隨著全球?qū)τ谔贾泻皖惸茉垂?yīng)的追求，可再生能源來源在全球范圍內(nèi)變得愈加重要。其中光伏能源在這一背景下也格外突出。在最近幾年內(nèi)，光伏平準(zhǔn)化能源成本與傳統(tǒng)能源形式相比出現(xiàn)大幅下降[1]。作為光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，在忽略功率范圍的條件下，太陽能發(fā)電的效與可靠性實(shí)際上是由光伏逆變器的特性來決定的。由于成本壓力的不斷加大，增加了對新一代光伏逆變器產(chǎn)品的需求，新產(chǎn)品不僅需要具有技術(shù)創(chuàng)新與可靠性，同時(shí)還要在成本優(yōu)化和智能操作方面起到關(guān)鍵作用。

功率密度

功率密度和功重比已經(jīng)在上個(gè)世紀(jì)九十年代逆變器產(chǎn)品發(fā)展之初起到了重要的作用。過去的幾十年已經(jīng)通過使用變壓器消除電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和增添半導(dǎo)體新技術(shù)獲得了角度的技術(shù)發(fā)展。不僅效率提升至幾近99%的理論極限值[2]，同時(shí)其功率密度和功重比也得到了大幅提高。

最新的半導(dǎo)體技術(shù)的引入大幅提升了功率密度，特別是在光伏逆變器領(lǐng)域。碳化硅半導(dǎo)體的引入實(shí)現(xiàn)了更高的交換頻率，從而大幅減少了如電感器等無源零部件的使用(參見圖一)。

 　圖一：逆變器重量/容量削減示例。圖片來源：Fraunhofer ISE 

　　圖二：碳化硅半導(dǎo)體市場規(guī)模。圖片來源：IHS

　　圖三：使用了SiC-MOSFET系統(tǒng)的1MW緊湊電池逆變器模塊展示樣機(jī)。圖片來源：Fraunhofer ISE

　　圖四：PV-Pack中配有新式冷卻理念的70kVA光伏逆變器

由于寬帶隙半導(dǎo)體產(chǎn)品市場滲透率的提高，SiC-MOSFET(碳化硅-金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)管)在光伏逆變器上的應(yīng)用也不斷增加。寬帶隙半導(dǎo)體可使得設(shè)備能夠在與傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體更高的電壓、頻率和溫度下運(yùn)行。硅基IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)與SiC Schottky(碳化硅肖特基)二極管在被稱作混合功率組件中的結(jié)合已經(jīng)成為商業(yè)化逆變器內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)。由于運(yùn)輸領(lǐng)域的電氣化進(jìn)程及其帶來的半導(dǎo)體產(chǎn)品在光伏行業(yè)之外的大規(guī)模市場(參加圖二)，可以假定，碳化硅半導(dǎo)體的價(jià)格將在未來幾年內(nèi)持續(xù)下降。在運(yùn)輸領(lǐng)域，功率密度或功重比所具有的重要性要遠(yuǎn)高于光伏領(lǐng)域。所減少的每公斤重量都將提高電動(dòng)汽車的運(yùn)行里程。因此，碳化硅技術(shù)將在未來幾年內(nèi)成為光伏逆變器領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)。在光伏逆變器領(lǐng)域內(nèi)，已有首批制造商推出了完全基于碳化硅技術(shù)的設(shè)備。

氮化鎵(GaN)等半導(dǎo)體技術(shù)目前仍舊主導(dǎo)著消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場，并逐步被電力電子市場所關(guān)注。通過在兆赫范圍內(nèi)提高交換頻率，重量與容量，以及相關(guān)的材料成本將得到進(jìn)一步下降。與碳化硅半導(dǎo)體不同，后者在商用領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1700V的反向電壓，商用氮化鎵半導(dǎo)體的最高反向電壓僅為650V，其最大電流為60A，反過來也阻礙了功率等級的可擴(kuò)展性。由于較高的價(jià)格和較低的反向電壓，氮化鎵半導(dǎo)體仍舊主要用于對小規(guī)模電力電子設(shè)備(<5kw)的研究項(xiàng)目中。該技術(shù)未來的一個(gè)挑戰(zhàn)是針對并聯(lián)方式改善氮化鎵半導(dǎo)體，以覆蓋更高的功率范圍等級。氮化鎵半導(dǎo)體較高的交換頻率將需要額外的創(chuàng)新式、內(nèi)外電磁兼容(emc)設(shè)備理念，并同時(shí)兼容現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。

