CAT ID: 2800 太陽能發(fā)電目前是全球最有投資前景的熱點(diǎn)市場之一。歐盟目前是全球光伏發(fā)電量最大的地區(qū)。在2008年，這個(gè)區(qū)域占全球光伏發(fā)電量的80%。歐盟預(yù)計(jì)在2020年，太陽能光伏發(fā)電將占?xì)W盟總發(fā)電量的12%。日本也是太陽能發(fā)電的強(qiáng)國，一般家庭都可以使用太陽能光伏裝置發(fā)電。到2020年，日本的太陽能發(fā)電量將會(huì)達(dá)到2005年的20倍左右；到2030年，將達(dá)到40倍左右。美國奧巴馬政府則出臺(tái)一系列鼓勵(lì)發(fā)展新能源的政策，計(jì)劃到2025年要使可再生能源發(fā)電量占到電力供應(yīng)總量的25%。 中國也不例外，中國政府近年內(nèi)也出臺(tái)了一系列發(fā)展可再生能源的政策，其中以《關(guān)于實(shí)施金太陽示范工程的通知》最為引人注目。該通知重點(diǎn)內(nèi)容就是要大力支持用戶側(cè)并網(wǎng)光伏發(fā)電、獨(dú)立光伏發(fā)電、大型并網(wǎng)光伏發(fā)電等示范項(xiàng)目建設(shè)，以及硅材料提純、并網(wǎng)運(yùn)行等光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和相關(guān)基礎(chǔ)能力建設(shè)。 專家估計(jì)，中國可再生能源發(fā)電所占的比重在2020年將占中國總發(fā)電量的15%，其中并網(wǎng)光伏發(fā)電將達(dá)到2000萬千瓦，而目前全中國的太陽能裝機(jī)容量約30萬千瓦，其間蘊(yùn)含的巨大商機(jī)不言而喻。

英飛凌家電及工業(yè)功率器件市場經(jīng)理陳子穎m1nesmc

太陽能逆變器是關(guān)鍵 太陽能逆變器是太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的電子組件，其主要功能是將收集到的可變直流電壓輸入轉(zhuǎn)變?yōu)闊o干擾的交流正弦波輸出，既可供設(shè)備使用，也可反饋給電網(wǎng)。其它組件包括光伏(PV)面板陣列、蓄電池、局域配電系統(tǒng)和變壓器。 英飛凌科技(中國)公司家電及工業(yè)功率器件市場經(jīng)理陳子穎認(rèn)為，中國目前主要發(fā)展的是中大功率太陽能發(fā)電系統(tǒng)，金太陽示范工程財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法規(guī)定，單個(gè)項(xiàng)目裝機(jī)容量不低于300kWp。他說：“隨著單機(jī)功率增大，太陽能逆變器受技術(shù)和器件限制，電路形式就比較單一，主要還是三相逆變橋?！? 飛思卡爾MCU部資深產(chǎn)品經(jīng)理張明峰也表示，目前大型太陽能發(fā)電站均采用三相逆變器。他說：“通過低頻變壓器進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，可以是低壓并網(wǎng)，變壓器僅作為電氣隔離裝置；也可以是中高壓并網(wǎng)，變壓器作為升壓和電氣隔離裝置?！? 一般來講，大型光伏發(fā)電的發(fā)電功率較大，從幾百千瓦到幾個(gè)兆瓦。而在家用型太陽能發(fā)電市場上，戶用小型太陽能發(fā)電站則主要采用幾百瓦到幾千瓦功率級(jí)別的單相逆變器。 目前，家用型太陽能逆變器較常采用的智能控制芯片供應(yīng)商包括TI、飛思卡爾、NSC、Microchip和英飛凌等，功率器件供應(yīng)商包括IR、英飛凌、ST、飛兆、東芝、Vishay和Mitsubishi等。 實(shí)際上，除了實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換之外，逆變器還能執(zhí)行其它功能。如將電路斷開、避免電路因電流突波而損壞，此外，還能為電池充電、對數(shù)據(jù)的使用和性能進(jìn)行存儲(chǔ)，以及跟蹤最大功率點(diǎn)(MPPT)等，以盡可能提高發(fā)電的效率。 “提高中大功率太陽能發(fā)電系統(tǒng)能源效率，逆變器是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是保證太陽能轉(zhuǎn)換效率和投資回報(bào)的關(guān)鍵因素?！标愖臃f特別強(qiáng)調(diào)。

