逆变器如何提升效率 提高发电量？

光伏逆变器是光伏系统的核心设备，主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成符合电网要求的交流电。但实际上逆变器不仅仅是逆变，而是光伏电站的安全管家，逆变器还承担着光伏方阵和电网的监测和保护，对外界环境防护和人机交互等系统级功能。

在光伏行业标准NB32004-2013中，逆变器有100多个严格的技术参数，每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查，对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。

一款全新的逆变器，从开发到量产，要两年多时间才能出来，除了过欠电压保护等功能外，逆变器还有很多鲜为人知的黑科技，如漏电流控制、热设计、电磁兼容、谐波抑制，效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

本文主要介绍逆变器如何提升效率

逆变器的效率直接关系到系统的发电量，因此是客户高度关注的一个重要指标。

2018年1月，工信部发布的《光伏制造行业规范条件》要求：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%。这个标准不算高，是入门级的，大部分厂家都可以达到。而效率的不断提升，是逆变器生产厂家一直追求的目标，集中式逆变器的效率，2010年平均约96%，2018年上升到99%，“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%”，可能是单相含变压器效率不低于94.5%，不含变压器效率不低于96%，组串式的逆变器大部分不含变压器， 单相中国效率可以达到98%。

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逆变器转换效率的重要性

提高逆变器的转换效率有很大的重要性。比如我们提高1%的转换效率，500KW的逆变器，平均每天算4小时，逆变器每天可以多发出将近20度电，那么一年既可以多发出将近7300度电，十年即可多发出73000度电。这样就相当于一台5KW逆变器的发电量。这样客户可以节省一台5KW逆变器的电站。所以为了提高客户的最大利益，我们需要尽可能的提高逆变器的转换效率。

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逆变器效率的影响因素

提高逆变器效率唯一的措施就是降低损耗，逆变器的主要损耗来自于IGBT、MOSFET等功率开关管，以及变压器、电感等磁性器件。损耗和元器件的电流，电压以及选用的材料采取的工艺有关系。

IGBT的损耗主要有导通损耗和开关损耗，其中导通损耗和器件内阻、经过的电流有关，开关损耗和器件的开关频率，器件承受的直流电压有关。

电感的损耗主要有铜损和铁损，铜损指电感线圈电阻所引起的损耗，当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗，由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损，铜损可以通过测量变压器短路阻抗来计算。铁损包括两个方面：一是磁滞损耗，另一是涡流损耗，铁损可以通过测量变压器空载电流来计算。

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如何提升逆变器效率

目前有三种技术路线：一是采用空间矢量脉宽调制等控制方式，降低损耗，二是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的内阻，三是采用三电平，五电平等多电平电气拓扑以及软开关技术，降低功率器件两端的电压，降低功率器件的开关频率。

电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)

是一种全数字控制方式，具有直流电压利用率高，易于控制等的优点，被广泛应用逆变器中。直流电压利用率高，可以在相同大小的输出电压下，采用更低的直流母线电压，从而降低了功率开关器件的电压应力，器件上的开关损耗更小，逆变器的变换效率得到了一定的提升。在空间矢量合成中，有多种矢量序列组合方法，通过不同的组合和排序，可以获得减小功率器件开关次数的效果，从而能够进一步减小逆变器功率器件的开关损耗。

采用碳化硅材料的元器件碳化硅器件的单位面积的阻抗仅为硅器件的百分之一。利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件，其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一，碳化硅技术可以有效减小二极管反向恢复电流，从而能降低功率器件上的开关损耗，主开关所需的电流容量也能相应减小。因此，将碳化硅二极管作为主开关的反并二极管，是改善逆变器效率的途径。与传统快恢复硅反并联二极管相比，采用碳化硅反并联二极管后，二极管反向恢复电流显著减小，并可以改善1%的总变换效率。采用快速IGBT后，由于开关速度加快，并能改善2%整机变换效率。当把SiC反并二极管与快速IGBT相结合后，逆变器的效率将进一步改善。

软开关与多电平技术

软开关技术利用谐振原理，使开关器件中的电流或者电压按正弦或者准正弦规律变化，当电流自然过零时，关断器件;当电压自然过零时，开通器件。从而减少了开关损耗，同时极大地解决了感性关断，容性开通等问题。当开关管两端的电压或流过开关管的电流为零时才导通或者关断，这样开关管不会存在开关损耗。三电平逆变器拓扑主要应用在于高压大功率场合。与传统两电平结构相比，三电平逆变器输出增加了零电平，功率器件的电压应力减半。因为这个优点，在相同的开关频率下，三电平逆变器可以比两电平结构采用更小的输出滤波电感，电感损耗、成本和体积都能有效减小;而在相同的输出谐波含量下，三电平逆变器可以比两电平结构采用更低的开关频率，器件开关损耗更小，逆变器的变换效率得到提高。

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总结

光伏行业不能一味依赖政府补贴，要实现平价上网才有可能发展。要实现这个目标，一是要降低成本，二是要提高发电量收益。当前光伏行业各个产业链，包括组件和逆变器厂家都在不遗余力地努力。为了提高收益，从系统层面看，需要优化系统设计，从设备层面看需要提高各部件的效率。光伏组件效率提升0.1%的背后是无数汗水和无数的创新，同样的道理也适用于逆变器。逆变器效率每提高0.1个百分点，背后都隐含着研发人员大量努力的工作。

文章作者：刘继茂