交流太阳能模组＆微逆变器『AC Module ＆ MIC(microinverter)』

作者:江志宏

说明：

太阳能电池面板的整体输出功率大幅降低，主要是因为部分模组损坏(冰雹、风压、风振、雪压、雷击)、局部阴影、污垢、倾斜角度、方位、不同的老化程度、细小的裂缝..等问题，这些问题都会造成系统配置失调，导致输出效率下降的瑕疵，这 些都是传统集中式逆变器难以克服的问题。 太阳能发电成本比例：模组(40～50%)、施工(20～30%)、逆变器(<10%)，从成本比重来看，施工成本高达1/3，如果在生产中就直接将逆变器装在模组上，可以大幅降低整体发电成本 。

为了克服这样的问题，于2008年发展出微型逆变器(microinverter)应用于太阳能模组，也就是每一个DC直流的太阳能模组都配备一个将直流(DC)直接转换成交流(AC)的小型逆变器， 它可以直接装在模组背后或是固定架上，透过micro inverter的追踪，每个模组都可以操作在95%以上的最高功率点(系统99.5%以上的时间是正常运作)，这样的优点就是针对每一个模组的输出功率进行最佳化，使整个太阳能发电系统的输出功率获得最高， 对于设计架构来说，就算是部分模组受到阴影、热班、灰尘覆盖…等情况影响，也能够挽回超过57%损失的发电量，另外其电力传输 值接的是AC电源，不需要複杂与专业的串併联，直接採用 併联输出，还可以降低电源传递间的衰减，最近的研究表示模组装设微逆变器可以提高20%的能量收集，单一模组提供标准交流频率电源，每一个模组设有电弧保护，可以降低电弧发生机率。 由此可知，集中型逆变器的故障率高，必须要经常更换，其寿命大约只有模组的一半，若我们採用微型逆变器其输出功率较低，可以提高逆变器的使用寿命。

由于每一个模组背后都是小型逆变器，模组不需要再配置另外的通讯线材，可以直接透过交流电源的输出电线，直接进行网路通讯，只需要在插座上装置一个电力线网路桥接器(Powerline Ethernet Bridge)，不需另外架设通讯线，使用者可以直接透过电脑网页、iPhone、黑莓机、平板电脑..等，观看到每一个模组的运转状态(功率输出、模组温度、故障讯息、模组识别码) ，如果有异常的话可以马上进行维修或是更换，让整个太阳能发电系统可以运作顺畅。

直流模组与交流模组比较：

交流模组的输出端子：

交流输出(AC output)、直流输出(DC output)、控制单元(Control Interface)

交流太阳能模组的英文称呼：

AC solar PV module ac pv module AC photovoltaic module AC Module PV systems composed of AC modules AC module-composed PVAC Module

专有简称：

CVCF：定电压、定频率
EIA(Energy Information Administration)美国能源情报署
EMC：包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部份
EMI(电磁干扰)：机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其他系统的电磁杂讯
ETL：美国电子测试实验室
MFGR：製造商
HALT：Highly Accelerated Life Test,加速寿命测试
HAST(Highly Accelerated Stress Test)：加速应力测试
HFRE：高频整流器
HFTR：高频变压器
MEOST[Multiple Environment Over Stress Tests]：多种环境压力测试
MIC(microinverter)：微逆变器
Micro-inverters：微型逆变器
MPPT[Maximum Power Point Tracking]：最大功率点追踪
MTBF：平均故障间隔时间
NEC：国家电气规范
PVAC Module：交流太阳能模组
VVVF：改变电压、改变频率

交流模组试验规范：

ETL认证：UL 1741, CSA Standard 22.2, CSA Standard 22.2 No. 107.1-1, IEEE 1547, IEEE 929
模组(PV Module)：UL1703
通讯：47CFR, Part 15, Class B
电压突波(Surge Rated)：IEEE 62.41 Class B
国家电气规范：NEC 1999-2008
电弧保护装置：IEEE 1547
电磁波：BS EN 55022、FCC Class B per CISPR 22 B、EMC 89/336/EEG、EN 50081-1、EN 61000-3-2、EN 50082-2、EN 60950
微逆变器(Micro-Inverter)：UL1741-calss A
典型组件故障率：MIL HB-217F

其他规范：

IEC 503、IEC 62380 IEEE1547、IEEE929、IEEE-P929、IEEE SCC21、ANSI/NFPA-70 NEC690.2、NEC690.5、NEC690.6、NEC690.10、NEC690.11、NEC690.14、NEC690.17、NEC690.18、NEC690.64

交流太阳能模组主要规格：

工作温度： -20℃～46℃、-40℃～60℃、-40℃～65℃、-40℃～85℃、-20～90℃
输出电压：120/240V、117V、120/208V
输出电源频率：60Hz