飛思卡爾MCU部資深產(chǎn)品經(jīng)理張明峰m1nesmc

隨著實(shí)際應(yīng)用的愈來愈普遍，太陽能逆變器也開始不斷面臨諸如并網(wǎng)性能、電磁兼容、保護(hù)功能等各類新的技術(shù)挑戰(zhàn)?！皩δ孀兤鞑⒕W(wǎng)性能的要求，就是要提高并網(wǎng)效率、減少并網(wǎng)電流諧波、確保輸出功率因數(shù)和消除直流分量；電磁兼容方面，則是要控制電壓波動(dòng)和閃爍、減少電磁輻射并提高抗擾度?！睆埫鞣逯赋觯岸鴮τ谀孀兤鞯谋Ｗo(hù)功能要求，即是指電網(wǎng)故障保護(hù)(防孤島檢測)、防反放電保護(hù)、極性反接保護(hù)和過載保護(hù)等?！? “傳統(tǒng)的太陽能系統(tǒng)有其結(jié)構(gòu)性的缺陷，以致系統(tǒng)性能無法得到充分發(fā)揮，而且系統(tǒng)的使用時(shí)間越長，效率便越低，這些缺點(diǎn)限制了太陽能系統(tǒng)的市場發(fā)展，令太陽能系統(tǒng)無法普及起來?！盢SC亞太區(qū)核心市場業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)張耀強(qiáng)一針見血地指出，太陽能系統(tǒng)面對的最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化逆變器性能。

NSC亞太區(qū)核心市場業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)張耀強(qiáng)m1nesmc

市電和太陽能逆變器進(jìn)行切換時(shí)，會(huì)帶來諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。張明峰表示，要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與逆變器間的快速、平滑切換，需要解決以下幾個(gè)問題：一是逆變器的輸出始終與電網(wǎng)保持同步；二是切換開關(guān)裝置安全可靠；三是切換條件的快速和準(zhǔn)確的檢測。 針對這些問題，張明峰認(rèn)為，基于現(xiàn)有的半導(dǎo)體芯片技術(shù)，可以采用高性能的MCU或DSC芯片來進(jìn)行控制，使用軟件鎖相技術(shù)來同步電網(wǎng)與逆變器的輸出，快速和高精度的片內(nèi)ADC實(shí)時(shí)檢測并網(wǎng)電壓和電流，并根據(jù)檢測結(jié)果智能地判斷切換條件；此外，切換開關(guān)裝置可以采用電子開關(guān)(晶閘管)或電磁接觸開關(guān)(繼電器或接觸器)來實(shí)現(xiàn)。 太陽能逆變器供應(yīng)商 近年來，太陽能逆變器廠商數(shù)量增長很快，已成為兵家必爭之地。知名的供應(yīng)商基本集中在起步較早的歐美日地區(qū)，例如美國的Power-one、Emerson，加拿大的Xantrex，德國的SMA、KACO，意大利的Frouis、日本的Sanyo和Mitsubishi。此外，近幾年來中國本土太陽能逆變器廠商也獲得了超快速發(fā)展，表現(xiàn)不錯(cuò)。張明峰強(qiáng)調(diào)，“中國本土的龍頭供應(yīng)商合肥陽光應(yīng)該是產(chǎn)品最全，中國企業(yè)市場占有率最大的一家?！? 不過，由于市場啟動(dòng)時(shí)間較晚，因此本土供應(yīng)商在技術(shù)上與國外一流廠商存在一定水平差距。如高頻逆變器技術(shù)，國內(nèi)產(chǎn)品僅能在小功率型號(hào)上使用，且大多為離線產(chǎn)品；再例如大功率逆變器技術(shù)，目前國內(nèi)很少有企業(yè)能開發(fā)出百千瓦級(jí)以上的產(chǎn)品；雙向逆變器技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)中僅有陽光電源有類似的產(chǎn)品；此外，還有模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，以及性能穩(wěn)定性等等關(guān)鍵性技術(shù)，本土供應(yīng)商都存在明顯差距。 ［轉(zhuǎn)下一頁：如何提高光伏發(fā)電效率？］

