經過長期的技術發展——特別是在生態危機、化石能源困境等多個重大關鍵課題的刺激下，太陽能在以轉換效率和成本為核心的技術和商業兩方面的關鍵難點上取得了巨大突破。太陽能是可再生能源和可持續電力設施改造的關鍵形式、實現碳中和傳播的重要途徑，這不僅是全球共識，也是美國、歐盟等經濟發達國家目前所處的實際情況。同時，中國也在出臺相應的政策指導方針，大幅增加光伏發電裝置的數量，為光伏發電系統選擇合適的磁性元件對于太陽能的進一步普及具有重要的意義，磁性元件技術供應商科達嘉為大家深入講解這方面的知識。

以設施等級為劃分依據，光伏應用通常分為三類：住宅，x100W~xKW；商用，xKW ~ xMW；公共事業，xMW ~ xGW。由于光伏應用廣泛的可擴展性，太陽能發電的相應功率轉換有幾種不同的方案可供選擇：在轉換效率方面，有用于適應太陽輻射并根據電池溫度調節輸出的連續控制單元；同時，考慮到相對發電成本和用電容量，有用于離網型發電的分布式微電網和用于柵極接電的集中式電站，尤其是當光伏板數量增加時，系統的孤島風險和并網設備的低電壓穿越（LVRT）會使得光伏發電的配置方案更復雜多變。

濾波電感、升壓電感、電源變壓器、電抗器等磁性元件除了應用于相應的功率轉換之外，在其他方面也廣泛應用，尤其是在典型的分布式光伏解決方案中，磁性元件成本更高（按百分比計），因此為光伏發電和系統性能選擇合適的磁性元件對于太陽能的進一步普及具有重要的意義。

1、系統中光伏發電及功率轉換的原理

1.1半導體基礎

由于光電轉換效率的關鍵要求，單晶硅異質結（HIT）太陽能電池（N襯底）是目前的重點發展類型（效率在25%左右）。目前占據安裝規模的主要份額的類型仍然是鋁背場（BSF）和PerC型如P 型基板電池（效率在 19% 和 21.5% 之間）。但隨著設備和主要材料（硅材料和低溫銀漿）的不斷研發和生產能力的提高，HIT成本將逐步降低，未來新裝的太陽能電池將以HIT型為主。

在本征半導體中，P型或N型半導體通過摻雜獲得足夠的載流子濃度。由于其窄帶隙，外界干擾（如照明電磁輻射）可以激發內部原子產生更多的電子-空穴對。當不同類型的半導體形成PN結時，n型端在內部擴散電場的作用下會積聚更多的電子；而p型端則相反，最終在兩端形成驅動電壓并成為電源，即電池，這種內部光電效應稱為光伏效應。

相反的現象是LED通過電子空穴復合產生電光，兩者的PN結工作狀態為正偏，但光伏電池為電源（光輻射驅動電流，低功率密度），LED為負載（產生光的電力，高功率密度），因此，光伏電池可以提供大電流，LED 則受限于其散熱結構和尺寸而無法通過大電流（燒壞）。相關二極管結構、電路符號及等效電路如下圖1所示：

圖1 光伏電池（HIT）和LED的結構、符號和等效電路

常見的典型的光伏電池（PV）輸出電流表示為：

其中：

isc—光照射產生的激發電流；

iDo—PN結的飽和電流；

q–電子電荷為1.6×10?19C中；

K–玻爾茲曼常數為1.38×10?23J/K；

A–1～2之間的理想常數；

T–PN結溫度

q/AKT是輻照的弱相互作用，隨輻照強度而變化；通常 較小， 較大（>100KΩ），因此光伏電池的輸出電壓和電流主要受輻照強度和溫度的影響，當輻照強度和溫度穩定時，輸出電流逐漸減小，PV的輸出電壓增加。可以看出，隨著輸出電壓的升高，光伏電池的輸出功率會先增大后減小；為實現最優的光伏發電設計，需要通過最大功率點跟蹤（MPPT）技術來控制輸出功率并最大化功率輸出。

