光伏逆變器基本概述

一、光伏逆變器定義

光伏逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電子設(shè)備，其主要功能是將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電，并輸送到電力系統(tǒng)中。逆變器不僅負責(zé)電能的轉(zhuǎn)換，還具備最大功率點跟蹤、電網(wǎng)監(jiān)控、故障保護等多項功能。

1、具有較高的效率。由于目前太陽能電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽能電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。

2、具有較高的可靠性。目前光伏電站系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，例如輸入直流極性接反保護、交流輸出短路保護、過溫過載保護等。

3、輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍。由于太陽能電池的端電壓隨負載和日照強度變化而變化，特別是當(dāng)蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，這就要求逆變器在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作。

二、光伏逆變器分類

光伏逆變器主要可分為集中式、組串式、集散式與微型逆變器四大類。集中式逆變器 系統(tǒng)總功率大，主要應(yīng)用于光照條件較好的地面光伏電站等大型項目;分布式逆變器可分 為組串式逆變器和微型逆變器，通常應(yīng)用于中小型工商業(yè)以及戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中組 串式為主要的分布式逆變器產(chǎn)品類型。集散式逆變器兼具集中式和組串式特點，在山地領(lǐng) 跑者等項目中受到一定規(guī)模的應(yīng)用。微型逆變器是對每塊光伏組件進行單獨的最大功率峰 值跟蹤，再經(jīng)過逆變以后并入交流電網(wǎng)，微型逆變器的單體容量一般在 1kW 以下。

集中式接入光伏組串?dāng)?shù)量多，單體容量通常在 500KW 以上。集中式逆變器是市面上 較為常見的一種光伏逆變器種類，其工作原理是將多個光伏組件工作產(chǎn)生的直流電流進行 匯流和最大功率峰值跟蹤(MPPT)，而后集中逆變進行直交流電轉(zhuǎn)換與升壓，從而實現(xiàn)并 網(wǎng)發(fā)電。集中式逆變器一般采用單路 MPPT，單個 MPPT 配有 2-12 組光伏組串，每路 MPPT 功率可達到 125-1000KW，單體容量通常在 500KW 以上，具有功率高、容量大的優(yōu)勢。

集中式逆變器可減少使用數(shù)量，降低系統(tǒng)成本與損耗，便于集中管理。由于集中式逆 變器具有大容量的優(yōu)點，同等規(guī)模的光伏電站采用集中式可大量減少逆變器的使用數(shù)量， 可減少系統(tǒng)整體的電路損耗，方便進行集中的安裝與管理。同時，集中式逆變器本身集成 度較高，控制簡潔，技術(shù)相對成熟，單位造價低。兩者因素結(jié)合可大幅降低電站系統(tǒng)的設(shè)備成本。

應(yīng)用集中式逆變器可有效減少諧波，提升系統(tǒng)整體發(fā)電質(zhì)量。在對非正弦電量進行傅 立葉分解時，我們會得到大于基波頻率的部分電量，即為諧波，其頻率通常為基波頻率的 整數(shù)倍。諧波會在電網(wǎng)短路阻抗上產(chǎn)生諧波電壓降，從而影響電壓波形;容易引起系統(tǒng)局 部串并聯(lián)諧振，造成設(shè)備的損壞。集中式逆變器的使用數(shù)量較少，可減少串并聯(lián)數(shù)，有效 降低諧波含量，從而保證發(fā)電量中基波的比例，提升整體的發(fā)電質(zhì)量。

接入多組直流輸入，集中式 MPPT 電壓范圍窄，影響整體的發(fā)電表現(xiàn)。集中式逆變器 單路 MPPT 接入的光伏組串?dāng)?shù)較多，無法做到對每一組光伏組串精準(zhǔn)控制，因而不能保證 每一路組串均處于最佳工作點，從而降低了系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。集中式 MPPT 電壓范圍 一般處于 500-850V 區(qū)間內(nèi)，受制于較窄的 MPPT 電壓范圍，集中式逆變器可調(diào)節(jié)性較差。在陰雨等光照條件不理想情況下，系統(tǒng)的電壓低于逆變器 MPPT 最低電壓，無法進行正常 發(fā)電工作，影響了發(fā)電時間。同時，由于其接入多組直流輸入的特點，光伏系統(tǒng)要求各組 件之間具有良好的適配性能，一旦其中某個組件出現(xiàn)故障問題，將影響系統(tǒng)整體的發(fā)電量 與發(fā)電效率。

集中式逆變器體積大，需專用機房放置，加大了安裝難度。由于單體容量大，集中式 逆變器體積和重量都較大，需要在戶外建立專門的機房進行放置。專用機房占地面積較大， 在增加系統(tǒng)整體土地成本的同時，也加大了安裝難度。此外，由于機房的密閉性問題，逆 變器放置在機房中會導(dǎo)致機房內(nèi)部通風(fēng)不暢，從而產(chǎn)生散熱問題。