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{pagination} 雖然目前國內(nèi)還沒有形成太陽能發(fā)電市場規(guī)模，本土供應(yīng)商起步較晚，并且產(chǎn)品主要依靠出口歐美日韓市場，但從長期發(fā)展來看，本土供應(yīng)商存在很大的市場機(jī)會(huì)。張明峰指出，這主要取決于低廉的生產(chǎn)成本，研發(fā)水平的提高，本地的技術(shù)支持和維護(hù)，以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈的整合等關(guān)鍵因素。 如何提高光伏發(fā)電效率？ 由于各國政府推出激勵(lì)政策和傳統(tǒng)電力成本的不斷攀升，越來越多的家庭開始注意太陽能，并在屋頂安裝光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資回報(bào)取決于該系統(tǒng)每年的發(fā)電量，因此用戶需要的光伏系統(tǒng)必須具備高效、可靠和易于維護(hù)等特性，從而可以獲得最大限度的發(fā)電量。 “很多安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶已經(jīng)意識(shí)到部分或間歇性的遮蔽會(huì)影響到系統(tǒng)的發(fā)電量?！盢SC歐洲區(qū)電源管理產(chǎn)品部資深應(yīng)用技術(shù)工程師Michele Sclocchi在關(guān)于SolarMagic技術(shù)如何提高太陽能光伏系統(tǒng)的效率的技術(shù)文章中表示，并進(jìn)一步分析了太陽能光伏系統(tǒng)由于部分電池板受到遮蔽而產(chǎn)生發(fā)電量下降的問題。他認(rèn)為，當(dāng)樹木、煙囪或其他物體投射的陰影遮擋住光伏系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)造成“失配”問題。即使光伏系統(tǒng)只受到一點(diǎn)點(diǎn)陰影的遮擋都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量的大幅下跌。

NSC歐洲區(qū)電源管理產(chǎn)品部資深應(yīng)用技術(shù)工程師Michele Sclocchim1nesmc

為了使陣列中每一個(gè)太陽能光伏電池板的電力輸出都達(dá)到最大值，NSC開發(fā)了SolarMagic技術(shù)。通過該技術(shù)，即使陣列中其他電池板出現(xiàn)失配問題時(shí)，每塊電池板仍然能輸出最大的電力。SolarMagic技術(shù)運(yùn)用高級(jí)算法和先進(jìn)的混合信號(hào)技術(shù)能夠監(jiān)控并優(yōu)化每塊太陽能光伏電池板的產(chǎn)能，因而能夠補(bǔ)償高達(dá)50%的因失配問題而產(chǎn)生的發(fā)電量損失。SolarMagic電源優(yōu)化器可快速、輕松地安裝在傳統(tǒng)太陽能光伏系統(tǒng)中。 “通過使用分布式MPPT控制則可以減輕遮蔽對系統(tǒng)的不利影響?！盡ichele Sclocchi表示。最大功率追蹤技術(shù)(MPPT)透過自動(dòng)調(diào)整太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出電路，可補(bǔ)償太陽能強(qiáng)度、陰影、溫度變化、太陽能面板不匹配或老化等可變因素所引起的功率損耗。 分布式最大功率追蹤(DMPPT)功能，可以單獨(dú)補(bǔ)償每塊面板的輸出；而集中式MPPT技術(shù)則是對在數(shù)組內(nèi)的全部面板施行“最適合”的補(bǔ)償功能。由于不受相鄰模塊性能的影響，即便有一個(gè)模塊失效，每塊太陽能面板的輸出功率仍可最大化，因此DMPPT是提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)能源生產(chǎn)率最有前景的技術(shù)。

