微型逆变器研究报告.docx
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微型逆变器研究报告
微型逆变器相关资料
一、微型逆变器
（一）微型逆变器简介
什么是微型逆变器？
其发展历程如何？
为何会出现此种产品？
应该如何使用（是否要与其他产品配套使用）？
最先是由谁研发出来的？
是否是某些企业的研发成果？
还是国家的研究机构研发出来的？
目前的研究情况如何？
是否已可达到批量生产？
目前有哪些厂家（简要列举，在后面再详细介绍）？
概述：
普通太阳能光伏系统都是由许多紧密相连的太阳能电池板组成。
这些电池板先分组串联，再将不同的串联电池组并联起来形成电池阵列。
（这样，当有局部阴影或碎砾等遮蔽光伏系统时，存在着如果有因日照不均以及特性不均等导致输出功率下降的模块，整体的输出功率就会大幅降低的问题。
假如串联中的任何某个电池发生故障，也会导致整个电池组失效。
）太阳能电池板阵列产生的直流电流到位于电池板侧旁的逆变器。
逆变器有两个基本功能：
一方面是为完成DC/AC转换的电流连接到电网，另一方面是找出最佳的操作点以优化太阳能光伏系统的效率。
对于特定的太阳光辐射、温度及电池类型，太阳能光伏系统都相应有唯一的最佳电压及电流，从而使光伏系统产生最大的能量。
如果光伏系统在非最佳电压及电流水平下运行，系统的效率就非常低，白白浪费采集太阳能的良机。
太阳能光伏微型逆变器是一种转换直流从单一太阳能电池组件至交流电的装置。
微型逆变器的直流电源转换是从一个单一的太阳能模块交流，各个太阳能电池模块配备逆变器及转换器功能，每块组件可单独进行电流的转化，所以这被称之为“微型逆变器”及“微型转换器”。
微型逆变器能够在面板级实现最大功率点跟踪（MPPT），拥有超越中央逆变器的优势。
这样可以通过对各模块的输出功率进行优化，使得整体的输出功率最大化。
此外，与通信功能组合，还可用于监视各个模块的状态，检测出出现故障的模块。
历程：
在大规模部署的太阳能并网发电厂中，光伏电池板的数量很大，为此，TI公司提出了“微型逆变器”的概念，它既能够在较宽的范围内扫描各个独立的太阳能电池板的峰值功率点，避免把局部峰值作为MPP点，同时，又能够提高最大功率点输出跟踪的效率。
TI提出的这种系统的架构对于DC/DC转换器、DC/AC转换器以及控制器、通信接口的需求也非常大。
在过去的几年里，美国国家半导体实验室的研究人员一直在积极研究太阳能发电系统的效率问题。
一个解决方案就是所谓的“微型逆变器”。
可是，影响光伏系统的关键因素是可靠性、成本和效率。
微型逆变器并不能全面地平衡这几个关键因素。
过去，太阳能电池板被定为无源电子组件，主要原因是太阳能电池板没有包含任何具备智能及可靠的有源电子组件。
但这种情况现在已经发生变化。
此外，当考虑到成本和效率因素时，更没必要为每块电池板都加装电网接口。
实际上，现行光伏系统迫切需要优化功能。
而这个功能可通过若干个可靠及精密的集成电路来实现。
凭借50年的集成电路开发和销售经验，美国国家半导体将微型优化器的专业知识带到太阳能领域。
2009年，美国国家半导体公司宣布推出太阳能产业有史以来首款光电板专用的SolarMagic芯片组。
这宣告了“智能型太阳能发电系统”全新时代的来临。
普通的太阳能光伏系统架构都极易受到实际操作环境的影响。
例如只要几块电池板有阴影或树叶遮蔽，整个系统的发电量便会大幅地下跌。
具体来说，只要有10%的电池板面积被遮盖，系统的总发电量便会下跌50%。
而且随着时间的推移，被遮蔽的电池板面积会越来越大，太阳能系统的效率会受到严重的影响。
采用SolarMagic技术则可将挽回57%的发电损失。
从发电系统的角度来看，光伏并网在技术上的重点在于以下两个方面。
一是从光伏系统的角度来看，光伏行业面临的最大挑战之一是太阳能面板的阴影问题。
二是从功率器件的角度来看，由于主要的光伏系统厂商拥有各自的光伏逆变应用专利拓扑，半导体供应商必须开发专用的产品。