組串式逆變器采用模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)分散式 MPPT 尋優(yōu)。采用組串式光伏逆變器的 電站系統(tǒng)通常將組件所產(chǎn)生的直流電流先通過逆變器進行直交流轉(zhuǎn)換，然后再經(jīng)過匯流、 升壓變壓和交流配電后并入交流電網(wǎng)。相較于集中式逆變器，組串式逆變器采用模塊化設(shè) 計，具有多路 MPPT;每路 MPPT 接入的光伏組件輸入數(shù)量較少，通常為 1-4 組，可實現(xiàn) 分散式 MPPT 尋優(yōu)。由于接入端較少，當(dāng)單個組件出現(xiàn)故障問題時只會對該組件對應(yīng)的模 塊發(fā)電產(chǎn)生影響，保證了整體光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率不受單個組件影響，解決了集中式光伏 電站的失配問題。

組串式 MPPT 電壓范圍寬，可提升系統(tǒng)發(fā)電時間與發(fā)電量。組串式逆變器的 MPPT 電 壓范圍較寬，通常為 200V-1000V，可調(diào)節(jié)性較好。在光照不足或是天氣不利于發(fā)電的情 況下，光伏組件整體電壓會偏低，較寬的 MPPT 電壓范圍可以實現(xiàn)低輸入電壓的覆蓋，從 而保證了系統(tǒng)的發(fā)電時間，提升了整體的發(fā)電量。

多個逆變器并聯(lián)增加了電線損耗，且容易產(chǎn)生諧振問題。相較于集中式逆變器而言， 組串式逆變器單體容量較小，通常為 100KW 及以下;建設(shè)相同規(guī)模的光伏電站，選擇使 用組串式則會增加逆變器數(shù)量。多個組串式逆變器將進行并聯(lián)，電線損耗隨著逆變器使用 數(shù)量的增加而增大。同時，多個逆變器的并聯(lián)會導(dǎo)致總諧波的增加，抑制難度加大，諧振 問題較為嚴重，容易造成電氣設(shè)備的故障與燒毀。

集散式逆變器是一種新型逆變器類型，兼具集中式和組串式優(yōu)勢。集散式逆變器是一 種較新的光伏逆變器類型，具備了集中式逆變器和組串式逆變器的特點。集散式逆變器可 理解為集中逆變和分散尋優(yōu)，首先通過多個組串式逆變器分開進行最大功率峰值跟蹤 (MPPT)，然后經(jīng)過匯流后集中逆變成交流電并網(wǎng)。與集中式逆變器相比，集散式逆變器 具備了獨立性能優(yōu)異、發(fā)電量高以及整體系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)勢;與組串式逆變器相比，集散式 逆變器采用了分散尋優(yōu)后的集中匯流逆變，大大降低了系統(tǒng)的設(shè)備成本，目前在國內(nèi)主要 應(yīng)用于部分領(lǐng)跑者示范基地項目。由于集散式逆變器解決方案的發(fā)展起步較晚，項目經(jīng)驗 不夠充沛，尚未形成大規(guī)模應(yīng)用;同時由于采用集中逆變的方式，該種解決方案需要采用 專用機房對集中式逆變器進行散熱，增大了系統(tǒng)占地的使用面積。

微型逆變器可對單個組件進行 MPPT 控制，發(fā)電效率與發(fā)電量水平較高。與其余逆變 器不同的是，微型逆變器與每一塊光伏組件進行集成，可以對單個組件進行最大功率峰值 跟蹤(MPPT)控制，從而大幅提升了系統(tǒng)整體的發(fā)電效率與發(fā)電量。同時，微型逆變器具 備了體積小、質(zhì)量輕的特點，無需額外的放置用地，極大地增強了安裝的方便程度，主要 適用于戶用等中小型電站項目。同等規(guī)模的電站，采用微型逆變器將需要更多數(shù)量的設(shè)備， 系統(tǒng)整體成本明顯高于采用集中式或者是組串式逆變器方案的系統(tǒng)。

三、光伏逆變器應(yīng)用原理

光伏逆變器是電力電子技術(shù)在太陽能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，行業(yè)技術(shù)水平和電力電子器件、電路拓撲結(jié)構(gòu)、專用處理器芯片技術(shù)、磁性材料技術(shù)和控制理論技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，光伏逆變器在直流側(cè)實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，從而達到降本、增效、減耗的目的，在交流側(cè)，隨著滲透率的提升，不斷滿足電網(wǎng)越來越高的調(diào)度與支撐功能。

逆變器技術(shù)亦從最初的提質(zhì)增效朝著光儲融合技術(shù)，進而實現(xiàn)高比例可再生能源利用的方向發(fā)展。

光伏逆變器可以將光伏太陽能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電，可以反饋回商用輸電系統(tǒng)，或供離網(wǎng)的電網(wǎng)使用。除此之外，在并網(wǎng)發(fā)電過程中，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出的正弦交流電還需與電網(wǎng)電壓同頻、同相，而這一功能也需通過光伏逆變器實現(xiàn)。逆變器除了具有直流、交流轉(zhuǎn)換功能外，還具有光伏陣列的最大功率跟蹤和系統(tǒng)保護功能，其可靠性、高效性和安全性直接影響整個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量及穩(wěn)定性。光伏逆變器是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。

