2.2　逆变器

2.2.1　逆变器类型

并网光伏系统主要由太阳电池组件、直流/交流电缆、逆变器、汇流箱和并网柜等组成。逆变器作为整个光伏系统的核心部件，其作用是将太阳电池方阵产生的直流电转换成交流电，并使光伏系统发电所产生的能量以最小的转换损耗、最佳的电能质量并入电网。光伏并网逆变器通常按输出功率、输出相数和结构分类[10]。

1.按输出功率分类

由于光伏系统的类型、规模和大小各不相同，所选用的逆变器也不相同。通常情况下，集中式地面光伏系统选用图2-8（a）所示的集中式逆变器，分布式光伏系统选用图2-8（b）所示的组串式逆变器，户用智能光伏系统选用图2-8（c）所示的微型逆变器（简称微逆）。3种逆变器的比较如表2-1所示。

2.按输出相数分类

根据输出相数的差异，逆变器又可分为单相、三相和多相逆变器。单相逆变器能够把直流电转换成220V的交流电，适用于功率级别较小（10kW以下）的逆变器。三相逆变器能把直流电转换为振幅相同、频率相同、相位相差为120°的交流电，即输出380V的交流电压，主要用于大功率逆变器（10kW以上，最大到MW级别）。多相逆变器的输出相数大于三相，能满足低压大功率场合，相数增多可提高系统稳定性，适用于要求高可靠性的场合。

3.按结构分类

逆变器根据内部有无隔离变压器，分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器[11]。

1）隔离型逆变器

带隔离变压器的逆变器即隔离型逆变器。它能使光伏发电端与电网端之间产生电气隔离，提高了安全性。隔离型逆变器包含工频隔离型逆变器和高频隔离型逆变器。工频隔离型逆变器先将太阳电池组件输出的直流电转换为50Hz的工频交流电，再经过工频变压器并入电网，具有电气隔离和电压匹配的功能。这种结构的主要缺点是体积大、质量大和损耗大。高频隔离型逆变器则是先将太阳电池组件输出的直流电转换成高频脉宽的交流脉冲电压，再通过高频变压器进行电气隔离，最后通过交流—直流—交流变换并入电网，极大地减小了逆变器的体积和质量。

2）非隔离型逆变器

非隔离型逆变器分为直接耦合型逆变器和高频非隔离型逆变器。直接耦合型逆变器将太阳电池组件的输出直流电压直接变换为与电网电压同幅值、同相位、同频率的正弦交流电。高频非隔离型逆变器则是先对太阳电池组件输出的直流电进行直流升压，然后逆变成交流电并入电网。此类逆变器结构简单、质量小、成本低、效率高；但是由于缺少电气隔离，对系统的绝缘性能要求较高。

2.2.2　逆变器内部结构和工作原理

逆变器主要由交流/直流滤波模块、电解电容模块、升压模块、逆变模块、直流侧输入模块和保护模块组成，如图2-9所示。逆变器的工作流程：光伏输入在逆变器直流侧汇总，经过直流滤波模块滤波后，输入电解电容模块实现能量的再分配；随后，升压模块将输入直流电压提高到逆变器所需的值，最大功率点（MPP）跟踪器保证太阳电池方阵产生的直流电能最大限度地被逆变器所利用；由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等组成的逆变模块作为核心模块，通过IGBT开关元件将直流电等价转换成交流电；最后，保护模块在逆变器运行状态下进行实时监控，在过流或过压等非正常情况下，可触发继电器使逆变器停止工作，以保护内部元器件免受损坏。逆变器本质上是一种由半导体器件组成的电力转换装置，主要用于把直流电转换成交流电。升压模块把存储在模块中直流电的电压升高到逆变器输出控制所需的电压并完成最大功率点跟踪。逆变模块的作用是把升压后的直流电转换成电网频率的交流电。

逆变器各模块的主要元器件与各模块的功能如表2-2所示。

2.2.3　逆变器失效故障分析

单相小型光伏并网用逆变器中的IGBT作为核心元器件，在实际运行工作中会产生大量的热量，约有 1%～1.5% 的有功功率会转化为热能释放出来。这部分热量会积聚在逆变器内部，导致逆变器内部集成的功率器件管芯发热、结温升高[12]。若不能及时而有效地将逆变器内部热量释放，则会使逆变器的可靠性降低；严重时，还会导致三极管炸裂或电容爆炸。

