構(gòu)將直流側(cè)與交流側(cè)斷開(kāi)。
與圖4中的H4橋相比，圖5所示的H5拓?fù)鋬H需多一個(gè)開(kāi)關(guān)器件。開(kāi)關(guān)器件T5、T2和T4工作在20kHz左右的高頻，T1和T3工作在電網(wǎng)頻率50 Hz。在空運(yùn)行期間，T5是開(kāi)路的，以斷開(kāi)直流和交流側(cè)。正向電流空運(yùn)行路徑通過(guò)T1、T3的反向二極管，反向電流通過(guò)T3和T1的二極管形成環(huán)路。
圖5: SMA的H5橋拓?fù)?/div>
PWM電壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作在全橋輸出端形成了離散嘈雜的50Hz電流波形。高頻噪聲成分被濾除并產(chǎn)生一個(gè)中等低幅度的50Hz正弦波。H橋采用不對(duì)稱單極性調(diào)制方法工作。不對(duì)稱H橋的高邊應(yīng)由取決于主線路極性的50Hz半波驅(qū)動(dòng)；而對(duì)應(yīng)的低邊則經(jīng)PWM調(diào)制形成正弦波。圖2所示逆變器主板的右側(cè)是帶有EMI抑制電容器的交流輸出濾波部分。包含大電感量的輸出正弦波濾波器也將被固定在主板上的這個(gè)區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)交流濾波器。
光伏逆變器設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)面臨許多設(shè)計(jì)折中，如果做出錯(cuò)誤的折中就會(huì)令設(shè)計(jì)人員焦頭爛額。例如，光伏系統(tǒng)要能可靠工作并滿額輸出至少25年，而且價(jià)格要有競(jìng)爭(zhēng)力，這就迫使設(shè)計(jì)人員做出成本/可靠性折中。光伏系統(tǒng)需要高效率的逆變器，因?yàn)楦咝实哪孀兤鳟a(chǎn)生的熱量少，并比低效率的同類(lèi)器件壽命更長(zhǎng)，同時(shí)它們能為光伏系統(tǒng)制造商和用戶節(jié)省資金。SMA在這方面已經(jīng)做了出色的工作。
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控制架構(gòu)
逆變器的“大腦”是它的控制器，通常是一顆數(shù)字功率控制器(DPC)，或本例中的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。基于DSP的控制器，例如在本設(shè)計(jì)中采用的TI TMS320F2812，提供太陽(yáng)能逆變器實(shí)時(shí)信號(hào)處理所需的高級(jí)運(yùn)算性能和可編程的靈活性。高度集成的數(shù)字信號(hào)控制器幫助逆變器制造商推出更有效率、更具成本效益的產(chǎn)品，能夠滿足未來(lái)幾年快速增長(zhǎng)的太陽(yáng)能應(yīng)用需求。
逆變器的控制處理器必須應(yīng)對(duì)大量的實(shí)時(shí)處理挑戰(zhàn)，以便有效執(zhí)行高效DC/AC轉(zhuǎn)換和電路保護(hù)所需的精確算法。盡管MPPT和電池充電控制僅需要近實(shí)時(shí)響應(yīng)，但也涉及高級(jí)處理算法。結(jié)合了高性能DSP和集成控制外圍電路的數(shù)字信號(hào)處理器，為太陽(yáng)能逆變器中的DC/AC轉(zhuǎn)換橋、MPPT和保護(hù)電路的實(shí)時(shí)控制提供絕佳的解決方案。
DSP控制器本身就支持實(shí)時(shí)控制算法中的快速數(shù)學(xué)計(jì)算。諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和脈寬調(diào)制 (PWM)等集成外設(shè)能夠直接感測(cè)輸入并控制功率IGBT或MOSFET，從而節(jié)省系統(tǒng)空間和費(fèi)用。片上閃存有助于編程和數(shù)據(jù)采集，通信端口可實(shí)現(xiàn)電表和其他逆變器等設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能逆變器中DSP控制器的高效率已經(jīng)被設(shè)計(jì)所證明，能將轉(zhuǎn)換效率損失削減了50%以上，同時(shí)顯著降低了成本。