此外，光伏電池以及在光伏發電的功率轉換中，根據具體情況使用不同的開關場效應管和二極管半導體，如：MOS、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC），IGBT。造成這種差異的主要原因是在不同的應用條件下（工作電壓、開關頻率等），不同類型的半導體在成本和性能方面具有不同的優勢。從實際光伏應用中可以看出，不同類型開關設備件的控制復雜度性和成本反過來也會影響特定光伏功率轉換方案（升壓和逆變等）的選擇；同時由于功率半導體的各種影響因素在不斷發展和變化，光伏產品的技術迭代和商業推廣也在不斷發展。

1.2太陽能系統的主要考慮因素

太陽能并網發電需要滿足特定的技術要求，如IEEE1547（美國）、ENEL 2010 Ed.2.1（意大利）、EN50438或中國GB/T 19939-2005、GB/Z 19964-2005。為了配置合適的并網逆變器，光伏系統需要具有多級功率轉換、效率控制和完整的監控相關通信系統，并具備孤島檢測和發電量預測等必要功能（一般適用于中大型規模化光伏發電部署）。在就地消耗所發電能這一方面上，分布式離網光伏發電系統具有較低的系統配置難度和較高的靈活性，通常以微型逆變器為主要功率級，或配備儲能系統以實現有效的電力調度。

典型的離網和并網光伏發電系統如下圖2所示：

（a）離網光伏發電系統

（b）并網光伏發電系統

兩種典型的光伏系統（圖來源于網絡）

在并網光伏發電系統中需要考慮的主要因素當中，安全比效率更為重要，主要包括孤島檢測、絕緣檢測、漏電流檢測和低電壓穿越等。

由于低密度分布式光伏的負載經常超過發電容量，孤島風險的發生概率非常低，因此在這種情況下通常不需要配置孤島檢測。在集中式光伏電站中，需要主動孤島檢測來保護它，通過控制電壓和頻率可以將光伏發電帶來的風險降到最低。

有源解決方案和無源解決方案有很多種，它們的基本原理是：當電網斷電時，光伏逆變器輸出電源的有功功率和無功功率負載發生明顯變化，光伏逆變器的變化輸出電壓將直接反映在負載兩端的電壓變化上。同樣，當逆變器輸出發生變化時，負載的無功功率（出現在等效電感和電容上）也會隨頻率而變化（圖3)。

如圖所示，電網停電前后負載的電壓和頻率分別為 1、 2和 1、 2，有功功率和無功功率變化分別為ΔP和ΔQ，對應關系如下：

圖3 并網光伏發電孤島檢測原理（簡化）

從簡化關系可以看出，只要負載上的ΔP和ΔQ變化明顯，光伏逆變器的電壓變化和頻率變化就能在負載端產生明顯的相關反應，從而可以檢測到電網系統中的光伏發電是否處于孤島狀態。當變化不明顯時，需要補充載波通信等其他監控方案，主動滿足安全需求。

此外，光伏發電系統的裝機容量（光伏組件總標稱功率）與逆變器的額定容量（總有功功率）也有性能規范（中國NB/T 10394-2020）。提高容量匹配可以保持穩定的輸出功率，也可以提高相應的系統綜合效率。

圖4 光伏容量比與相應實際功率輸出之間的關系示例

1.3光伏發電的主要功率轉換類型

光伏發電作為電流源，其功率輸出與工作電壓之間存在波動關系，即在實際功率轉換中，首先需要實現最大功率輸出的控制。根據 MPPT 或 Power Optimizer的算法，波動的光伏發電通常先轉換為直流電，即直流母線（或 DC-link）。這個過程一般是boost轉換。其次，根據不同的功率等級，升壓轉換還可以通過交錯升壓或全橋控制實現更好的效率和更低的成本。同時，可根據隔離要求補充軟開關或其他隔離電源轉換，實現不同電壓的直流要求；或者根據應用的需要可以通過全橋逆變的形式直接供給交流負載。

在組串式逆變器或中央逆變器中，除了MPPT或功率優化后的穩定直流高壓外，還有許多復雜的逆變器拓撲形式，如單相或三相串聯逆變器可分為兩級或多級形式。由于組串式逆變器在技術和成本上都具有配置靈活性，它們逐漸成為近年來的主要發展趨勢。