例如，由于需要提高输入电压以获得更高的效率，所以必须使用650V或以上MOSFET/IGBT。
此外也需要使用SiCSBD作为成套解决方案。
另外，要扩大10kW以上市场份额，就必须使用IGBT/SPM模块。
对于10kW以下并网光伏逆变器解决方案，飞兆半导体提供场截止（FS）IGBT和SupreMOSMOSFET器件，具备进入这一高性能市场所需的低EOFF优势和高可靠性。
对于微型逆变器，飞兆半导体拥有中等电压MOSFET和SupreMOS技术，可为这类应用提供卓越性能。
除了功率半导体之外，对各模块的输出功率进行优化的控制IC，以及传递各模块状况的通信IC的重要性也将日益提高。
微控制器要运行MPPT算法，以调节太阳能电池板的方向、输出的直流电压和电流，使之获得峰值功率输出，就需要采用微控制器以及传感器来跟踪太阳方位角以及高度角。
（二）微型逆变器的关键技术
最大功率点跟踪（MPPT）以及MPPT算法
智能调节太阳能发电板的工作电压，使太阳能板始终工作在V-A特性曲线的最大功率点，从而提高了对太阳能板发电功率的利用率。
MPPT算法主要有三种：
扰动观察法、电导增量法和恒定电压法。
扰动观察法（P&O）最为常见。
该算法以特定方向对工作电压进行微扰，然后对dP/dV进行采样。
如果dP/dV为正，则算法知道其朝MPP方向调节了电压。
然后，继续以该方向调节电压，直到dP/dV为负。
电导增量（INC）法使用PV阵列的增量电导dI/dV来计算dP/dV的符号。
相比P&O，INC快速追踪变化的光照条件更加准确。
然而，与P&O相同，它会产生振荡，并会在快速变化的空气条件影响下变得混乱不清。
另一个缺点是，其高复杂性增加了计算时间，并降低了采样频率。
第三种方法是恒定电压法，其利用这样一个事实：
一般而言，VMPP/VOC的比约等于0.76。
这种方法所出现的问题在于它要求立刻设置PV阵列电流为0来测量阵列的开路电压。
这样，阵列的工作电压便被设置为这一测量值的76%。
但是，在这期间，阵列被断开，浪费掉了有效能源。
同时还发现，76%开电路电压是一个非常接近值的同时，它却并非总是与MPP一致。
由于没有一个能够成功地满足所有常用情景要求的MPPT算法，因此许多设计人员都会走一些弯路，它们对系统进行环境条件评估然后选择最佳的算法。
实际上，有许多MPPT算法可以用，并且太阳能板厂商提供其自己的算法也很常见。
对于一些廉价的控制器来说，执行MPPT算法会是一项难以完成的任务。
因为，除MCU的正常控制功能以外，算法还要求这些控制器拥有高性能的计算能力。
先进的32位实时微控制器（例如：
TIC2000平台中的一些微控制器）就适用于众多太阳能应用。
二、厂家动态
（一）国外企业
1、SMA公司（德国）
（1）基本情况
SMA是光伏逆变器的全球市场领导者，产品应用遍及全球，已经在全世界四大洲的九个国家设立了分公司。
SMA并网和独立运行逆变器在中国的应用已经有七年多的时间，截至目前，已经在包括香港和台湾在内的二十多个省市地区完成了五百多个项目。
2009年，SMA公司光伏逆变器销售量达到了3400兆瓦，约占世界逆变器总销售量的40%，创造了高达9.34亿欧元的销售额，连续几年保持着超过100%的增长速度，且在未来数年仍会保持强劲的增长态势。
（2）研发/生产现状
在微型逆变器技术方面，SMA将采用OKE的技术开发自己的产品线。
这使得SMA成为全球唯一一家包含各种现存逆变器技术产品线的厂商，可操作各种尺寸的太阳能光伏系统，并采用最有的技术系统配置。
（3）市场动态
SMASolarTechnologyAG（SMA）宣布向OKE-Services公司购买微型逆变器技术平台。
SMA计划在今后的几年里进一步开发该项技术并最终实现微型逆变器的产业化。
2、EnphaseEnergy科技有限公司（美国）
（1）基本情况
太阳能微逆变器发明制造商Enphase2008年开始微型逆变器商业化的量产，至今已经售出30多万件微型逆变器。