光伏逆變器可基本上被分為兩類。一類是功率范圍在125kW左右的組串式逆變器，另一類是功率從幾百千瓦至兆瓦級別的集中式逆變器。在組串式逆變器中，多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)奠定了其先進(jìn)的技術(shù)地位。大量相關(guān)電壓等級的引入使得輸出濾波器中的無源元件數(shù)量進(jìn)一步減少，同時(shí)，新式半導(dǎo)體還使得交換頻率得到提高。然而，多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電壓等級數(shù)量的增加同時(shí)也具有缺陷，其操作運(yùn)行涉及了大量額外電路與控制技術(shù)。所謂的三級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在復(fù)雜性與功率密度之間實(shí)現(xiàn)較好的妥協(xié)。多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與最新一代半導(dǎo)體產(chǎn)品的結(jié)合，在加上較高的交換頻率，不僅將繼續(xù)應(yīng)用在組串式逆變器領(lǐng)域中，同時(shí)還將不斷增加自身在集中式逆變器領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

對于集中式逆變器來說，其發(fā)展趨勢明顯傾向于朝著更高功率和輸入電壓的方向發(fā)展。所開展的相關(guān)研究項(xiàng)目也致力于憑借半導(dǎo)體技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念來大幅縮減集中式逆變器的產(chǎn)品尺寸(參見圖三) [3]。

提高功重比

光伏逆變器的成本明細(xì)表明，實(shí)際的電力電子器件及相關(guān)半導(dǎo)體及其控制部分僅占總成本的三分之一左右。高達(dá)70%的其他絕大多數(shù)成本與機(jī)械和機(jī)電部件有關(guān)。機(jī)械部件包括外殼(主要由壓鑄鋁或金屬片組成，具體使用狀況取決于性能等級)、部分集成在外殼結(jié)構(gòu)中的鋁制散熱片和支撐結(jié)構(gòu)。電感器、印刷電路板(PCB)和連接器可配給機(jī)電部件。除了憑借將新型半導(dǎo)體與更高交換頻率相結(jié)合而變得越來越小的電感器之外，在所有其他領(lǐng)域內(nèi)，僅出現(xiàn)了少量技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品，卻對成本做出了重大貢獻(xiàn)。

例如，少數(shù)逆變器制造商已經(jīng)開始使用聚碳酸酯外殼，可有效減少原材料的使用，從而促進(jìn)成本下調(diào)。與外殼和改良后生產(chǎn)流程相關(guān)的新材料組合不僅可以滿足EMC要求，同時(shí)，這些創(chuàng)新還能夠確保在未來具有大規(guī)模的成本下調(diào)潛力。

就冷卻流程而言，研究項(xiàng)目“PV-Pack”[4]近期對被稱為“熱芯”(hot core)的概念進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性研究。該項(xiàng)目的目標(biāo)從其名稱中即可窺見一斑：《光伏套裝：用于10至40kW功率范圍內(nèi)的高效、高速交換、高度集成光伏逆變器的冷卻、包裝和裝配優(yōu)化技術(shù)》(PV Pack: Optimised cooling, packaging and assembly technologies for efficient, fast-switching and highly integrated PV inverters in the 10 to 40 kW power range)。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，包括SMA公司、弗勞恩霍夫制造與應(yīng)用材料研究所(IFAM)、菲尼克斯電氣(Phoenix Contact)和Fraunhofer ISE在內(nèi)的多家資深機(jī)構(gòu)成立相關(guān)聯(lián)盟。憑借散熱片的隔熱性，可以實(shí)現(xiàn)更高的溫度水平，尤其是在與碳化硅半導(dǎo)體相結(jié)合之后，其工作溫度高達(dá)200 ℃，可以更有效地利用散熱片和半導(dǎo)體特性。復(fù)合材料的使用可以進(jìn)一步降低散熱器的材料成本，從而提高功重比。此外，在這一概念中還引入了不同的溫度區(qū)域，這意味著可啟用對溫度要求較低的電子和機(jī)電部件，繼而反過來又對成本產(chǎn)生影響(參見圖四)。

冷卻和外殼的連接是組串式逆變器領(lǐng)域內(nèi)的最新技術(shù)，同時(shí)，其中還包括逆變器的支撐結(jié)構(gòu)。在上述研究項(xiàng)目中，這兩個(gè)部件是完全相互分離的，這又使得支撐結(jié)構(gòu)能夠被分開對待。在未來，多功能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)概念可在此進(jìn)行應(yīng)用，例如集成傳熱機(jī)制或部分導(dǎo)電性等，這樣可以更有效地對安裝空間進(jìn)行利用。

考慮到成本和相關(guān)材料的使用，這一領(lǐng)域內(nèi)仍有相當(dāng)大的優(yōu)化潛力來進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)新。新興的電動(dòng)汽車大眾市場也會(huì)對成本削減潛力產(chǎn)生巨大影響。

然而，要提高功重比，僅僅關(guān)注上述幾點(diǎn)是不夠的。光伏逆變器和相關(guān)的電力電子設(shè)備還需要許多其他部件，這些部件通常是需要單獨(dú)購買的。例如，EMC濾波器、電容器和各類斷路器等都屬于此范圍。未來還應(yīng)該對這些部件進(jìn)行更深入的研究，以確?？蓪?shí)現(xiàn)的功重比增加程度，以及如何實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化。特別是在集中式逆變器領(lǐng)域內(nèi)已存在一段時(shí)間，并引入組串逆變器(>50kW)領(lǐng)域的1500V技術(shù)，可以見到相當(dāng)多數(shù)量的零件和部件尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)銷售以用于增加電壓電阻，特別是對于有組串式逆變器來說，部分相關(guān)部件須按需開發(fā)。