SPV1020用一顆單芯片即可取代離散組件網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。m1nesmc

ST整合功率最優(yōu)化和功率轉(zhuǎn)換功能的太陽能發(fā)電系統(tǒng)IC SPV1020，使得從家用屋頂型太陽能發(fā)電系統(tǒng)到大型工業(yè)設(shè)備的多重面板數(shù)組，都能以更低的每瓦成本實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出。DMPPT功能通常需要在數(shù)組內(nèi)的每一塊面板上建立一個(gè)離散組件網(wǎng)絡(luò)。SPV1020用一顆單芯片即可取代這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并整合DC/DC轉(zhuǎn)換器，將面板的低壓DC輸出提高到電線級(jí)AC電源產(chǎn)生的更高DC電壓水平。 但是，對于一些廉價(jià)的控制器來說，執(zhí)行MPPT算法會(huì)是一項(xiàng)難以完成的任務(wù)。因?yàn)?，除MCU的正常控制功能以外，算法還要求這些控制器擁有高性能的計(jì)算能力?！跋冗M(jìn)的32位實(shí)時(shí)微控制器適用于眾多太陽能應(yīng)用?！盩I的Yu, Z.和Ogboenyira, K.表示，“TI C2000平臺(tái)中的一些微控制器可以滿足此要求?！? 飛思卡爾針對太陽能發(fā)電應(yīng)用也提供了系列齊全的8/16/32位MCU和16位DSC產(chǎn)品作為不同產(chǎn)品和系統(tǒng)的控制或算法核心。張明峰指出，特別是其小型化低成本的16位DSC產(chǎn)品DSP56F8000系列，由于其集合了MCU的強(qiáng)大控制能力和DSP的高速運(yùn)算能力于一身，特別適用于中小功率分布式太陽能逆變發(fā)電模塊的設(shè)計(jì)，并已經(jīng)在此類很多產(chǎn)品中得到廣泛驗(yàn)證。其低端32位帶眾多通訊接口模塊的處理器，也被大量應(yīng)用到整個(gè)分布式逆變網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理和監(jiān)控中。 新一代功率器件的進(jìn)步也大大提高了整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率和可靠性。英飛凌為太陽能應(yīng)用開發(fā)了一系列產(chǎn)品，如大功率三電平模塊Easy和Econo4系列，產(chǎn)品范圍50A～300A 650V；高速IGBT和碳化硅二極管 PrimePACK模塊，規(guī)格為600A 1200V。陳子穎介紹，這些功率器件有助于推動(dòng)100KW以上的太陽能逆變器效率達(dá)到一個(gè)更高的水平。此外，英飛凌的構(gòu)槽柵場終止技術(shù)FieldStop IGBT、CoolMOS、碳化硅二極管SiC在高能效的太陽能逆變器也有出色的表現(xiàn)。 ［轉(zhuǎn)下一頁：光伏發(fā)電系統(tǒng)不匹配問題解決方法］