（2）市场动态
太阳能微逆变器发明制造商Enphase能源宣布，公司最新一轮6300万美元融资完成。
Enphase说，拥有这些资金，公司将能够加快产品开发，推出全球扩张计划，并加强其资产平衡性。
3、Kaco新能源股份有限公司市场份额则为30%
（1）基本情况
KACO是德国知名的逆变器专业生产厂商，是全球逆变器第二大品牌，以转换效率高，性能稳定，保质期长等优质的性能深受国内顾客的喜爱。
近年来，由于光伏市场在德国的快速发展， KACO利于自己多年逆变器研究&生产的技术和经验，开发出总类丰富，质量卓越的太阳能逆变器。
公司2009年逆变器销售900MW,比前年的480MW增长近一倍，占全球市场份额为30%。
（2）研发/生产现状
基于美国市场将成为继欧洲之后，另一个太阳能需求强大的地区，KACO为拓展美国市场，研发出一系列的高功率太阳能逆变器产品，并在韩国设立高功率的研发中心，此次获得Intertek的ETL证书，对KACO拓展美国市场带来极大的助益。
（3）市场动态
基于中国迅速的光伏逆变器需求，德国KACO公司近日宣布与国内系统集成商昆山中洋实业联合，2010年起全面进军中国光伏市场。
正是瞄准了中国正在崛起的巨大市场潜力，KACO公司决定进一步在中国实施其全球扩张策略，经过几番考察，选择位于昆山的系统集成商中洋实业进行战略合作。
“国内的逆变器转换效率，结构工艺和逆变器的稳定性上与国际品牌存在一定的差距，若中国上网电价补贴实施，逆变器的转换效率更为重要，这是我们最终选择中国的主要原因。
”
4、Fronius集团（奥地利）
（1）基本情况
奥地利伏能士（Fronius）国际公司创立于1945年，1992年设立太阳能电子部进行太阳能并网逆变器的研发、生产和销售。
2008年公司全球营业额3.7亿欧元，全年研发投入高达2500万欧元，有效专利585件。
自2006年起，伏能士（Fronius）公司成为太阳能并网逆变器世界上排名第二的生产商。
公司总部位于奥地利，在中国授权北京绿洲协力新能源科技有限公司作为代理商负责伏能士（Fronius）公司太阳能并网逆变器的销售、安装、调试、售后服务、维修和技术支持。
5、Xantrex科技有限公司（加拿大）
（1）基本情况
Xantrex技术有限公司是在可再生、可编程和移动供电市场中进行先进电源产品及系统开发、生产和营销的全球领先企业，是全球太阳能和风能逆变器市场中的三大厂商之一，具备强大的增长潜力：
在前景广阔的北美太阳能逆变器市场中居于领导地位。
Xantrex总部位于加拿大温哥华，在美国、德国、西班牙和英国设有工厂，在中国也成立有一家合资公司。
Xantrex的高增长潜力和可实现的显著协同预计能够在2011年创造4.70亿美元的总销售额。
（二）国内企业
就中国而言，中国光伏变频器整体企业在转换效率、结构工艺、做工、稳定性上跟国外最先进水平有一定差距，小功率技术水平基本跟国外处于相同水平。
合肥阳光电源是中国最大新能源电源供应商，产品涵盖风力、光伏、电力系统电源，产品成功运用于国内众多大型示范工程， 2009年光伏逆变器出货量约80MW。
1、合肥阳光电源
（1）基本情况
合肥阳光电源有限公司是一家专注于太阳能、风能等可再生能源电源产品研发、生产和销售的高新技术企业。
主要产品有光伏逆变器和控制器、风机变流器、回馈式节能负载、电力系统电源等，并提供系统解决方案的设计及技术服务，是我国最大的光伏电源产品的研发生产企业，也是我国光伏和风力发电行业为数极少的掌握多项核心技术并拥有完全自主知识产权的企业之一。
每年将不少于销售收入10%投入研发。
2002年起到2005年间，在国家“送电到乡工程”光伏/风能独立电站建设项目中，阳光电源生产的光伏控制器和逆变器以最优的性价比占领了国内市场份额的70%，仅此一项就为公司带来了7000多万元的销售收入
（2）现状
阳光电源在保持国内领先的同时，积极拓展国际市场。