可靠性與智能性

光伏逆變器在電子功率方面的主要失效原因目前集中在功率半導(dǎo)體或電容器上。在未來，必須要么確保增加這兩個(gè)部件的可靠性，要么確保電子功率設(shè)備能夠?qū)δ孀兤骰蜻@兩個(gè)部件的健康狀態(tài)進(jìn)行智能報(bào)告。容錯(cuò)型光伏逆變器還有助于通過各種方式來確保系統(tǒng)服務(wù)，例如：根據(jù)故障類型僅以較低的功率運(yùn)行等。在工業(yè)4.0時(shí)代，為了提高光伏逆變器的內(nèi)部智能程度，目前仍需在監(jiān)控上進(jìn)行一系列創(chuàng)新。對比一下風(fēng)力渦輪機(jī)制造商們的做法就足以知曉這一方式的前景，這些制造商在這一特定發(fā)展線路上已經(jīng)超前許多。

光伏逆變器的通常使用壽命為20年，但必須考慮到這一計(jì)算方式“僅”考慮到了日照時(shí)間。然而近年來，逆變器越來越多地接管了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)所應(yīng)承擔(dān)的各種系統(tǒng)服務(wù)；為了能夠長期提供這些服務(wù)，逆變器的尺寸也必須適合夜間操作。按照規(guī)定，輔助服務(wù)包括各類電網(wǎng)支持方式，例如通過有功功率進(jìn)行頻率支持或通過無功功率進(jìn)行電壓維護(hù)。

由于所使用的控制技術(shù)，大多數(shù)逆變器只能用作電流源，因此僅在有限的范圍內(nèi)有助于電網(wǎng)維護(hù)。然而，由于饋入逆變器對電網(wǎng)的滲透愈來愈高，以及同步發(fā)電機(jī)等“常規(guī)”旋轉(zhuǎn)設(shè)備的替換，未來逆變器自身須能夠確保電網(wǎng)的維護(hù)。

通常，光伏逆變器在并網(wǎng)單元模式下運(yùn)行。由于逆變器的多功能性日益增強(qiáng)，例如具有光伏電力輸入功能和電池連接選項(xiàng)等，這些設(shè)備通常具有兩種操作模式。一種是電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，另一種是孤島運(yùn)行。在電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行模式中，逆變器與電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)頻率同步并向電網(wǎng)輸送電流。因此，源特性為電流源。這種操作模式被稱為“電網(wǎng)饋送”(grid feeding)。然而，在孤島運(yùn)行模式中，孤島電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓和頻率由逆變器形成。源特性是電壓源。電流由所接的負(fù)載決定。這種操作模式被稱為“電網(wǎng)組成”(grid-forming)。

隨著越來越多的逆變器饋入互聯(lián)電網(wǎng)并減少同步發(fā)電機(jī)的使用，通過逆變器控制電網(wǎng)電壓和頻率的需求正在增加。這種在互聯(lián)電網(wǎng)或孤島電網(wǎng)中運(yùn)行的逆變器運(yùn)行模式稱為電網(wǎng)維持(grid-sustaining)。這種操作模式需要復(fù)雜且通用的控制算法，這些算法目前正在開發(fā)中，并且仍僅用于研究目的。在未來，這項(xiàng)功能應(yīng)作為標(biāo)準(zhǔn)功能應(yīng)用在多功能設(shè)備、電池逆變器和光伏逆變器之中，從而使得光伏即使在功率受限的條件下，也能夠?yàn)樗锌稍偕茉垂?yīng)作出相應(yīng)貢獻(xiàn)，以維持電網(wǎng)運(yùn)行。

此外，可再生能源電站不斷發(fā)展的互聯(lián)和數(shù)字化進(jìn)程也將變得越來越重要，特別是在光伏和風(fēng)電發(fā)電量存在波動(dòng)的情況下。通常來說，所產(chǎn)電力并不會(huì)直接在現(xiàn)場消耗掉，而是必須傳輸至所需要的地方。蓄電設(shè)施的額外擴(kuò)張將有助于將生產(chǎn)和消耗緊密結(jié)合在一起。精確獲取和控制電力流動(dòng)至關(guān)重要。為了保證這一點(diǎn)且不會(huì)危及電網(wǎng)穩(wěn)定性，設(shè)備的通信能力在未來將發(fā)揮越來越重要的作用，特別是與上級電網(wǎng)運(yùn)營商之間的通信能力，以優(yōu)化電網(wǎng)中的電力流動(dòng)控制。