交流模组的优点：

1.儘量提高每一逆变电源模组的发电量,跟踪最大功率，由于对单块元件的最大功率点进行跟踪，可大大提高光伏系统的发电量，可提高25%。
2.通过调整每一排太阳能板的电压和电流，直至全部取得平衡，以免系统出现失配。
3.每一模组都具备监控功能，降低系统的维护成本，操作更加稳定可靠。 4
.配置灵活，在家用市场可以按照用户财力安装太阳能电池大小
5.无高压电、使用上更安全，安装简单，更快捷，维护安装成本低廉，对安装服务商依赖性减少，使太阳能发电系统可以由用户自己DIY安装。
6.成本与集中式逆变器相比差不多，甚至更低
7.安装简单(安装时间减少了一半)
8.降低採购与安装成本
9.降低太阳能整体发电成本
10.无特殊接线与安装程序
11.单一交流模组故障不会影响到其他模组或系统
12.模组异常可自动切断电源开关
13.维修时只需要进行简单的中断程序
14.可以在任何方向安装，不会影响在系统的其他模组
15.可以填满整个设置空间，只要放的下都可以
16.减少直流线路与电缆桥接
17.减少直流连接器(DC connectors)
18.减少直流接地故障检测与设置保护设备
19.减少直流间线盒(DC junction boxes)
20.减少太阳能模组的旁路二极体
21.不需要购买安装维护大型逆变器
22.不需要购买电池
23.每一个模组安装防电弧装置，符合UL1741规范要求
24.模组透过交流电源输出电线直接进行通讯，不需另外架设通讯线
25.减少40％的元件

交流模组测试方法：

1.输出效能测试：已现有模组测试设备，针对无inverter的模组进行相关测试
2.电应力测试：进行不同条件的温度循环测试，评估在inverter在操作温度与待机温度条件下的特性
3.机械应力试验：找出黏附较 脆弱的微逆变器与焊接在PCB板上不牢靠的电容
4.使用太阳光模拟器进行整体测试：需使用大尺寸且均匀性佳的稳态脉冲式太阳模拟器
5.室外试验：户外环境下纪录模组输出I-V曲线，及inverter的效能转换曲线
6.单独测试：在室内将模组的各个组件分开测试，以公式计算综合效益
7.电磁波干扰试验：由于模组上有inverter组件，需评估在太阳光模拟器照射下，其模组运转时对EMC&EMI的影响。

交流模组常见故障原因：

1.电阻值不正确
2.二极体装反
3.逆变器故障原因：电解电容失效、湿气、灰尘

交流模组试验条件：

HAST试验：110℃/85%R.H./206h(Sandia国家实验室)
高温试验(UL1741)：50℃、60℃
温度循环：-40℃←→90℃/200cycle
湿冷冻：85℃/85%R.H.←→-40℃/10cycles、110 cycles(Enphase-ALT试验)
湿热试验：85℃/85%R.H/1000h
多种环境压力测试(MEOST)：-50℃～120℃、30G～50G振动
防水：NEMA 6/24小时
雷击测试：容忍浪涌电压达6000V
其他(请参考UL1703)：喷水试验、拉伸强度试验、防电弧试验

太阳能相关组件MTBF：

传统逆变器10～15years、微逆变器331years、PV模组600years、微逆变器600years[未来]

微逆变器介绍：

说明：微型逆变器(microinverter)应用于太阳能模组，每一个DC直流的太阳能模组都配备一个，可降低电弧发生机率，微逆变器可以直接透过交流电源的输出电线，直接进行网路通讯，只需要在插座上装置一个电力线网路桥接器(Powerline Ethernet Bridge)，不需另外架设通讯线，使用者可以透过电脑网页、iPhone、黑莓机、平板电脑..等，直接观看到每一个模组的运转状态(功率输出、模组温度、故障讯息、模组识别码)，如果有异常的话可以马上进行维修或是更换，让整个太阳能发电系统可以运作顺畅，由于微逆变器是安装在模组的背后，所以紫外线对于微逆变器的老化影响也较低。

微逆变器规范：

UL 1741 CSA 22.2, CSA 22.2, No. 107.1-1 IEEE 1547 IEEE 929 FCC 47CFR, Part 15, Class B Compliant with the National Electric Code (NEC 1999-2008) EIA-IS-749(纠正过的主要应用寿命测试，电容所使用的规范)

微逆变器测试：

1.微逆变器牢靠度测试：微逆变器重量+65磅*4次
2.微逆变器防水测试：NEMA 6[水中1米连续运转24小时]
3.符合IEC61215的测试方式湿冷冻：85℃/85%R.H.←→-45℃/110天
4.微逆变器的加速寿命试验测试[共110天，需在额定功率下动态测试，已确保微逆变器可耐用20年以上]：
步骤一：湿冷冻：85℃/85%R.H.←→-45℃/10天
步骤二：温度循环：-45℃←→85℃/50天 步骤三：湿热：85℃/85%R.H./50天