太阳能光伏逆变器工作原理

光伏逆变器是太阳能光伏发电系统中最重要的设备之一。它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，电力在一个方向上保持恒定电压。在交流电中，随着电压从正极变为负极，电流在电路中双向流动。逆变器用于调节电力的流动。

从根本上说，太阳能光伏逆变器通过非常快速地来回切换直流输入的方向来完成直流到交流的转换。结果，直流电输入变为交流电输出。此外，滤波器和其他电子设备可用于产生可注入电网的纯净、重复的正弦波电压。正弦波是电压随时间形成的一种形状或模式，它是电网可以在不损坏电气设备的情况下使用的电力模式，该设备是为在特定频率和电压下运行而设计的。

第一台逆变器发明于19世纪，是机械式的。例如，旋转电机将用于不断改变直流电源是向前连接还是向后连接。今天，我们用晶体管来制造电子开关，这是一种没有活动部件的固态器件。晶体管由硅或砷化镓等半导体材料制成。它们控制电流以响应外部电信号。

如果你有家用太阳能光伏系统，你的逆变器可能会执行多种功能。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功能。太阳能发电加电池存储系统依靠先进的逆变器在断电的情况下在没有任何电网支持的情况下运行，如果它们被设计为这样做的话。

迈向基于逆变器的电网

从历史上看，电力主要是通过燃烧燃料和产生蒸汽来产生的，然后蒸汽旋转涡轮发电机，从而产生电力。这些发电机的运动在设备旋转时产生交流电，这也设置了频率或正弦波重复的次数。工频是监测电网健康状况的重要指标。例如，如果负载过多（消耗能量的设备过多），则从电网中移除能量的速度将超过其供应速度。结果，涡轮机将减速并且交流频率将降低。因为涡轮机是巨大的旋转物体，它们抵抗频率的变化，就像所有物体都抵抗运动的变化一样，这种特性被称为惯性。

随着越来越多的太阳能系统被添加到电网中，连接到电网的逆变器比以往任何时候都多。基于逆变器的发电可以产生任何频率的能量，并且不具有与基于蒸汽的发电相同的惯性特性，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，以应对电网运行期间发生的频率变化和其他中断，并帮助稳定电网免受这些中断的影响。

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范围的平衡和更好地管理电力传输而执行的活动。

当电网停止按预期运行时，例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（例如连接到家用太阳能系统的逆变器）的标准是在电压或频率的小幅中断期间保持开启或“穿越”，并且如果中断持续很长时间或大于正常情况，它们将断开自己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意外脱机有关。为了响应频率的变化，逆变器被配置为改变其功率输出以恢复标准频率。基于逆变器的资源也可能响应来自运营商的信号，以随着电力系统的其他供需波动而改变其电力输出，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，逆变器需要有可以控制的电源。这可以是发电，例如当前正在发电的太阳能电池板，也可以是存储，例如可用于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并网。如果电网出现故障，并网逆变器可以启动电网——这一过程称为黑启动。传统的“电网跟随”逆变器需要来自电网的外部信号来确定何时发生切换，以产生可注入电网的正弦波。在这些系统中，来自电网的电力提供了逆变器试图匹配的信号。更先进的并网逆变器可以自己产生信号。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，而其他逆变器则跟随其领导，就像舞伴一样，在没有任何涡轮发电的情况下形成一个稳定的电网。

无功功率是逆变器可以提供的最重要的电网服务之一。在电网上，电压——推动电荷的力量——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，电功率最大化。但是，有时电压和电流在它们的两种交替模式之间会出现延迟，例如电机运行时。如果它们不同步，则流经电路的部分功率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相同数量的“实际”功率——负载可以吸收的功率。为了解决这个问题，公共电网公司提供无功功率，使电压和电流恢复同步，使电力更容易消耗。这种无功功率本身并不使用，而是使其他功率有用。现代逆变器既可以提供也可以吸收无功功率，以帮助电网平衡这一重要资源。此外，由于无功功率难以长距离传输，屋顶太阳能等分布式能源是特别有用的无功功率来源。