为什么叫逆变器?一文读懂光伏逆变器简史

电力电子设备是光伏系统的重要组成部分，不管是并网光伏，还是离网光伏逆变器。本文将介绍光伏逆变器的历史以及它的发展。一路走来，我们甚至会找出为什么它被称为“逆变器”。

1.逆变器是PCE：功率转换设备

现代的太阳能光伏逆变器最简单的形式是电源转换器（Power Change Equipment)，它将太阳能电池板产生的直流电转换为可以并网的交流电。但世界上第一个逆变器却相反：他们将交流电转换为直流电。

Charles S. Bradley于1888年发明了旋转转换器。当时大多数电器和机械都使用直流电源运行，但交流传输迅速成为主导。迫切需要将传输的交流电转换为电器可以使用的直流电。

从19世纪末到20世纪中叶，旋转转换器和电动发电机组完成了这项工作。现在，当我们谈论这种将交流电转换为直流电的电源转换器时，我们通常称它们为“变频器” 。

2. “逆变器”得名从何而来？

1925年工程师大卫*普林斯首次使用“逆变器”一词。他在GE Review上发表了一篇文章，其中写道：

“作者把整流电路倒过来，一端通直流电，另一端输出交流电”

因此，太阳能光伏逆变器被称之为“逆变器”，它“反转”了整流器的操作。

3.从机械设备到电力电子

到1950年代，逆变器从机械设备转变为带有固态电路的设备，从而引出了一个名为“电力电子”的新工程领域。

普通电子产品由不起眼的晶体管主导，对于大多数逆变器应用来说，它的电压和电流额定值不足。电力电子使用一种称为晶闸管或SCR （可控硅整流器）的大功率晶体管。

1953年德国Kaco公司制造了世界上第一台晶闸管逆变器，多年后，Kaco又生产出第一台无变压器逆变器。

4.无变压器逆变器

1999年，少数“理想主义者”爬上德国Baden-Württemberg一家屋顶安装太阳能光伏系统。与之相伴的是世界上第一台无变压器组串式太阳能逆变器：Kaco Blue Planet PVI 2600 。

图2 ：光伏逆变器演变：今天的Blueplanet 10.0 TL3 （左）的功率是20年前PVI 2600产品的四倍，但尺寸基本相同。

1999年Kaco推出的无变压器逆变器带来了许多优势：它更高效、更轻且制造成本更低。然而，其主要缺点是直流和交流电路之间缺乏电流隔离，这可能会把危险的直流故障带到交流侧。

变压器可以在两个电路之间无需通过电线连接便可实现电力传输。它将设备的输入和输出电源分开，实现电流隔离，并将电能以电场的方式传输，而不是通过电气连接。Kaco发明的无变压器光伏逆变器虽然有很多优点，但也给电网供应商带来不少麻烦，并导致世界各地的行业标准协会再次改写。

5.微型逆变器

2008年6月，加利福尼亚公司Enphase推出了世界上第一台微型逆变器，大约有一本平装书那么大。

微型逆变器是一个很好的概念，其设计初衷是每块光伏组件配备一个独立的逆变器，允许阵列中的每块组件彼此独立运行。如果一块或多块组件由于阴影或故障等原因功率降低，阵列的其余部分不会受到影响，继续保持良好状态。

微逆的其它优点还包括：组件级优化和监控，直流电压较低且屋顶空间没有直流电缆让系统更安全，光伏组件可以朝向不同的方向，设计更简单，无需考虑组件匹配，光伏阵列扩展更容易，逆变器保修期更长。

组串式逆变器以及集中式逆变器等连接一个组串的光伏组件，不能保证发电量的最大化，因此微型逆变器的提出，被认为有可能颠覆光伏系统的设计，然而到目前为止，这并未发生。其最主要的原因是成本：价格昂贵、安装复杂，并且增加了屋顶上的硬件数量，维护成本可能更高。

微型逆变器与组串逆变器，哪个最好？没有确定的答案。现在的微型逆变器正在变大，由原来的几百瓦提升到1.5Kw ，甚至2KW ；而组串式逆变器正在变得更大，由原来的几千瓦、数十千瓦增加到200 、300Kw 。

6.最大功率点跟踪

可以说，现代光伏逆变器最大的技术亮点就是最大功率点跟踪（MPPT ）。自1954年贝尔实验室展示第一个实用的硅太阳能电池以来，研究人员一直在寻找可用的最高效率，不断提高太阳能系统的性能。

最大功率点跟踪可找到电压和电流的最佳匹配点，在条件变化时实时从一串光伏组件中提取能量。这在光伏系统中尤为重要，因为光伏组件的输出功率取决于可用的阳光量、阴影、光伏组件温度和负载的电气特性。

所有这些特性都影响了组件的输出功率，但都通过太阳能逆变器内部的最大功率点跟踪设计得到解决，从而获得了稳定的电力转换和输出，用户无需担心发电功率的变化、电流的变化。MPPT让太阳能逆变器尽可能高效，并仍在开发和改进中。

7.光伏太阳能逆变器量产

1991年，德国公司SMA制造了他们的第一款光伏产品- PV-WR 1800逆变器。由于彼时光伏尚未完全商业化，该款产品就像是为光伏系统定制的小众产品。1995年，SMA生产了Sunny Boy 700 ，此后Sunny Boy成为SMA的典型产品系列。

而随着光伏的商业化应用推广，越来越多的地面光伏电站出现，因此集中式逆变器也开始出现。阳光电源从20多年前成立以来，累计生产销售逆变器超过200GW ，全球市占率超过20% 。

光伏逆变器被中国逆变器制造商将技术、成本、产能发挥到极致，这其中不得不提及美国Emerson电气的贡献。本世纪初，Emerson公司几乎成为中国逆变器技术人才的“黄浦军校”，影响了中国逆变器产业近10年。

8.未来已来-混合型逆变器

Hybrid Inverter混合逆变器已经存在了一段时间，主要是由于家用电池储能系统的日益普及。

这些逆变器比传统的逆变器更智能，使用称为直流耦合的技术，同时管理光伏组件、储能电池组和公用电网的能源输入。

混合逆变器的控制系统可以决定从哪里、何时以及如何获取能量。它可以在任何给定时间根据电价做出决策，如果经济的话，甚至可以从电网中提取能量以存储在电池中。

目前主流逆变器制造商都已经推出了混合型逆变器产品，未来可能更多，现在这意味着三件事-电池、电池和更多电池。