隨著全球對于碳中和類能源供應的追求，可再生能源來源在全球范圍內變得愈加重要。其中光伏能源在這一背景下也格外突出。在最近幾年內，光伏平準化能源成本與傳統能源形式相比出現大幅下降[1]。作為光伏系統的關鍵組成，在忽略功率范圍的條件下，太陽能發電的效與可靠性實際上是由光伏逆變器的特性來決定的。由于成本壓力的不斷加大，增加了對新一代光伏逆變器產品的需求，新產品不僅需要具有技術創新與可靠性，同時還要在成本優化和智能操作方面起到關鍵作用。

功率密度

功率密度和功重比已經在上個世紀九十年代逆變器產品發展之初起到了重要的作用。過去的幾十年已經通過使用變壓器消除電路拓撲結構和增添半導體新技術獲得了角度的技術發展。不僅效率提升至幾近99%的理論極限值[2]，同時其功率密度和功重比也得到了大幅提高。

最新的半導體技術的引入大幅提升了功率密度，特別是在光伏逆變器領域。碳化硅半導體的引入實現了更高的交換頻率，從而大幅減少了如電感器等無源零部件的使用(參見圖一)。

 　圖一：逆變器重量/容量削減示例。圖片來源：Fraunhofer ISE 

　　圖二：碳化硅半導體市場規模。圖片來源：IHS

　　圖三：使用了SiC-MOSFET系統的1MW緊湊電池逆變器模塊展示樣機。圖片來源：Fraunhofer ISE

　　圖四：PV-Pack中配有新式冷卻理念的70kVA光伏逆變器

由于寬帶隙半導體產品市場滲透率的提高，SiC-MOSFET(碳化硅-金屬氧化物半導體型場效應管)在光伏逆變器上的應用也不斷增加。寬帶隙半導體可使得設備能夠在與傳統硅基半導體更高的電壓、頻率和溫度下運行。硅基IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)與SiC Schottky(碳化硅肖特基)二極管在被稱作混合功率組件中的結合已經成為商業化逆變器內的先進技術。由于運輸領域的電氣化進程及其帶來的半導體產品在光伏行業之外的大規模市場(參加圖二)，可以假定，碳化硅半導體的價格將在未來幾年內持續下降。在運輸領域，功率密度或功重比所具有的重要性要遠高于光伏領域。所減少的每公斤重量都將提高電動汽車的運行里程。因此，碳化硅技術將在未來幾年內成為光伏逆變器領域內的先進技術。在光伏逆變器領域內，已有首批制造商推出了完全基于碳化硅技術的設備。

氮化鎵(GaN)等半導體技術目前仍舊主導著消費類電子產品市場，并逐步被電力電子市場所關注。通過在兆赫范圍內提高交換頻率，重量與容量，以及相關的材料成本將得到進一步下降。與碳化硅半導體不同，后者在商用領域可實現高達1700V的反向電壓，商用氮化鎵半導體的最高反向電壓僅為650V，其最大電流為60A，反過來也阻礙了功率等級的可擴展性。由于較高的價格和較低的反向電壓，氮化鎵半導體仍舊主要用于對小規模電力電子設備(<5kw)的研究項目中。該技術未來的一個挑戰是針對并聯方式改善氮化鎵半導體，以覆蓋更高的功率范圍等級。氮化鎵半導體較高的交換頻率將需要額外的創新式、內外電磁兼容(emc)設備理念，并同時兼容現有標準。

光伏逆變器可基本上被分為兩類。一類是功率范圍在125kW左右的組串式逆變器，另一類是功率從幾百千瓦至兆瓦級別的集中式逆變器。在組串式逆變器中，多級拓撲結構奠定了其先進的技術地位。大量相關電壓等級的引入使得輸出濾波器中的無源元件數量進一步減少，同時，新式半導體還使得交換頻率得到提高。然而，多級拓撲結構與電壓等級數量的增加同時也具有缺陷，其操作運行涉及了大量額外電路與控制技術。所謂的三級拓撲結構可在復雜性與功率密度之間實現較好的妥協。多級拓撲結構與最新一代半導體產品的結合，在加上較高的交換頻率，不僅將繼續應用在組串式逆變器領域中，同時還將不斷增加自身在集中式逆變器領域內的應用。

對于集中式逆變器來說，其發展趨勢明顯傾向于朝著更高功率和輸入電壓的方向發展。所開展的相關研究項目也致力于憑借半導體技術和創新設計理念來大幅縮減集中式逆變器的產品尺寸(參見圖三) [3]。

提高功重比

光伏逆變器的成本明細表明，實際的電力電子器件及相關半導體及其控制部分僅占總成本的三分之一左右。高達70%的其他絕大多數成本與機械和機電部件有關。機械部件包括外殼(主要由壓鑄鋁或金屬片組成，具體使用狀況取決于性能等級)、部分集成在外殼結構中的鋁制散熱片和支撐結構。電感器、印刷電路板(PCB)和連接器可配給機電部件。除了憑借將新型半導體與更高交換頻率相結合而變得越來越小的電感器之外，在所有其他領域內，僅出現了少量技術創新產品，卻對成本做出了重大貢獻。

例如，少數逆變器制造商已經開始使用聚碳酸酯外殼，可有效減少原材料的使用，從而促進成本下調。與外殼和改良后生產流程相關的新材料組合不僅可以滿足EMC要求，同時，這些創新還能夠確保在未來具有大規模的成本下調潛力。

