光伏发电基本知识：逆变器的故事

什么是逆变器？

逆变器是太阳能系统中最重要的设备之一。这是一种将太阳能电池板产生的直流电（DC）转换为电网使用的交流电（AC）的设备。在直流电中，电在一个方向上保持恒定电压。在交流电中，当电压从正变为负时，电流在电路中双向流动。逆变器只是一类被称为电力电子设备的调节电力流动的一个例子。

从根本上讲，逆变器通过非常快速地来回切换DC输入的方向来实现DC到AC的转换。结果，DC输入变为AC输出。此外，滤波器和其他电子设备可以用来产生一个电压，该电压以干净、重复的正弦波的形式变化，可以注入电网。正弦波是电压随时间产生的一种形状或模式，它是电网在不损坏电气设备的情况下可以使用的电力模式，而电气设备是在特定频率和电压下运行的。

第一批逆变器是在19世纪制造的，是机械式的。例如，旋转电机将用于连续改变直流电源是正向连接还是反向连接。今天，我们用晶体管制造电子开关，这种固态器件没有移动部件。晶体管由硅或砷化镓等半导体材料制成。它们根据外部电信号控制电流。

如果你有一个家用太阳能系统，你的逆变器可能会执行几个功能。除了将太阳能转换为交流电外，它还可以监控系统并提供与计算机网络通信的入口。太阳能 电池存储系统依赖于先进的逆变器，以在停电时在没有电网任何支持的情况下运行，如果它们被设计为这样做的话。

走向基于逆变器的电网

历史上，电力主要是通过燃烧燃料和产生蒸汽来产生的，然后蒸汽使涡轮发电机旋转，从而产生电力。当设备旋转时，这些发电机的运动产生交流电，这也设置了频率或正弦波重复的次数。电源频率是监测电网健康状况的重要指标。例如，如果有太多的负载，太多的设备消耗能量，那么能量从电网中移除的速度会快于其供应的速度。因此，涡轮机将减速，交流频率将降低。由于涡轮机是巨大的旋转物体，它们抵抗频率的变化，就像所有物体抵抗其运动的变化一样，这一特性被称为惯性。

随着更多的太阳能系统被添加到电网中，更多的逆变器被连接到电网中。基于逆变器的发电可以在任何频率产生能量，并且不具有与蒸汽发电相同的惯性财产，因为不涉及涡轮机。因此，向具有更多逆变器的电网过渡需要构建更智能的逆变器，该逆变器能够响应电网运行期间发生的频率变化和其他干扰，并帮助稳定电网，防止这些干扰。

电网服务和逆变器

电网运营商通过提供一系列电网服务来管理电力系统的电力供应和需求。电网服务是电网运营商为维护系统平衡和更好地管理电力传输而开展的活动。

当电网停止按预期运行时，如电压或频率出现偏差时，智能逆变器可以以各种方式做出响应。一般来说，小型逆变器的标准，例如连接到家用太阳能系统的逆变器，是在电压或频率的小干扰期间保持开启或“穿越”，如果干扰持续很长时间或大于正常值，它们将断开与电网的连接并关闭。频率响应尤其重要，因为频率下降与发电机组意外离线相关。响应于频率的变化，逆变器被配置为改变其功率输出以恢复标准频率。基于逆变器的资源还可以响应来自操作员的信号，以在电力系统的其他供求波动时改变其电力输出，这是一种称为自动发电控制的电网服务。为了提供电网服务，逆变器需要有能够控制的电源。这可以是发电，比如目前正在发电的太阳能电池板，也可以是存储，比如可以用来提供先前存储的电力的电池系统。

一些先进的逆变器可以提供的另一种电网服务是电网形成。电网形成逆变器可以启动电网，如果它在一个称为黑启动的过程中停机。传统的“电网跟随”逆变器需要来自电网的外部信号来确定切换何时发生，以便产生可以注入电网的正弦波。在这些系统中，来自电网的电力提供逆变器试图匹配的信号。更先进的电网形成逆变器可以自己生成信号。例如，一个小型太阳能电池板网络可能会指定其中一个逆变器以电网形成模式运行，而其他逆变器则像舞蹈伙伴一样跟随它，形成一个稳定的电网，而无需任何基于涡轮的发电。

无功功率是逆变器能够提供的最重要的电网服务之一。在电网上，电压-推动电荷的力总是来回切换，电流-电荷的运动也是如此。当电压和电流同步时，电力最大化。然而，有时电压和电流在它们的两种交替模式之间存在延迟，例如当电机运行时。如果它们不同步，则流经电路的部分电力无法被连接的设备吸收，从而导致效率损失。需要更多的总功率来产生与负载所能吸收的功率相同的“实际”功率。为了抵消这种情况，公用事业提供无功功率，使电压和电流恢复同步，使电力更容易消耗。这种无功功率本身不被使用，而是使其他功率变得有用。现代逆变器可以提供和吸收无功功率，以帮助电网平衡这一重要资源。此外，由于无功功率很难远距离传输，屋顶太阳能等分布式能源是特别有用的无功功率来源。

逆变器类型

有几种类型的逆变器可以作为太阳能系统的一部分安装。在大型公用事业厂或中型社区太阳能项目中，每个太阳能电池板都可能连接到一个中央逆变器上。串式逆变器将一组面板（一个串）连接到一个逆变器。该逆变器将整个电池串产生的电力转换为交流电。虽然成本效益高，但如果任何单个面板出现问题（如阴影），这种设置会导致电池串上的电力产生减少。微型逆变器是放置在每个面板上的小型逆变器。使用微型逆变器，一个面板的阴影或损坏不会影响其他面板的功率，但微型逆变器可能更昂贵。这两种类型的逆变器都可以通过一个系统来辅助，该系统控制太阳能系统如何与附加的电池存储交互。太阳能电池可以直接通过直流电或转换成交流电后给电池充电。