产品先后成功应用于上海世博会、敦煌10MW光伏电站、宁夏太阳山10MW光伏电站、杭州节能环保产业园光伏电站、北京奥运鸟巢、上海临港大型光伏发电项目、东汽集团风电项目、内蒙古通辽风场项目、湘电集团风电项目、国家送电到乡工程、南疆铁路、广州白云机场等众多的国内重大工程项目；产品现已通过TÜV、CE、UL、DK5940、CSA、CEC等多项国际认证，批量销往意大利、西班牙、英国等欧洲国家，并远销美洲、非洲及东南亚地区。
（3）市场动态
2007年，公司引进外资并顺利改制为中外合资企业。
阳光电源一直坚持并重视自主创新，先后承担了国家“十一五”863计划等10多个光伏、风电领域的重大科研课题，取得了一系列重大科研成果，产品多次填补国内空白。
能源局领导李福龙对阳光电源在光伏逆变器、风能变流器领域所取得的诸多创新成果和产业化应用成绩表示赞赏。
三、市场分析
虽然微型逆变器在全球逆变器市场仍然只占有小份额。
微型逆变器和分布式最大功率点跟踪（MPPT）解决方案作为光伏逆变器市场的新兴领域，预计将会大幅增长，2010年到2015年的年均复合增长率可达77％。
供货量便有望超过现有逆变器。
美国iSuppli预测，原有逆变器的供货量2012年为130万～140万台，而微型逆变器和微型转换器的合计供货量2012年将达到约800万台。
目前美国已有风险企业等多家企业对微型逆变器和微型转换器展开开发。
IR的AlbertoGuerra预测，在未来几年中，太阳能工程的市场每年的增长率将达到20%到30%。
相应地，太阳能逆变器的价格也会随之下降。
由于逆变器的成本占整体太阳能系统成本的15%到20%，因为存在更大的市场需求而得到价格支持。
中国政府安排预算12.7亿元，逆变器补贴国内光电建筑应用示范项目共111个，总规模为91兆瓦，示范工程分布在中国的30个省、市、自治区，重点向产业基础好、阳光资源丰富的江苏、浙江、内蒙、河南等省倾斜，重点引导光电建筑一体化发展，逆变器重点扶持技术先进的光伏产品推广应用。
为鼓励可再生能源的发展,中国政府今年3月份启动了《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》、《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》（简称“屋顶计划”）,对建筑用太阳能产品实施补贴太阳能屋顶计划。
继“屋顶计划”出台4个月后，中国财政部、科技部、国家能源局联合印发了《关于实施金太阳示范工程的通知》，计划在2-3年内，政府补助不低于500兆瓦的光伏发电示范项目，加快中国国内光伏发电的产业化和规模化发展。
与此同时的各地政府也纷纷出台政策刺激光伏电站的发展，杭州市提出“阳光屋顶”计划，广州，南昌，无锡，保定，上海纷纷提出了本地的光伏电站发展规划，中国光伏最发达的江苏省率先出台了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，其中规定，通过3年努力，力争在全省建成光伏并网发电装机容量400兆瓦。
附录：
逆变器的功能要求
太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变器。
逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。
主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。
通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。
有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。
逆变器的类型
（一）按应用范围分类：
（1）普通型逆变器
直流12V或24V输入，交流220V、50Hz输出，功率从75W到5000W,有些型号具有交、直流转换即UPS功能。