光伏逆變器的工作原理主要是利用了電子集成技術(shù)以及數(shù)字控制技術(shù)。當(dāng)太陽光照射到太陽能電池板上時，其中的光子與電子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生電子和空穴，其產(chǎn)生的電壓與電流的方向都是相同的。即所產(chǎn)生的電流為直流電流。

光伏逆變器的工作原理是將收集到的直流電轉(zhuǎn)換成為交流電，這個過程一般分為三步：

1、直流電匯流箱

陽能電板所產(chǎn)生的直流電首先要流入到直流電匯流箱中。直流電匯流箱是由一系列的保護元器件和斷路器組成的裝置，可對發(fā)電過程中的電路進行保護和控制。

2、直流至交流的轉(zhuǎn)換

經(jīng)過直流電匯流箱控制的直流電，進而流入到光伏逆變器中，轉(zhuǎn)化成為交流電。光伏逆變器利用功率管電子元件，采用PWM技術(shù)或SPWM技術(shù)在微處理器的控制下，將直流電進行整流濾波處理，經(jīng)過中間直流母線的轉(zhuǎn)換，成為高質(zhì)量的交流電。

3、交流電進入電網(wǎng)

在將直流電轉(zhuǎn)換成為交流電之后，光伏逆變器將所產(chǎn)生的交流電送入電網(wǎng)供使用。同時，在這個過程中，光伏逆變器還需要對其輸出的電壓、電流進行調(diào)整，以確保其輸出質(zhì)量的穩(wěn)定。

全球光伏逆變器行業(yè)發(fā)展分析

一、行業(yè)需求狀況

隨著光伏市場需求穩(wěn)步增長，以及歐美和新興市場光伏產(chǎn)業(yè)迎來快速發(fā)展，全球光伏逆變器行業(yè)規(guī)模持續(xù)增長，預(yù)計2024年全球光伏逆變器行業(yè)市場規(guī)模達到136.8億美元，同比增長4.51%。

伴隨著全球可再生能源的大力發(fā)展，疊加“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略背景，全球光伏產(chǎn)業(yè)化水平和規(guī)模不斷提高，預(yù)計2024年全球光伏逆變器出貨量為604GW，同比增長12.69%。

三、行業(yè)格局狀況

光伏逆變器屬于充分競爭的市場，市場競爭格局相對穩(wěn)定。海外新興市場快速發(fā)展，中國逆變器廠商加速出海，參與全球化競爭。華為、陽光電源憑借領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢和豐富的產(chǎn)品系列，連續(xù)多年出貨量位居前列，市場占有率較高，且呈上升趨勢，因此陽光電源、華為等國內(nèi)企業(yè)市場份額提升，海外企業(yè)市場份額下滑，國內(nèi)逆變器企業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)與海外企業(yè)相當(dāng)，但成本更低，競爭優(yōu)勢明顯。

2023年華為和陽光電源持續(xù)領(lǐng)跑全球市場，分別蟬聯(lián)排名第一、第二，這兩家公司的光伏逆變器出貨量超過全球半數(shù)，主要推力來自于集中式光伏逆變器銷量。美國光伏逆變器市場由陽光電源和西班牙逆變器制造商Power Electronics領(lǐng)跑，歐洲市場則由華為、陽光電源和德國逆變器制造商SMA為主導(dǎo)。

四、行業(yè)專利情況

全球范圍內(nèi)，光伏逆變器領(lǐng)域的專利申請數(shù)量持續(xù)增長，反映出該行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新活動日益活躍。從專利申請的地域分布來看，中國、日本、韓國和美國是主要的專利申請來源國。中國申請人在光伏逆變器領(lǐng)域的專利申請數(shù)量占據(jù)領(lǐng)先地位，顯示出中國在光伏逆變器技術(shù)研發(fā)方面的強大實力。

中國光伏逆變器領(lǐng)域的專利申請量快速增長，成為全球?qū)＠暾埖闹饕獊碓粗?。中國申請人在光伏逆變器領(lǐng)域的有效發(fā)明專利數(shù)量也位居前列，表明中國在光伏逆變器技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用方面取得了顯著成果。在中國，陽光電源、華為、國家電網(wǎng)等企業(yè)是光伏逆變器領(lǐng)域的主要專利申請人，這些企業(yè)在技術(shù)研發(fā)和專利申請方面具有較強的實力。

五、行業(yè)發(fā)展前景

隨著全球能源轉(zhuǎn)型的加速推進，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重將不斷提升。光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其市場需求將隨著光伏發(fā)電裝機規(guī)模的擴大而持續(xù)增長。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展將進一步推動光伏逆變器的市場需求。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具有安裝靈活、占地面積小、靠近負荷中心等優(yōu)點，是未來光伏發(fā)電的重要發(fā)展方向之一。

隨著電力電子技術(shù)、微電腦技術(shù)、軟件算法等技術(shù)的不斷進步，光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率將不斷提高，成本將進一步降低。高效轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用將提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，降低運維成本。

智能化管理系統(tǒng)的應(yīng)用將提高光伏逆變器的可靠性和穩(wěn)定性，降低運維難度和成本。未來，光伏逆變器將更加注重智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化等方向的發(fā)展。