光伏并网逆变器的现状及发展

    摘要：并网逆变器是太阳能光伏系统中的关键部件。其性能，效率直接影响整个太阳能光伏系统的效率和性能。本文从逆变器的发展历程着手介绍了逆变器的分类，产业链，市场现状及发展前景，以对逆变器的发展有比较清晰的识。
关键词：并网逆变器，单级式，两级式，微逆变器
1引言
   地球表面每年接受太阳辐射能量高达5.4*1024J，若能将其中的十万分之一转化为电能，就可以满足目前全世界的能耗需求，因此，太阳能发电对缓解日益严重的环境和能源危机具有特别重要的意义，太阳能发电主要指光伏发电。据统计资料显示，目前光伏发电系统中，接近99%的安装容量为并网应用，这是因为并网应用相对独立光伏系统有成本低和免维护等优势，并网式光伏发电系统式当今发展方向，全世界并网式光伏系统年增长率约为25~30%。
    并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的电能转换成交流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用，现代逆变技术为光伏并网发电的发展提供了强有力的技术和理论支持。并网逆变器正朝着高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。并网逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。
2 逆变器技术发展历程
    逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合，从开始发展至今经历了五个阶段。第一阶段：20世纪50-60年代，晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件；第二阶段：20世纪70年代，可关断晶闸管GTO及双极型晶体管BJT的问世，使得逆变技术得到发展和应用；
    第三阶段：20世纪80年代，功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。
    第四阶段：20世纪90年代，微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展；
    第五阶段：21世纪初，逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。
3 光伏并网逆变器的分类
    光伏并网发电系统原理图如图1所示，其中图1(a)为两级式光伏并网发电系统，图1(b)为单级式光伏并网发电系统。两级式光伏并网发电系统中，并网逆变器只需进行逆变控制，光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）由前级DC/DC变换器完成，并网逆变器通过控制DC/DC变换器的输出电压实现系统功率平衡，并网逆变器控制的任务是保证输出电流与电网电压频率、相位完全一致；单级式光伏并网发电系统中，并网逆变器要同时完成MPPT和并网电流控制的任务，即保证光伏阵列输出功率最大化的前提下控制并网电流与电网电压同频同相。
 
(a)
 
(b)
图1 光伏并网发电系统原理图
    光伏并网逆变器可以按照拓扑结构、隔离方式、输出相数、功率等级、功率流向等进行分类。按照拓扑结构分类，目前采用的拓扑结构包括：全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、推挽逆变拓扑、正激逆变拓扑、反激逆变拓扑等，其中高压大功率光伏并网逆变器可采用多电平逆变拓扑，中等功率光伏并网逆变器多采用全桥、半桥逆变拓扑，小功率光伏并网逆变器采用正激、反激逆变拓扑。
     按照隔离方式分类包括包括隔离式和非隔离式两类，其中隔离式并网逆变器又分为工频变压器隔离方式和高频变压器隔离方式，光伏并网逆变器发展之初多采用工频变压器隔离的方式，但由于其体积、重量、成本方面的明显缺陷，近年来高频变压器隔离方式的并网逆变器发展较快，非隔离式并网逆变器以其高效率、控制简单等优势也逐渐获得认可，目前已经在欧洲开始推广应用，但需要解决可靠性、共模电流等关键问题。
    按照输出相数可以分为单相和三相并网逆变器两类，中小功率场合一般多采用单相方式，大功率场合多采用三相并网逆变器。按照功率等级进行分类，可分为功率小于1kVA的小功率并网逆变器，功率等级1kVA~50kVA的中等功率并网逆变器和50kVA以上的大功率并网逆变器。从光伏并网逆变器发展至今，发展最为成熟的属于中等功率的并网逆变器，目前已经实现商业化批量生产，技术趋于成熟，光伏并网逆变器未来的发展将是小功率微逆变器也即光伏模块集成逆变器和大功率并网逆变器两个方向并行。微逆变器在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站有其独特的优势，大功率光伏并网逆变器在大规模光伏电站，如沙漠光伏电站，等系统具有明显优势。
    按照功率流向进行分类，分为单方向功率流并网逆变器和双方向功率流并网逆变器两类，单向功率流并网逆变器仅用作并网发电，双向功率流并网逆变器除可用作并网发电外，还能用作整流器，改善电网电压质量和负载功率因素，近几年双向功率流并网逆变器开始获得关注，是未来的发展方向之一。未来的光伏并网逆变器将集并网发电、无功补偿、有源滤波等功能与一身，在白天有阳光时实现并网发电，夜晚用电时实现无功补偿、有源滤波等功能。
    纵观光伏并网逆变器的发展历程，高频化、小型化、智能化、模块化将是其主要发展方向之一，未来最具发展前景和发展潜力的光伏并网逆变器当属微逆变器(光伏模块集成逆变器)，因为其具有突出的发电效率高、 模块化生产、系统扩展灵活、易于集成等突出优势，据研究报道，采用微逆变器技术可以在现有技术的基础上，使光伏发电系统的发电效率提升5%~25%，美国Enphase公司的Microinverter和美国国家半导体的Solarmagic技术获得了业界的广泛关注，国内英伟力(Involar)新能源公司推出的微逆变器产品也成为了业界的一大亮点。
4 光伏并网逆变器产业链
    光伏并网逆变器的产业链包括上游的电力电子元器件生产商、中游的光伏并网逆变器生产商和下游的光伏并网发电系统。
    电力电子器件包括：电阻、电容、功率器件、磁性元器件生产商，集成电路、数字信号处理器生产商、变压器、机壳机柜生产制造上等。其中核心器件为半导体功率器件，它在电路结构设计、逆变器性能表现等方面起到举足轻重的作用，但光伏并网逆变器行业与上游的关联性仍较低，上游行业的影响主要体现在本行业的采购成本方面。
    光伏并网逆变器行业与下游的光伏并网发电系统行业的发展密切相关，下游行业对本行业的发展具有较大的牵引和驱动作用，国家光伏项目建设与投资是决定本行业未来需求的重要部分，其需求变化直接决定了本行业未来的发展状况。
5 国内外发展现状
    近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增，光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业（德国市场占有率达50%以上），约占全球市场份额的三分之一，第二位是Fronius。全球前七位的生产企业占领了近70%的市场份额。
    目前国内光伏并网逆变器市场规模较小，国内生产逆变器的厂商众多，但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多，但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距，目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。
    国内市场规模虽然较小，但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据70%以上的光 伏逆变器市场份额，国内重点光伏项目大功率产品几乎全部选用国内产品。
    从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。
6 结论
    从技术层面来讲，大功率并网逆变器和小功率并网逆变器是未来的两个主要发展方向，其中小功率光伏并网逆变器——微逆变器是最具发展潜力和市场应用前景的发展方向，高频化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化是未来的发展方向。英伟力(Involar)新能源科技公司是国内最早从事微逆变器研究的公司，公司从2008年初开始微逆变器技术的开发，经过近两年的努力已完全自主掌握了微逆变器的核心技术，并于2010年5月份成功发布了其第一代产品MAC250，目前该款微逆变器产品已经推向市场。
    从市场层面来讲，国外光伏企业起步早、技术成熟，在市场上占据了主导地位，国内下游光伏系统市场规模仍较小，但未来的发展潜力巨大，使得众多国际光伏企业纷纷抢滩国内市场，国内企业近几年发展势头迅猛，占领了国内市场的主要份额。未来国内市场将是众多光伏并网逆变器企业争夺的焦点。