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{pagination} 國際整流器公司(IR)也是太陽能技術(shù)的先驅(qū)。IR戰(zhàn)略市場開發(fā)副總裁Alberto Guerra介紹道，早在60年代初期，IR生產(chǎn)的太陽能電池片便用于首個(gè)衛(wèi)星之上，甚至用來驅(qū)動(dòng)首輛太陽能電動(dòng)汽車。時(shí)至今日，IR為太陽能業(yè)界提供多元化的功率管理產(chǎn)品，特別是家用、商用及公用業(yè)務(wù)級(jí)別應(yīng)用的串式逆變器。IR MOSFET及IGBT技術(shù)發(fā)揮了先進(jìn)的效能，可用于不同的太陽能逆變器拓樸，如單相和三相的設(shè)計(jì)，幫助系統(tǒng)減低功率耗散。IR的IGBT產(chǎn)品能夠全面照顧以上各種樸拓的性能要求，功率范圍覆蓋5KW至30KW及以上，電壓范圍在600V至1200V。 光伏發(fā)電系統(tǒng)不匹配問題解決方法 影響系統(tǒng)發(fā)電量的因素很多，包括內(nèi)部電池模塊間互連、模塊定向、光伏電池組間的串并聯(lián)問題以及逆變器的配置等。NSC的Michele Sclocchi通過不同的案例研究和現(xiàn)場測試證明，部分遮蔽對光伏系統(tǒng)的發(fā)電量具有嚴(yán)重的影響。當(dāng)光伏系統(tǒng)部分被遮蔽時(shí)，未被遮蔽的電池中的電流流經(jīng)被遮蔽部分的旁路二極管，發(fā)生電力失配情況。 “如果能夠充分利用那些部分時(shí)段會(huì)受陰影遮蔽的的屋頂空間(例如在護(hù)墻附近，或者在屋頂?shù)囊恍C(jī)械設(shè)備的四周)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)的安裝率可以增加10%到20%?！泵绹鴩野雽?dǎo)體的Ralf J. Muenster和Aaron R. Thurlow在其技術(shù)文章中提出了分布式電源優(yōu)化的解決方案。

采用電源優(yōu)化器的DMPPT技術(shù)并連接電網(wǎng)的逆變器
來源：美國美國國家半導(dǎo)體公司m1nesmc

在采用電源優(yōu)化器技術(shù)和分布式最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的光伏系統(tǒng)電池板陣列(見附圖)中，每個(gè)電池板連接了一個(gè)電源優(yōu)化器裝置。電源優(yōu)化器進(jìn)行雙重跟蹤：一方面，它們跟蹤最佳的局部最大功率點(diǎn)；另一方面，它們將輸入電壓/電流轉(zhuǎn)換為不同的輸出電壓/電流，以最大限度提高系統(tǒng)中的能源傳輸。電源優(yōu)化器以間接的方式互相連通。它們具有認(rèn)知和自行組織能力，可以檢測自己的電流與電壓環(huán)境并自行調(diào)整，直到整串電池板達(dá)到最佳值，同時(shí)在電池板級(jí)別達(dá)到局部最優(yōu)點(diǎn)。目前，只有SolarMagic電源優(yōu)化器能做到這一點(diǎn)。 電源優(yōu)化器保留了久經(jīng)驗(yàn)證的串聯(lián)電池板排列方式，并通過只將直流/直流和最大功率點(diǎn)跟蹤功能分布到電池板來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)。與此同時(shí)，電源優(yōu)化器架構(gòu)與現(xiàn)有的多級(jí)逆變器完美兼容，實(shí)際上將使它們能夠更高效地運(yùn)行，因?yàn)榭偩€電壓可保持更高水平且更恒定。電源優(yōu)化器不只限于提升直流/直流轉(zhuǎn)換器的性能，它們既能處理多余能源的情況，也能處理能源減少的情況。這就意味著因反射而增加的輻照(與遮蔽陰影相反的不匹配問題)也可被利用來增加產(chǎn)能。同樣，這也意味著電源優(yōu)化器有能力處理功率變化，方法是給某個(gè)串列添加電池板(使該串列產(chǎn)生更多的電量)或從某個(gè)串列減少一塊或兩塊電池板(從而減少電量)。因此安裝人員能夠設(shè)計(jì)串列長度不同的系統(tǒng)，使陣列應(yīng)用更為靈活。電源優(yōu)化器在其他方面也有助于提高靈活性，例如在同一個(gè)串列中安裝不同類型的模塊，或者采用不同的模塊安裝方向。電源優(yōu)化器架構(gòu)使系統(tǒng)能夠收獲最多的電能。

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