通常，為了實(shí)現(xiàn)非阻塞(直通)代碼的最高執(zhí)行效率，控制器固件是以狀態(tài)機(jī)格式實(shí)現(xiàn)的，可以防止執(zhí)行不慎進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)。固件執(zhí)行是分級(jí)的，相比于低階的功能，一般更頻繁服務(wù)于最高優(yōu)先級(jí)的功能。在光伏逆變器中，隔離反饋回路補(bǔ)償和電源開(kāi)關(guān)調(diào)制通常是最高優(yōu)先級(jí)，接下來(lái)是關(guān)鍵的保護(hù)功能以支持安全標(biāo)準(zhǔn)，最后是效率控制或最大功率點(diǎn)(MPP)。剩余的固件任務(wù)大多與當(dāng)前工作點(diǎn)的優(yōu)化運(yùn)行、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作和支持系統(tǒng)通信相關(guān)。
集成功能保持了系統(tǒng)運(yùn)作的成本效益。TI的TMS320F2812控制器內(nèi)有一個(gè)超快速的12位ADC，能夠支持多達(dá)16個(gè)輸入通道，用于執(zhí)行電流和電壓感應(yīng)以實(shí)現(xiàn)規(guī)則的正弦波。為安全起見(jiàn)，這顆ADC還能提供殘余電流保護(hù)裝置(RCD)中的電流感測(cè)。
12個(gè)單獨(dú)控制的增強(qiáng)型PWM (EPWM)通道為換流器橋和電池充電電路中的高速切換提供可變占空比。每個(gè)EPWM都有自己的定時(shí)器和相位寄存器，可對(duì)相位延遲進(jìn)行編程，并且所有的EPWM都能被同步，以相同頻率驅(qū)動(dòng)多級(jí)電路。多個(gè)定時(shí)器給出多個(gè)頻率，并且快速中斷管理能支持額外的控制任務(wù)。多標(biāo)準(zhǔn)通信端口，包括CAN總線，可提供簡(jiǎn)單的接口給其他組件和系統(tǒng)。
隔離
圖6: 可替代能源系統(tǒng)需要在高壓功率電路以及控制器管理功率流之間設(shè)置隔離連接(紅色)。(Avago提供)
在SMA逆變器主板的正中心，我們發(fā)現(xiàn)5個(gè)Avago的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。見(jiàn)圖2。
在電網(wǎng)為50Hz頻率時(shí)，控制T1和T3切換的兩個(gè)隔離MOSFET驅(qū)動(dòng)器是Avago的HCPL-316J，帶有集成(VCE)去飽和探測(cè)和故障狀態(tài)反饋的2.5安培柵極驅(qū)動(dòng)光耦。控制T2、T4和T5在更高頻率切換的其他三個(gè)隔離MOSFET驅(qū)動(dòng)器是Avago的HCPL-312J, 2.5安培輸出電流MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)光耦。H5配置如圖5所示。
尤其在無(wú)變壓器逆變器設(shè)計(jì)中，光耦提供強(qiáng)化的隔離性能，并在出現(xiàn)故障情況時(shí)提供故障安全保護(hù)。
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為何光伏逆變器中的無(wú)功功率控制很重要？
帶有無(wú)功功率控制的“陽(yáng)光男孩”3000TL/4000TL/5000TL逆變器目前已經(jīng)面市。
無(wú)功功率通常發(fā)生在經(jīng)由交變電流傳送能量的任何時(shí)候。對(duì)于更大型和更小型的系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)能工程師和光伏系統(tǒng)操作人員而言，無(wú)功功率的重要性正在增加。最重要的現(xiàn)實(shí)是：無(wú)功功率完全沒(méi)有問(wèn)題。實(shí)際上，它還是一些問(wèn)題的解決方案。
從2010年7月1日開(kāi)始，在德國(guó)以中壓饋入電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)必須為電網(wǎng)提供無(wú)功功率。這已經(jīng)在德國(guó)聯(lián)邦能源與水利協(xié)會(huì)（BDEW）2008年版的中壓設(shè)備接入規(guī)范中提及。對(duì)于低壓電網(wǎng)，更為嚴(yán)苛的要求正在討論中。
無(wú)功功率是如何發(fā)展而來(lái)的?
