2.2　逆變器

2.2.1　逆變器類型

并網光伏系統主要由太陽電池組件、直流/交流電纜、逆變器、匯流箱和并網柜等組成。逆變器作為整個光伏系統的核心部件，其作用是將太陽電池方陣產生的直流電轉換成交流電，并使光伏系統發電所產生的能量以最小的轉換損耗、最佳的電能質量并入電網。光伏并網逆變器通常按輸出功率、輸出相數和結構分類[10]。

1.按輸出功率分類

由于光伏系統的類型、規模和大小各不相同，所選用的逆變器也不相同。通常情況下，集中式地面光伏系統選用圖2-8（a）所示的集中式逆變器，分布式光伏系統選用圖2-8（b）所示的組串式逆變器，戶用智能光伏系統選用圖2-8（c）所示的微型逆變器（簡稱微逆）。3種逆變器的比較如表2-1所示。

2.按輸出相數分類

根據輸出相數的差異，逆變器又可分為單相、三相和多相逆變器。單相逆變器能夠把直流電轉換成220V的交流電，適用于功率級別較小（10kW以下）的逆變器。三相逆變器能把直流電轉換為振幅相同、頻率相同、相位相差為120°的交流電，即輸出380V的交流電壓，主要用于大功率逆變器（10kW以上，最大到MW級別）。多相逆變器的輸出相數大于三相，能滿足低壓大功率場合，相數增多可提高系統穩定性，適用于要求高可靠性的場合。

3.按結構分類

逆變器根據內部有無隔離變壓器，分為隔離型逆變器和非隔離型逆變器[11]。

1）隔離型逆變器

帶隔離變壓器的逆變器即隔離型逆變器。它能使光伏發電端與電網端之間產生電氣隔離，提高了安全性。隔離型逆變器包含工頻隔離型逆變器和高頻隔離型逆變器。工頻隔離型逆變器先將太陽電池組件輸出的直流電轉換為50Hz的工頻交流電，再經過工頻變壓器并入電網，具有電氣隔離和電壓匹配的功能。這種結構的主要缺點是體積大、質量大和損耗大。高頻隔離型逆變器則是先將太陽電池組件輸出的直流電轉換成高頻脈寬的交流脈沖電壓，再通過高頻變壓器進行電氣隔離，最后通過交流—直流—交流變換并入電網，極大地減小了逆變器的體積和質量。

2）非隔離型逆變器

非隔離型逆變器分為直接耦合型逆變器和高頻非隔離型逆變器。直接耦合型逆變器將太陽電池組件的輸出直流電壓直接變換為與電網電壓同幅值、同相位、同頻率的正弦交流電。高頻非隔離型逆變器則是先對太陽電池組件輸出的直流電進行直流升壓，然后逆變成交流電并入電網。此類逆變器結構簡單、質量小、成本低、效率高；但是由于缺少電氣隔離，對系統的絕緣性能要求較高。

2.2.2　逆變器內部結構和工作原理

逆變器主要由交流/直流濾波模塊、電解電容模塊、升壓模塊、逆變模塊、直流側輸入模塊和保護模塊組成，如圖2-9所示。逆變器的工作流程：光伏輸入在逆變器直流側匯總，經過直流濾波模塊濾波后，輸入電解電容模塊實現能量的再分配；隨后，升壓模塊將輸入直流電壓提高到逆變器所需的值，最大功率點（MPP）跟蹤器保證太陽電池方陣產生的直流電能最大限度地被逆變器所利用；由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等組成的逆變模塊作為核心模塊，通過IGBT開關元件將直流電等價轉換成交流電；最后，保護模塊在逆變器運行狀態下進行實時監控，在過流或過壓等非正常情況下，可觸發繼電器使逆變器停止工作，以保護內部元器件免受損壞。逆變器本質上是一種由半導體器件組成的電力轉換裝置，主要用于把直流電轉換成交流電。升壓模塊把存儲在模塊中直流電的電壓升高到逆變器輸出控制所需的電壓并完成最大功率點跟蹤。逆變模塊的作用是把升壓后的直流電轉換成電網頻率的交流電。

逆變器各模塊的主要元器件與各模塊的功能如表2-2所示。

2.2.3　逆變器失效故障分析

單相小型光伏并網用逆變器中的IGBT作為核心元器件，在實際運行工作中會產生大量的熱量，約有 1%～1.5% 的有功功率會轉化為熱能釋放出來。這部分熱量會積聚在逆變器內部，導致逆變器內部集成的功率器件管芯發熱、結溫升高[12]。若不能及時而有效地將逆變器內部熱量釋放，則會使逆變器的可靠性降低；嚴重時，還會導致三極管炸裂或電容爆炸。

