微逆变器和电源优化器在电能转换迁移至光伏电池板中应用

太阳能设施正在从十几二十年前的多兆瓦级太阳能发电场向较小规模（1MW或更小）转化。其促成因素包括：太阳能发电站地区化，电力设备在家用及工业屋顶的应用日益增加，从而减少了常规电厂的需求；太阳能PPA（电力采购协议）公司的涌现，他们负责给家庭和小企业安装屋顶太阳能电池板，其交换条件是可以使用所产生的电能（参考文献1）。



小型安装设备与大规模太阳能发电场有所不同。例如，太阳能发电场的面板均面向一个方向，受到的光照基本相同。通常没有树或电线杆等障碍物—会在白天各个时间阻挡电池板的阳光，造成各个电池板的电力输出不一致。而小型太阳能设施则必须适合安装于各种屋顶，尤其是住宅，没有统一的面板方向，其发电能力也略逊一筹。

不过小型太阳能设施也具备发电场的一些特性。例如它们都需要定期清洁；所有电池板都会老化（速度有轻微差异），因而电池板输出会发生变化。小型和大型太阳能设施都使用PV（光伏）太阳能电池板，将太阳能电池合理排列，电压输出常为25-30V直流。电池板用户通常将它们串联在一起，形成一个个“串行”，电力输出常在300-350V直流。这些“串行”又可以进行并联以形成大型太阳能阵列。这些阵列将电输送到一个中央逆变器中将直流电变为交流电并使该交流电压与电网同步。大规模电池板阵列的逆变器电力输出可达到6kW以上；住宅用的中央逆变器则在2.5-3 kW之间。

但是并非所有太阳能电池板的状态都相同，在制造、障碍、污物、老化及其它因素上的差异使得电池板产生的电能不一致。每个电池板都有一个最佳功率点，这对串行及阵列的最佳功率点产生影响。如果设施从阵列中接收太多的电力，则输出功率下降。如果接收电力较少，则设施不能有效地利用阵列。

通过运算可以找到最合适的功率点，理想状态下每个电池板都有。在“扰乱观察”这一常用技术里，功率变化电路系统尝试牵引更多电流以观察电压是否下降。然后该算法进行MPPT（最大功率点追踪），在过程中搜索最大功率点，在该点上从模块中得到最大功率。在传统太阳能设施中，该过程在中央逆变器中进行。通过中央逆变器找到的很可能是区域最大值而不是阵列的绝对最大值。如果所有电池板状态都很好，则实际的最大功率点和区域最大功率点的差别可忽略不计。不过因为老化差异、乌云遮挡或存在污物等缘故，也不能指望还有良好的电池板。某个性能较差的模块决定了串行中其它模块所接收的电力。

解决这一问题的方法是给每个电池板配专用的微逆变器以寻找各自电池板的最大功率点，而不是一个逆变器去寻找所有模块的最大值。专用微逆变器直接输出至电网或交流电分配电路。欧洲太阳能公司10多年前就使用交流电池板尝试了该方法，每块板产生一个交流电压并输入电网。但是该方法不是很经济，因为每个电池板装一个逆变器—即使很小—的成本要比只用一个中央逆变器或阵列中每个串行用一个逆变器要高。

大型设备可通过定期清洁、避免或拆除遮阴障碍而将电池板之间的差异降至最低。但由于设施规模趋向于小型化，建筑结构上的局限使电池板的朝向各不相同，电线杆和树可能使某些电池板变脏或在不同角度不同时间使其处于阴影下，因此您需要对每个电池板进行优化。

安装成本

中央逆变器体积大且沉重，需要安装水泥垫板并集中连接至电网，因此增加了安装及人力成本。控制30V直流输入的200W微逆变器对于小型设施（包括用户希望的定制设备）比较有价值。此外，微逆变器模块输出电压仅为200-300V交流。而电池板阵列输出到中央逆变器的电压在美国高达600V直流，在欧洲为1000V直流—对安装人员、维护人员和应急维修人员有很大危险。

Enphase Energy公司是首批生产微逆变器的公司之一，其200W的设备价格约为200美元，即1美元/W；而3kW的串行逆变器价格为2000美元左右，即67美分/W。Enphase公司建议为其产品的低位安装和投资成本另外补偿33美分/W。

不过微逆变器的可靠性和成本一样也是个重要问题。常用逆变器构造在输出滤波器上使用了电解电容器。这种结构的可靠性不高，当太阳能设施在高温下操作时尤其如此。如果由使用一个中央逆变器改为使用10-20个微逆变器，则电解电容器会使出故障的可能性增加。大多数电池板的使用寿命是25-30年，操作员希望他们的逆变器电路的寿命也差不多。

Enphase公司网站上有针对电容器可靠性和使用寿命的几篇白皮书。其中一篇阐述了与供电公司通常使用的电解装置相比，该公司如何在电容器中更加可靠地使用电解装置（参考文献2）。根据该公司的方法，可靠性越高，则太阳能设施的实际温度下的使用寿命越长。对于常规整流器来说，电容器在85°C环境温度下操作时的使用寿命只有2000小时。而Enphase公司的逆变器使用的Nichicon电容器在105°C下的使用寿命长达4000-10000小时。