就冷卻流程而言，研究項目“PV-Pack”[4]近期對被稱為“熱芯”(hot core)的概念進行了實驗性研究。該項目的目標從其名稱中即可窺見一斑：《光伏套裝：用于10至40kW功率范圍內的高效、高速交換、高度集成光伏逆變器的冷卻、包裝和裝配優化技術》(PV Pack: Optimised cooling, packaging and assembly technologies for efficient, fast-switching and highly integrated PV inverters in the 10 to 40 kW power range)。

為實現這一目標，包括SMA公司、弗勞恩霍夫制造與應用材料研究所(IFAM)、菲尼克斯電氣(Phoenix Contact)和Fraunhofer ISE在內的多家資深機構成立相關聯盟。憑借散熱片的隔熱性，可以實現更高的溫度水平，尤其是在與碳化硅半導體相結合之后，其工作溫度高達200 ℃，可以更有效地利用散熱片和半導體特性。復合材料的使用可以進一步降低散熱器的材料成本，從而提高功重比。此外，在這一概念中還引入了不同的溫度區域，這意味著可啟用對溫度要求較低的電子和機電部件，繼而反過來又對成本產生影響(參見圖四)。

冷卻和外殼的連接是組串式逆變器領域內的最新技術，同時，其中還包括逆變器的支撐結構。在上述研究項目中，這兩個部件是完全相互分離的，這又使得支撐結構能夠被分開對待。在未來，多功能輕質結構概念可在此進行應用，例如集成傳熱機制或部分導電性等，這樣可以更有效地對安裝空間進行利用。

考慮到成本和相關材料的使用，這一領域內仍有相當大的優化潛力來進行進一步的創新。新興的電動汽車大眾市場也會對成本削減潛力產生巨大影響。

然而，要提高功重比，僅僅關注上述幾點是不夠的。光伏逆變器和相關的電力電子設備還需要許多其他部件，這些部件通常是需要單獨購買的。例如，EMC濾波器、電容器和各類斷路器等都屬于此范圍。未來還應該對這些部件進行更深入的研究，以確保可實現的功重比增加程度，以及如何實現成本優化。特別是在集中式逆變器領域內已存在一段時間，并引入組串逆變器(>50kW)領域的1500V技術，可以見到相當多數量的零件和部件尚未實現商業銷售以用于增加電壓電阻，特別是對于有組串式逆變器來說，部分相關部件須按需開發。

可靠性與智能性

光伏逆變器在電子功率方面的主要失效原因目前集中在功率半導體或電容器上。在未來，必須要么確保增加這兩個部件的可靠性，要么確保電子功率設備能夠對逆變器或這兩個部件的健康狀態進行智能報告。容錯型光伏逆變器還有助于通過各種方式來確保系統服務，例如：根據故障類型僅以較低的功率運行等。在工業4.0時代，為了提高光伏逆變器的內部智能程度，目前仍需在監控上進行一系列創新。對比一下風力渦輪機制造商們的做法就足以知曉這一方式的前景，這些制造商在這一特定發展線路上已經超前許多。

光伏逆變器的通常使用壽命為20年，但必須考慮到這一計算方式“僅”考慮到了日照時間。然而近年來，逆變器越來越多地接管了傳統發電機所應承擔的各種系統服務；為了能夠長期提供這些服務，逆變器的尺寸也必須適合夜間操作。按照規定，輔助服務包括各類電網支持方式，例如通過有功功率進行頻率支持或通過無功功率進行電壓維護。

由于所使用的控制技術，大多數逆變器只能用作電流源，因此僅在有限的范圍內有助于電網維護。然而，由于饋入逆變器對電網的滲透愈來愈高，以及同步發電機等“常規”旋轉設備的替換，未來逆變器自身須能夠確保電網的維護。

通常，光伏逆變器在并網單元模式下運行。由于逆變器的多功能性日益增強，例如具有光伏電力輸入功能和電池連接選項等，這些設備通常具有兩種操作模式。一種是電網并聯運行，另一種是孤島運行。在電網并聯運行模式中，逆變器與電網電壓和電網頻率同步并向電網輸送電流。因此，源特性為電流源。這種操作模式被稱為“電網饋送”(grid feeding)。然而，在孤島運行模式中，孤島電網的電網電壓和頻率由逆變器形成。源特性是電壓源。電流由所接的負載決定。這種操作模式被稱為“電網組成”(grid-forming)。

隨著越來越多的逆變器饋入互聯電網并減少同步發電機的使用，通過逆變器控制電網電壓和頻率的需求正在增加。這種在互聯電網或孤島電網中運行的逆變器運行模式稱為電網維持(grid-sustaining)。這種操作模式需要復雜且通用的控制算法，這些算法目前正在開發中，并且仍僅用于研究目的。在未來，這項功能應作為標準功能應用在多功能設備、電池逆變器和光伏逆變器之中，從而使得光伏即使在功率受限的條件下，也能夠為所有可再生能源供應作出相應貢獻，以維持電網運行。

此外，可再生能源電站不斷發展的互聯和數字化進程也將變得越來越重要，特別是在光伏和風電發電量存在波動的情況下。通常來說，所產電力并不會直接在現場消耗掉，而是必須傳輸至所需要的地方。蓄電設施的額外擴張將有助于將生產和消耗緊密結合在一起。精確獲取和控制電力流動至關重要。為了保證這一點且不會危及電網穩定性，設備的通信能力在未來將發揮越來越重要的作用，特別是與上級電網運營商之間的通信能力，以優化電網中的電力流動控制。