在所有逆變器失效中，電容失效率占相當高的比重[13]，大多數逆變器故障是由直流側電解電容的失效引起的。電阻、貼片電容等的工作壽命一般都可以達到20年以上；電感以及變壓器只要其工作溫度不超過極限溫度，就可以認為逆變器能長期工作而不失效；二極管和三極管的工作壽命可以達到10萬小時以上；繼電器壽命一般為100萬次以上。文獻[14]指出，電解電容器的工作壽命對工作溫度有很大的依賴性。若工作溫度降低，則在額定溫度以下，工作溫度每降低10℃，電解電容器的工作壽命將增加一倍。這是因為在較低的溫度下，末端密封的電解質氣體減少，所以電容器干燥被延遲。為了提高逆變器的可靠性，除了選擇合適額定電壓的電容器，正確的熱設計也是非常重要的因素。電容被廣泛用于逆變器及開關模式電源等電力電子領域。2003年，Fuchs發現電容故障概率為60%[15]。文獻[16]完成了一項類似的工作，得出結論：43%以上的開關模式電源故障與電容器有關。除此之外，IGBT也被認為是引起逆變器失效的主要原因之一。

電解電容與功率器件失效最為嚴重，電容的失效形式有擊穿短路失效、開路失效、電參數變化失效、漏液失效、引線腐蝕或斷裂失效和絕緣子破裂失效。這些失效會致使電解電容的漏電流隨溫度升高而增加。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的主要失效形式包括翹曲、炭化、鍵絲剝離和鍵合處熔化。在鍵絲翹曲前，鍵合處會伴有熔化和重構現象，主要原因是電流過大引起的瞬時過熱，導致元器件失效而損壞集電極[17]。

2.2.4　逆變器可靠性的影響因素

光伏并網用逆變器的可靠性取決于其內部元器件的可靠性。而影響內部元器件可靠性的因素有內部散熱結構、元器件的工作結溫或殼溫以及元器件本身的降額設計等。

1.內部散熱結構

據統計，在逆變器失效原因統計中，前期散熱設計缺陷占很大比重，約占60%；元器件本身質量問題約占25%；逆變器制造安裝時發生失誤等原因約占15%[18]。因此，設計缺陷是光伏發電失效最主要的原因。合理的散熱設計是增強逆變器可靠性的關鍵因素。從源頭設計合理的散熱方案是提高逆變器可靠性的重要保障。目前，逆變器散熱主要有自然散熱、強制風冷、液冷和相變冷卻等方式，逆變器不同散熱方式及其優缺點比較如表2-3所示。研究表明[19]：強制風冷的散熱效果是自然冷卻的10～20倍；更高效的散熱方式還有液冷和相變冷卻，這兩種方式的散熱效果約為自然冷卻的100～120倍。從結構的復雜性角度和實現的難易程度來看，相比于液冷等散熱方式，強制風冷散熱系統更簡單、更易實現、可靠性更高。因此，對功率稍大的組串式逆變器都采用強制風冷的散熱方式。

組串式逆變器的散熱方式主要有自然冷卻和強制風冷。在同樣的環境溫度下，強制風冷的逆變器，其內部核心器件溫升比自然冷卻的逆變器低約20℃。強制風冷的散熱性能更優，可以適應更加嚴苛的外界環境，保證發電量，實際使用壽命更有保障。對于強制風冷型逆變器，風扇防護等級一般只能達到IP54或IP55，導致整個系統達不到IP65的防護等級。在惡劣的工作環境下，風扇的維護難度加大，維護成本增加，系統的可靠性降低。文獻[20]提出在結溫波動幅度最大時，加快風扇的轉速，使得結溫波動變小，但高速運行可能會降低風扇自身的可靠性；文獻[21]采用空氣冷板以及強迫風冷技術設計逆變器散熱，采用鋁材散熱器對風道布置進行特殊設計，提高了散熱效率，但同時也增加了散熱成本。被動散熱方式的自然對流散熱，常采用熱隔離、灌膠散熱、一體式散熱片等自然散熱方式。散熱片是散熱模塊最重要的部件，其作用是將內部熱量傳遞給空氣，利用空氣流動帶走系統熱量。自然散熱具有穩定性好、可靠性高、無噪聲、免維護、無功耗、無運動件等諸多優點。

根據不同功率，國內外主流逆變器散熱方式的選擇如表2-4所示。

由上述可知，散熱方式主要根據逆變器的功率大小進行選擇。當功率小于20kW時，采用自然冷卻可實現產品綜合性能與體積、質量的最優匹配；當功率為20～25kW時，根據實際情況與需求采用自然冷卻或強制風冷；當功率大于25kW時，散熱熱流密度較大，采用強制風冷更經濟、更高效、更實用。

對于單相小型逆變器，其整體散熱結構主要采用以下方式：

（1）采用分層設計。例如，一款科士達的小型逆變器，其內部集成電路板有五層，越靠近下部，散熱片溫度越高。這樣設計可以緩解逆變器內部的散熱，缺點是造成了逆變器設計結構較復雜，體積較大。