在所有逆变器失效中，电容失效率占相当高的比重[13]，大多数逆变器故障是由直流侧电解电容的失效引起的。电阻、贴片电容等的工作寿命一般都可以达到20年以上；电感以及变压器只要其工作温度不超过极限温度，就可以认为逆变器能长期工作而不失效；二极管和三极管的工作寿命可以达到10万小时以上；继电器寿命一般为100万次以上。文献[14]指出，电解电容器的工作寿命对工作温度有很大的依赖性。若工作温度降低，则在额定温度以下，工作温度每降低10℃，电解电容器的工作寿命将增加一倍。这是因为在较低的温度下，末端密封的电解质气体减少，所以电容器干燥被延迟。为了提高逆变器的可靠性，除了选择合适额定电压的电容器，正确的热设计也是非常重要的因素。电容被广泛用于逆变器及开关模式电源等电力电子领域。2003年，Fuchs发现电容故障概率为60%[15]。文献[16]完成了一项类似的工作，得出结论：43%以上的开关模式电源故障与电容器有关。除此之外，IGBT也被认为是引起逆变器失效的主要原因之一。

电解电容与功率器件失效最为严重，电容的失效形式有击穿短路失效、开路失效、电参数变化失效、漏液失效、引线腐蚀或断裂失效和绝缘子破裂失效。这些失效会致使电解电容的漏电流随温度升高而增加。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的主要失效形式包括翘曲、炭化、键丝剥离和键合处熔化。在键丝翘曲前，键合处会伴有熔化和重构现象，主要原因是电流过大引起的瞬时过热，导致元器件失效而损坏集电极[17]。

2.2.4　逆变器可靠性的影响因素

光伏并网用逆变器的可靠性取决于其内部元器件的可靠性。而影响内部元器件可靠性的因素有内部散热结构、元器件的工作结温或壳温以及元器件本身的降额设计等。

1.内部散热结构

据统计，在逆变器失效原因统计中，前期散热设计缺陷占很大比重，约占60%；元器件本身质量问题约占25%；逆变器制造安装时发生失误等原因约占15%[18]。因此，设计缺陷是光伏发电失效最主要的原因。合理的散热设计是增强逆变器可靠性的关键因素。从源头设计合理的散热方案是提高逆变器可靠性的重要保障。目前，逆变器散热主要有自然散热、强制风冷、液冷和相变冷却等方式，逆变器不同散热方式及其优缺点比较如表2-3所示。研究表明[19]：强制风冷的散热效果是自然冷却的10～20倍；更高效的散热方式还有液冷和相变冷却，这两种方式的散热效果约为自然冷却的100～120倍。从结构的复杂性角度和实现的难易程度来看，相比于液冷等散热方式，强制风冷散热系统更简单、更易实现、可靠性更高。因此，对功率稍大的组串式逆变器都采用强制风冷的散热方式。

组串式逆变器的散热方式主要有自然冷却和强制风冷。在同样的环境温度下，强制风冷的逆变器，其内部核心器件温升比自然冷却的逆变器低约20℃。强制风冷的散热性能更优，可以适应更加严苛的外界环境，保证发电量，实际使用寿命更有保障。对于强制风冷型逆变器，风扇防护等级一般只能达到IP54或IP55，导致整个系统达不到IP65的防护等级。在恶劣的工作环境下，风扇的维护难度加大，维护成本增加，系统的可靠性降低。文献[20]提出在结温波动幅度最大时，加快风扇的转速，使得结温波动变小，但高速运行可能会降低风扇自身的可靠性；文献[21]采用空气冷板以及强迫风冷技术设计逆变器散热，采用铝材散热器对风道布置进行特殊设计，提高了散热效率，但同时也增加了散热成本。被动散热方式的自然对流散热，常采用热隔离、灌胶散热、一体式散热片等自然散热方式。散热片是散热模块最重要的部件，其作用是将内部热量传递给空气，利用空气流动带走系统热量。自然散热具有稳定性好、可靠性高、无噪声、免维护、无功耗、无运动件等诸多优点。

根据不同功率，国内外主流逆变器散热方式的选择如表2-4所示。

由上述可知，散热方式主要根据逆变器的功率大小进行选择。当功率小于20kW时，采用自然冷却可实现产品综合性能与体积、质量的最优匹配；当功率为20～25kW时，根据实际情况与需求采用自然冷却或强制风冷；当功率大于25kW时，散热热流密度较大，采用强制风冷更经济、更高效、更实用。

对于单相小型逆变器，其整体散热结构主要采用以下方式：

（1）采用分层设计。例如，一款科士达的小型逆变器，其内部集成电路板有五层，越靠近下部，散热片温度越高。这样设计可以缓解逆变器内部的散热，缺点是造成了逆变器设计结构较复杂，体积较大。

（2）采用电感灌胶技术。以最佳灌胶原料配比，提高导热系数，有助于热量散出。

（3）把电感大功率器件埋入散热片中。将电感大功率器件及升压电感安装在背部散热片处，加快高温元件散热。

（4）在对角线上安装对流风扇。主要目的是为了使逆变器内部热量均匀，防止出现高温热点。

2.内部元器件的工作温度

逆变器的核心器件对温度变化较为敏感，当温度过高时会导致功率开关性能降低甚至使其损坏，影响发电效率，最终导致器件寿命降低。逆变器内部元器件的温度随外部环境条件的变化而变化。外部环境温度和当地辐照条件会导致逆变器内部核心元器件工作温度发生改变，影响整体性能。逆变器散热方案的优劣决定着产品的性能和质量。对风扇和散热片等各种散热设备的研发和优化，是减轻功率元器件温度升高的有效途径。