圖5 光伏發電中的功率轉換

（藍色）微型逆變器、（綠色）串式逆變器、（紅色）集中式逆變器

2、磁性元件在光伏中的應用

2.1MPPT（或功率優化器）

光伏電池的發展經歷了多次技術迭代，以210片（210mmx210mm）為代表的最新6.0時代，在25℃、1000 / 2輻照強度時，單片功率輸出可達10~12W。通常，光伏的規格書會提供開路電壓（ ）、短路電流（ ）、最大功率點電壓（V ）以及最大功率點電流（ ）。當輻照強度降低時， 顯著降低， 略有降低。隨著溫度升高， 降低。相應地，V 和 同時發生變化。光伏的功率極限由 和 相乘得到，最大輸出功率與功率極限的比值稱為光伏組件的填充系數，該值主要由內部等效電阻和PN結材料決定，可用于衡量電池性能：

(a）TW Solar-TW210Y212A（半型光伏電池）I-V曲線

（b）TW Solar-TW210Y212A（半型光伏電池）規范

圖6 210光伏電池-（a）I-V曲線（b）規格 （TW Solar-TW210Y212A（半型光伏電池））

實現MPPT的算法有很多，其中最簡單的方法是電壓反饋法，即預先測試特定光強下的最大功率點電壓，通過調整光伏端電壓來達到最大功率點，但當環境變化，效率損失比較大；最常用的方法是擾動觀察法，即通過改變負載來觀察光伏輸出的變化，并進一步調整輸出功率到最大點，但這也會造成不斷的功率損耗。其他方法如功率反饋和增量電導也是類似的思路。

雖然 MPPT 可以通過多種方式實現，在某些應用中也被稱為功率優化器，但從電路形式上看，基本都是通過 Boost 電路來調節，因為它始終工作在持續輸入電流的狀態，而無需在 PV 兩端加大體積的儲能電容（穩定的 DC/DC 輸入電壓）。另外，對于后級的DC/AC逆變器，可以提供高穩定電壓，實現高逆變效率。此外，開關場效應管的一端便于接地驅動。PV輸出電壓可以通過調整升壓轉換的占空比DC%來控制（圖7）：

當 PV 電壓達到 （最大值）時，占空比 (DC%) 達到最低值。而當DC%逐漸增加時，光伏電壓向低端移動并最終達到最大功率點V p。 通常分布式光伏板陣列的輸出電壓在60-300V之間。考慮到后級DC/AC逆變器效率，微并網逆變器（輸出220Vac）一般要求達到400～600V；分布式組串式逆變器（輸出可能為380Vac）達到600-800V（通常為700V）；集中式逆變器達到700-1500V。對于大功率（如>100KW）系列的2電平、3電平和多電平單相或三相逆變器或集中式逆變器，輸入電流通過匯流箱直接逆變到電網，所以一般沒有MPPT。但優化后的光伏發電會根據需要在電流匯流箱中設置MPPT功能進行平衡控制。

圖7 MPPT控制的等效升壓級

MPPT控制所需的升壓電感值 _ 應滿足轉換器電路處于CCM工作（連續電感電流模式）的要求，使PV工作在最佳狀態，同時降低輸入旁路電容。此外，電感值應足夠大，以減少開關的影響MPPT控制中的FET-Q。它的值應滿足：

例1：忽略轉換效率，如果DC-link提供700Vx1A的逆變電源，光伏裝置可以支持的最大功率為700W=170Vx4.12A，開關頻率為20KHz，如果光伏的開路電壓電池為 Uoc=195V，則：

所需的相應最小電感值為：

最大電感電流為：

電感電流的 RMS 值為：

因此，升壓電感所需的參數可以定義為1mH，飽和電流9A，溫升電流7A（40K溫升），并留有適當的余量。對于升壓電感，兩端的最大電壓為V ? pv和 二者當中的較高值，當最大電壓值為530V時則可以設為600V。對于 PV 終端電路，IEC 62109-1 中定義了 II 類瞬態過電壓范圍，適用于 2500Vdc 瞬態過電壓，因此需要滿足 1.6mm 的間隙（例如引腳到引腳的距離）。

以上是功率電感生產廠家講解的“在光伏中進行功率轉換及應用的磁性元件上篇”，下篇可在科達嘉發布的文章中找到，一次更新完畢。

審核編輯黃宇