對(duì)于直流電，這個(gè)方程式很簡(jiǎn)單：功率是電壓和電流之積。不過(guò)，對(duì)于交流電，事情就有些復(fù)雜了，因?yàn)殡娏骱碗妷旱膹?qiáng)度及方向都會(huì)定期變化。見(jiàn)圖7。
圖7：除了接收到的PV有功功率之外，所需的無(wú)功功率也在逆變器中產(chǎn)生。這兩者的幾何和就是視在功率；它對(duì)逆變器設(shè)計(jì)具有決定性的意義。(SMA提供)
在市電電網(wǎng)中，兩者都有一個(gè)帶50或60Hz頻率的正弦軌跡。一旦電流和電壓“同相”，例如以相同的步調(diào)移動(dòng)，這兩個(gè)振蕩因子之積就也將是一個(gè)帶正平均值的振蕩輸出---純有功功率(圖8a)。
圖8a: 當(dāng)沒(méi)有發(fā)生相移時(shí)，電流i和電壓u之積是一個(gè)振蕩的、但始終正向的輸出---純有功功率(SMA提供)
不過(guò)，一旦電流和電壓的正弦軌跡發(fā)生偏移彼此相反，它們之積將是一個(gè)正向和反向信號(hào)交變出現(xiàn)的輸出。在極端情況下，電流和電壓在一個(gè)四分之一周期發(fā)生相移：當(dāng)電壓為零時(shí)，電流總是到達(dá)其最大強(qiáng)度—反之亦然。其結(jié)果是產(chǎn)生純無(wú)功功率，正向和反向信號(hào)完全相互抵消(圖8b)。
圖8b: 在電流i和電壓u之間的90o相移處，產(chǎn)生一個(gè)帶零平均值的交變呈現(xiàn)的正向和反向輸出---純無(wú)功功率 (SMA提供)
下頁(yè)內(nèi)容：電網(wǎng)中的無(wú)功功率的影響
多芯電纜的作用類(lèi)似于電容器，高壓架空電纜可被看作是極長(zhǎng)的線圈。因此，在交流電網(wǎng)中，某種程度的相位偏移(例如無(wú)功功率)是不可避免的。相移的測(cè)量參數(shù)是偏移因子cos(φ)，其值在0和1之間。它可被用于很容易地轉(zhuǎn)換成輸出值。無(wú)功功率的單位被稱為乏(VAR)，而不是瓦(見(jiàn)公式1)
公式1：利用直角三角形的勾股定理計(jì)算無(wú)功功率。(SMA提供)
電網(wǎng)中的無(wú)功功率的影響是什么？
實(shí)際上，只有有功功率才是可用的功率。它能給機(jī)器供電、使燈泡發(fā)光或開(kāi)動(dòng)電熱器。無(wú)功功率則不同：它不能被使用，因而不能給任何電子設(shè)備供電。它只是在電網(wǎng)中簡(jiǎn)單地來(lái)回移動(dòng)，扮演額外負(fù)載的角色。此外，所有的電纜、開(kāi)關(guān)、變壓器，以及其他部分也需要考慮無(wú)功功率。
這意味著，它們需要被設(shè)計(jì)為視在功率，即有功功率和無(wú)功功率的幾何之和。能量傳導(dǎo)過(guò)程中的電阻損耗發(fā)生在視在功率的基礎(chǔ)上；因此額外的無(wú)功功率會(huì)導(dǎo)致更大的傳導(dǎo)損耗。
展望未來(lái)
光伏系統(tǒng)是發(fā)電領(lǐng)域相對(duì)比較新的技術(shù)。像其他新興技術(shù)一樣，光伏系統(tǒng)也將隨著技術(shù)不斷成熟而快速變化。因此，光伏系統(tǒng)無(wú)疑將持續(xù)變革，以滿足更高容量、更低成本和更高可靠性的市場(chǎng)需求。屆時(shí)光伏逆變器將擴(kuò)展功能，設(shè)計(jì)人員將需要更多集成的、針對(duì)特定應(yīng)用的元件級(jí)部件。正如這些所展示的，光伏系統(tǒng)將廣泛普及并最終成為一種可行的主流設(shè)施，顯著降低我們對(duì)礦物燃料的依賴。
作者簡(jiǎn)介:Steve Taranovich是一位特約編輯，在電子產(chǎn)業(yè)擁有40年工作經(jīng)驗(yàn)。Steve擁有紐約理工大學(xué)(布魯克林)電子工程碩士學(xué)位, 以及紐約大學(xué)(布朗克斯) 電子工程學(xué)士學(xué)位。他還是長(zhǎng)島IEEE教育活動(dòng)委員會(huì)主席。他在模擬和嵌入式處理教育領(lǐng)域擁有豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，有關(guān)模擬設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)自于他在德州儀器的工作經(jīng)歷。Steve在電子領(lǐng)域的第一段工作經(jīng)歷是擔(dān)任了16年的電路設(shè)計(jì)工程師。然后他進(jìn)入Burr-Brown公司任職首批現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，并成為該公司首批全球客戶經(jīng)理，飛赴歐洲、印度和中國(guó)。全球旅行經(jīng)歷使Steve建立了持久的友誼，并品嘗到一些非常獨(dú)特的異國(guó)風(fēng)味，例如短吻鱷、響尾蛇、野豬和鴕鳥(niǎo)，還有牛百葉。(如果你不是意大利人或中國(guó)人，你知道這是什么嗎！)
參考文獻(xiàn):
1 源自SMA Solar Technology網(wǎng)站: http://www.sma.de/en/products/knowledge-base/sma-shifts-the-phase.html
2 德州儀器應(yīng)用報(bào)告#SLVA446–2010年11月, “Introduction to Photovoltaic Systems Maximum Power Point Tracking”
3德州儀器應(yīng)用報(bào)告#SPRAAE3–2006年5月, “TMS320C2000™ DSP Controllers: A Perfect Fit for Solar Power Inverters”
4 安華高“Integrate Protection with Isolation In Home Renewable Energy Systems” 白皮書(shū)
5 “Analysis and Modeling of Transformerless Photovoltaic Inverter Systems”, 作者：Tamás Kerekes, 奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)學(xué)院，丹麥, 2009年8月