（2）逆变/充电一体机
在此类逆变器中，用户可以使用各种形式的电源为交流负载供电：
有交流电时，通过逆变器使用交流电为负载供电，或为蓄电池充电；无交流电时，用蓄电池为交流负载供电。
它可与各种电源结合使用：
如蓄电池、发电机、太阳能电池板和风力发电机等。
（3）邮电通信专用逆变器
为邮电、通信提供高品质的48V逆变器，其产品质量好、可靠性高、模块式（模块为1KW）逆变器，并具有N+1冗余功能、可扩充（功率从2KW到20KW）。
（4）航空、军队专用逆变器
此类逆变器为28Vdc输入，可提供下列交流输出：
26Vac、115Vac、230Vac，其输出频率可为：
50Hz、60Hz及400Hz,输出功率从30VA到3500VA不等。
还有供航空专用的DC-DC转换器及变频器。
（二）按输出波形分类：
（1）方波逆变器
方波逆变器输出的交流电压波形为方波。
此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量很少。
设计功率一般在百瓦至千瓦之间。
方波逆变器的优点是：
线路简单、价格便宜、维修方便。
缺点是由于方波电压中含有大量高次谐波，在带有铁心电感或变压器的负载用电器中将产生附加损耗，对收音机和某些通讯设备有干扰。
此外，这类逆变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等缺点。
（2）阶梯波逆变器
此类逆变器输出的交流电压波形为阶梯波，逆变器实现阶梯波输出也有多种不同线路，输出波形的阶梯数目差别很大。
阶梯波逆变器的优点是，输出波形比方波有明显改善，高次谐波含量减少，当阶梯达到17个以上时输出波形可实现准正弦波。
当采用无变压器输出时，整机效率很高。
缺点是，阶梯波叠加线路使用的功率开关管较多，其中有些线路形式还要求有多组直流电源输入。
这给太阳电池方阵的分组与接线和蓄电池的均衡充电均带来麻烦。
此外，阶梯波电压对收音机和某些通讯设备仍有一些高频干扰。
（3）正弦波逆变器
正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波。
正弦波逆变器的优点是，输出波形好，失真度很低，对收音机及通讯设备干扰小，噪声低。
此外，保护功能齐全，整机效率高。
缺点是：
线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较贵。
上述三种类型逆变器的分类，有利于光伏系统和风力发电系统设计人员和用户对逆变器进行识别和选型。
实际上，波形相同的逆变器在线路原理，使用器件及控制方法等等方面仍有很大区别。
主要性能参数
描述逆变器性能的参量和技术条件很多，这里仅就评价逆变器时常用的技术参数做一扼要说明。
a．使用环境条件
逆变器正常使用条件：
海拔高度不超过1000m，空气温度0～+40℃。
b．直流输入电源条件
输入直流电压波动范围：
蓄电池组额定电压值的±15%。
c．额定输出电压
在规定的输入电源条件下，输出额定电流时，逆变器应输出的额定电压值。
电压波动范围：
单相220V±5%，三相380±5%。
d．额定输出电流
在规定的输出频率和负载功率因数下，逆变器应输出的额定电流值。
e．额定输出频率
在规定的条件下，固定频率逆变器的额定输出频率为50Hz：
频率波动范围：
50Hz±2%。
f．最大谐波含量
正弦波逆变器，在阻性负载下，输出电压的最大谐波含量应≤10%。
g．过载能力
在规定的条件下，在较短时间内，逆变器输出超过额定电流值的能力。
逆变器的过载能力应在规定的负载功率因数下，满足一定的要求。
h．效率
在额定输出电压、输出，乜流和规定的负载功率因数下，逆变器输出有功功率与输入有功功率（或直流功率）之比。
i．负载功率因数
逆变器负载功率因数的允许变化范围，推荐值0.7―1.0。
j．负载的非对称性
在10%的非对称负载下，固定频率的三相逆变器输出电压的非对称性应≤10%。