电容器寿命对温度非常敏感，遵循Arrhenius等式—每降低10℃，使用寿命增加一倍。NREL（国家可再生能源实验室）关于加州沙漠城市棕榈泉在夏季的太阳辐射数据库中，说明了当最高环境温度为46℃时，电容器的核心温度为65℃，即比额定10000小时的温度105℃低了40℃，则在此温度下的使用寿命是160000小时（参考3）。Enphase公司宣布已设计出20年使用寿命的微逆变器，而网站上担保的产品年限是15年。



（图）：Enphase公司的200W直流/交流微逆变器对每个太阳能电池板的电能进行优化，无需使用中央逆变器。尽管其依赖于电解电容器，该装置却提供15年质保。

逆变器可靠性

Enphase公司单独（与电池板分开）销售独立运行的微逆变器。这种逆变器可与众多太阳能电池板搭配使用，无需中央逆变器，效率可达95%—中央逆变器效率为98%。这些逆变器在电池板位置进行MPPT，增加了每个模块的效率。

不过根据国家半导体公司菲尼克斯设计中心市场经理Kevin Kayser的观点，电解电容器并不是造成太阳能设施机械故障的唯一器件。“和任何系统集成商交谈，他们都将告诉你最不可靠的组件是逆变器。”他说到。“[微逆变器构造] 在整个阵列中重复出现。”该公司的太阳能Magic模块是另一个板载电力管理系统的标准，该系统与中央逆变器协同工作，而非取代中央逆变器。国家半导体公司为直流/直流逆变器创造了术语“电源优化器”—对每个太阳能电池板电源进行优化，调节电流和电压以使每个电池板输出达到最大直流功率。太阳能Magic电池板设施使用串行结构，需要一个中央逆变器进行MPPT。每个电池板输出最大功率，优化了串行性能。如果某个电池板电压由于污物而下降，Solar Magic算法会调节模块电流以达到优化的功率输出。

“[Solar Magic]的直流/直流转换法相对简单，”Kayser说。“微逆变器将电池板电压由28V激增到350V并将其转化为交流电，每个模块均连接电网。由于电网的频率为60Hz，电容器必须控制该频率，电解或薄膜电容器的可靠性要求较低。[Solar Magic]的直流/直流法使用的是陶瓷电容器。”



图：国家半导体公司的Solar Magic直流/直流转换器在电池板电压下降时可通过调节电池板电流对每个太阳能电池板的电能进行优化。电池板大批串联馈送至中央逆变器执行MPPT。终端用户给每个电源优化器支付约175美元。

国家半导体公司并非该市场的唯一一家公司。SolarEdge公司推出了类似的电池板级的直流/直流电源管理方法，但是该技术需要专用的中央逆变器。该公司在电池板中嵌入板控电子器件而不进行单独销售，并针对每个电池板进行MPPT。然后SolarEdge公司将电池板串联成行，每个串行有固定电压输出，馈送至中央逆变器，然后进行直流-交流转换（已在电池板中进行了MPPT）。

对于自行开发集成电池板逆变器的设计者，STMicroelectronics公司提供SPV1020 PWM（脉宽调制）模式直流/直流升压转换器IC，可最大化PV电池板产生的电能，而与电池板温度或入射阳光量无关。转换器执行硬件算法，计算太阳能电池板内PV电池的MPPT。因为个别太阳能电池可能出现故障而中断整体电池板电力输出，因此电池板通常配有旁通二极管，将性能差的电池切换出内部PV电池板电池阵列。SPV1020位于电池板接线盒内部，用于更换旁通二极管。该芯片还集成了功率MOSFET以进行直流/直流切换和同步整流。和Solar Magic的技术类似，由于直流/直流转换时的电压较低，所以整流器可使用陶瓷电容器而不是可靠性较差的电解电容器。

生产Microinverter的公司现在非常关注从构造中争取每一点效率，这部分是因为需要尽可能将最大功率输入电力设施的客户，部分是因为要和高转换效率的中央逆变器进行竞争。该技术受益于低压切换元件的效率提高。太阳能电池板电压输出范围是25-30V，因此微逆变器中的第一个调制阶段常为40V。这些MOSFET的导通状态电阻在过去10年中得到了数量级的改进。例如，Infineon的 40V Optimos-3 系列的导通电阻 低至1.1 mΩ；而10年前大于10 mΩ。此外，低压MOSFET在大量消费者产品中的应用，例如桌面板载功率调节和笔记本电脑主板，使其价格降低。Microinverters还是用了高压FET用于最终输出电压相匹配阶段，需要600或800V的MOSFET。Infineon公司的CoolMOS技术已在市场上出现了10多年，在这段时间里将导通电阻降低至20%以下。

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