（2）采用電感灌膠技術。以最佳灌膠原料配比，提高導熱系數，有助于熱量散出。

（3）把電感大功率器件埋入散熱片中。將電感大功率器件及升壓電感安裝在背部散熱片處，加快高溫元件散熱。

（4）在對角線上安裝對流風扇。主要目的是為了使逆變器內部熱量均勻，防止出現高溫熱點。

2.內部元器件的工作溫度

逆變器的核心器件對溫度變化較為敏感，當溫度過高時會導致功率開關性能降低甚至使其損壞，影響發電效率，最終導致器件壽命降低。逆變器內部元器件的溫度隨外部環境條件的變化而變化。外部環境溫度和當地輻照條件會導致逆變器內部核心元器件工作溫度發生改變，影響整體性能。逆變器散熱方案的優劣決定著產品的性能和質量。對風扇和散熱片等各種散熱設備的研發和優化，是減輕功率元器件溫度升高的有效途徑。

一般來說，光伏并網用逆變器沒有并聯冗余。這意味著任何一個元器件的故障都會導致整個逆變器的故障。電容器對溫度非常敏感，通常由大電流引起的電容器工作溫度大于規定的溫度，可能會縮短太陽電池組件的使用壽命。但是，由于電解質在較高溫度下蒸發較快，所以當電容器運行在正常工作溫度以下時，電容器壽命會延長。對于大功率元器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等，如果器件持續工作在高溫或大電流條件下，那么其產生的損耗將引起溫度迅速上升。由于芯片的熱容量小，若溫度超過本征硅溫度，元器件將失去阻斷能力，使柵極控制保護失效，導致IGBT損壞。對于常規大功率元器件而言，一般最高允許的溫度為125℃左右。

相關數據顯示，在太陽輻照度較大的中午，光伏系統整體發電量反而降低。產生這一現象的原因主要有兩方面：一方面是中午外部環境溫度升高，導致太陽電池組件和逆變器工作性能降低；另一方面是隨著太陽輻照度增強，輸入逆變器的負載率加大，超出了最佳工作負載點，在高溫、高負載下逆變器會出現自動降額。特別是在光伏系統超配的情況下，逆變器額定功率就略小于太陽電池組件的額定功率，在太陽輻照度較大時，輸入逆變器的功率不斷變大；若此時外部環境溫度也很高，逆變器便會因高溫保護而自動降額，使發電效率大幅下降。

3.降額設計

對于每一臺逆變器，都有降額設計。降額設計是指使元器件在使用中所承受的工作應力低于規定的額定值，從而降低元器件的基本失效率，達到提高可靠性的目的。合理地選擇降額系數及應力水平，可以大幅度提高逆變器的可靠性。通常，降額設計分為3個等級：Ⅰ級為最大降額，適用于設備遭受巨大故障導致安全問題或者造成較大經濟損失的情況，此時降額程度最大；Ⅱ級為中等降額，適用于發生的故障會使所需完成的任務降級和增加不合理維修費用的情況；Ⅲ級降額最小，適用于設備故障對完成任務有較小影響的情況，也是最易設計的降額情況。降額設計主要考慮的是電應力和溫度應力。當內部環境溫度過高時，逆變器就必須考慮降額。逆變器一般都會設計為大于45℃時降額運行。對電流與溫度的降低必須限制在一個合理的降額范圍之內。合理的降額范圍可以顯著提高逆變器的可靠性。降額程度過大對于可靠性的提高并無太大作用，還會由于降額過多，造成整體效率低下。因此，在降額設計時，必須掌握元器件的失效規律，保證元器件的失效模型和失效機理不變，合理選擇降額等級。

2.2.5　逆變器轉換效率計算

逆變器的整機轉換效率是指輸入逆變器的直流功率與轉換后的交流輸出功率的比值，即輸入逆變器的直流功率與通過逆變后再經濾波傳輸到電網的交流輸出功率的一個比值。由于逆變器內部的元器件都需要消耗能量，逆變器的轉換效率一定小于1。整機瞬時轉換效率的數學公式如下：

工信部發布的《光伏制造行業規范條件（2018年本）》明確規定：含變壓器型的光伏逆變器中國加權效率不得低于96%；不含變壓器型的光伏逆變器中國加權效率不得低于98%（單相二級拓撲結構的光伏逆變器相關指標分別不低于94.5%和96.8%）；微型逆變器相關指標分別不低于94.3%和95.5%。根據國家檢測標準，在高溫40℃環境下，逆變器應該正常工作，最大功率轉換效率不應低于96%[22]。

以下為歐洲、美國加利福尼亞州和我國使用的效率計算公式。

1.歐洲使用的效率計算公式

選取德國慕尼黑地區一年的輻照度數據，針對歐洲效率的分擋區間，統計不同區間的年累計發電量。在此基礎上，計算出每段功率擋上的年總發電量的權重占比。最終確定歐洲使用的效率權重取值，得出計算公式：

2.美國加利福尼亞州使用的效率計算公式

美國加利福尼亞州使用的效率是由美國加利福尼亞州能源協會選取美國洛杉磯地區與達拉斯地區一年的輻照度，使用與歐洲效率相同原則求算的效率，其計算公式如下：

3.我國使用的效率計算公式

按照國家標準GB/T 31155—2014，我國太陽能資源區分為四類。每一類地區中選取代表性地區統計不同功率區間的年累計發電量，根據歐洲使用的效率計算以及美國加利福尼亞州使用的效率取點的原則，分為7擋，計算出每段功率擋上的年發電量的權重占比，具體情況見表2-5。