k．输出电压的不对称度
在正常工作条件下，各相负载对称，输出电压的不对称度应≤5%。
l．起动特性
在正常工作条件下，逆变器在满载负载和空载运行条件下，应能连续5次正常起动。
m．保护功能
逆变器应设置：
短路保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护及缺相保护。
n．干扰与抗干扰
逆变器应在规定的正常工作条件下，能承受一般环境下的电磁干扰。
逆变器的抗干扰性能和电磁兼容性应符合有关标准的规定。
o．噪声
不经常操作、监视和维护的逆变器，应≤95db；
经常操作、监视和维护的逆变器，应≤80db。
p．显示
逆变器应设有交流输出电压、输出电流和输出频率等参数的数据显示，并有输入带电、通电和故障状态的信号显示。
确定逆变器技术条件：
在光伏/风力互补系统选用逆变器时，首要的是确定逆变器如下几个最主要的技术参数：
输入直流电压范围，如DC24V、48V、110V、220V等；
额定输出电压，如三相380V，还是单相220V；
输出电压波形，如正弦波、梯形波或方波。
利用微型逆变器优化太阳能系统的设计
对于优化太阳能系统的效率和可靠性而言，一种较新的手段是采用连接到每个太阳能板上的微型逆变器（micro-inverter）。
为每块太阳能面板配备单独的微型逆变器使得系统可以适应不断变化的负荷和天气条件，从而能够为单块面板和整个系统提供最佳转换效率。
微型逆变器架构还可简化布线，这也就意味着更低的安装成本。
通过使消费者的太阳能发电系统更有效率，系统“收回”采用太阳能技术的最初投资所需的时间会缩短。
电源逆变器是太阳能发电系统的关键电子组件。
在商业应用中，这些组件连接光伏（PV）面板、储存电能的电池以及本地电力分配系统或公用事业电网。
图1显示的是一个典型的太阳能逆变器，它把来自光伏阵列输出的极低的直流电压转换成电池直流电压、交流线路电压和配电网电压等若干种电压。
在一个典型的太阳能采集系统中，多个太阳能板并联到一个逆变器，该逆变器将来自多个光伏电池的可变直流输出转换成干净的50Hz或60Hz正弦波逆变电源。
此外，还应该指出的是，图1中的微控制器（MCU）模块TMS320C2000或MSP430通常包含诸如脉宽调制（PWM）模块和A/D转换器等关键的片上外设。
图1：
传统电源转换架构包含一个太阳能逆变器，它从PV阵列接收低DC输出电压并产生AC线路电压。
设计的主要目标是尽可能提高转换效率。
这是一个复杂且需反复的过程，它涉及最大功率点跟踪算法（MPPT）以及执行相关算法的实时控制器。
最大化电源转换效率
未采用MPPT算法的逆变器简单地将光伏模块与电池直接连接起来，迫使光伏模块工作在电池电压。
几乎无一例外的是，电池电压不是采集最多可用太阳能的理想值。
图2说明了典型的75W光伏模块在25℃电池温度下的传统电流/电压特性。
虚线表示的是电压（PVVOLTS）与功率（PVWATTS）之比。
实线表示的是电压与电流（PVAMPS）之比。
如图2所示，在12V时，输出功率大约为53W。
换句话说，通过将光伏模块强制工作在12V，输出功率被限制在约53W。
但采用MPPT算法后，情况发生了根本变化。
在本例中，模块能实现最大输出功率的电压是17V。
因此，MPPT算法的职责是使模块工作在17V，这样一来，无论电池电压是多少，都能从模块获取全部75W的功率。
高效DC/DC电源转换器将控制器输入端的17V电压转换为输出端的电池电压。
由于DC/DC转换器将电压从17V降至12V，本例中，支持MPPT功能的系统内电池充电电流是：
（VMODULE/VBATTERY）×IMODULE，或（17V/12V）×4.45A=6.30A。
假设DC/DC转换器的转换效率是100％，则充电电流将增加1.85A（或42％）。
虽然本例假设
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