一般来说，光伏并网用逆变器没有并联冗余。这意味着任何一个元器件的故障都会导致整个逆变器的故障。电容器对温度非常敏感，通常由大电流引起的电容器工作温度大于规定的温度，可能会缩短太阳电池组件的使用寿命。但是，由于电解质在较高温度下蒸发较快，所以当电容器运行在正常工作温度以下时，电容器寿命会延长。对于大功率元器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等，如果器件持续工作在高温或大电流条件下，那么其产生的损耗将引起温度迅速上升。由于芯片的热容量小，若温度超过本征硅温度，元器件将失去阻断能力，使栅极控制保护失效，导致IGBT损坏。对于常规大功率元器件而言，一般最高允许的温度为125℃左右。

相关数据显示，在太阳辐照度较大的中午，光伏系统整体发电量反而降低。产生这一现象的原因主要有两方面：一方面是中午外部环境温度升高，导致太阳电池组件和逆变器工作性能降低；另一方面是随着太阳辐照度增强，输入逆变器的负载率加大，超出了最佳工作负载点，在高温、高负载下逆变器会出现自动降额。特别是在光伏系统超配的情况下，逆变器额定功率就略小于太阳电池组件的额定功率，在太阳辐照度较大时，输入逆变器的功率不断变大；若此时外部环境温度也很高，逆变器便会因高温保护而自动降额，使发电效率大幅下降。

3.降额设计

对于每一台逆变器，都有降额设计。降额设计是指使元器件在使用中所承受的工作应力低于规定的额定值，从而降低元器件的基本失效率，达到提高可靠性的目的。合理地选择降额系数及应力水平，可以大幅度提高逆变器的可靠性。通常，降额设计分为3个等级：Ⅰ级为最大降额，适用于设备遭受巨大故障导致安全问题或者造成较大经济损失的情况，此时降额程度最大；Ⅱ级为中等降额，适用于发生的故障会使所需完成的任务降级和增加不合理维修费用的情况；Ⅲ级降额最小，适用于设备故障对完成任务有较小影响的情况，也是最易设计的降额情况。降额设计主要考虑的是电应力和温度应力。当内部环境温度过高时，逆变器就必须考虑降额。逆变器一般都会设计为大于45℃时降额运行。对电流与温度的降低必须限制在一个合理的降额范围之内。合理的降额范围可以显著提高逆变器的可靠性。降额程度过大对于可靠性的提高并无太大作用，还会由于降额过多，造成整体效率低下。因此，在降额设计时，必须掌握元器件的失效规律，保证元器件的失效模型和失效机理不变，合理选择降额等级。

2.2.5　逆变器转换效率计算

逆变器的整机转换效率是指输入逆变器的直流功率与转换后的交流输出功率的比值，即输入逆变器的直流功率与通过逆变后再经滤波传输到电网的交流输出功率的一个比值。由于逆变器内部的元器件都需要消耗能量，逆变器的转换效率一定小于1。整机瞬时转换效率的数学公式如下：

工信部发布的《光伏制造行业规范条件（2018年本）》明确规定：含变压器型的光伏逆变器中国加权效率不得低于96%；不含变压器型的光伏逆变器中国加权效率不得低于98%（单相二级拓扑结构的光伏逆变器相关指标分别不低于94.5%和96.8%）；微型逆变器相关指标分别不低于94.3%和95.5%。根据国家检测标准，在高温40℃环境下，逆变器应该正常工作，最大功率转换效率不应低于96%[22]。

以下为欧洲、美国加利福尼亚州和我国使用的效率计算公式。

1.欧洲使用的效率计算公式

选取德国慕尼黑地区一年的辐照度数据，针对欧洲效率的分挡区间，统计不同区间的年累计发电量。在此基础上，计算出每段功率挡上的年总发电量的权重占比。最终确定欧洲使用的效率权重取值，得出计算公式：

2.美国加利福尼亚州使用的效率计算公式

美国加利福尼亚州使用的效率是由美国加利福尼亚州能源协会选取美国洛杉矶地区与达拉斯地区一年的辐照度，使用与欧洲效率相同原则求算的效率，其计算公式如下：

3.我国使用的效率计算公式

按照国家标准GB/T 31155—2014，我国太阳能资源区分为四类。每一类地区中选取代表性地区统计不同功率区间的年累计发电量，根据欧洲使用的效率计算以及美国加利福尼亚州使用的效率取点的原则，分为7挡，计算出每段功率挡上的年发电量的权重占比，具体情况见表2-5。