线)有效的转换为电能[B13]-[B14]，这些新型光电转换组件的发展，将有助于太 阳能发电的普及。 太阳能发电目前的印象是不符经济效益，然而近年来，太阳能电池的制造技 术已获得显著的进展，根据德国太阳能研究院 2002 年的研究成果报告，以研制 成功厚度仅 25 微米的超薄型硅晶圆，如图 3 所示硅晶圆的制造成本约占太阳能 电池成本的 40-50%，目前一般使用的太阳能电池的硅晶圆厚度约为 330 微米， 太阳能电池硅晶圆的厚度对其生产成本具有重大的影响， 由于超薄型硅晶圆太阳 能电池技术的发展， 未来 3-5 年太阳能电池的售价将大幅降低，对太阳能发电的 推广将产生重大的影响。另一方面，并网型太阳能逆变器由于不需要电池，同时 由于技术日益成熟， 具有很大的价格调降空间，再加上近年来石油价格的不断上 扬，预测未来 3-5 年，3-10KW 家用并网型太阳能逆变器发电系统将符合投资的 经济效益。 太阳能逆变器可分为三种型式：离线型(off-grid)或称之为独立 (stand-alone)型，此种逆变器由电池供电，产生方波或弦波型式的交流输出， 提供独立系统的用电， 但无法与市电并联。 并网型(grid-connected or line-tied) 逆变器产生与市电同步的弦波电流输出，可与市电并联，将太阳能电池的输出电 能直接转换为市电，但无法独立供电；第三种混和型(hybrid)逆变器，除了具备 并网型的优点之外，可连接电池，对特定连接的负载可提供独立供电，具有不断 电系统的功能。 并网型太阳能逆变器直接将太阳能转换的电能馈入公共电力网络， 不需要体 积庞大、价格高、不易维护的电池组，有如一个独立的小型发电机，可构成分布 式发电系统，藉由新型的『净电表』(net meter)，用户可以向电力公司领取发 电费，形成住宅发电系统，这种新形态的电力产生方式，将引发新形态的商业竞 争，间接促进低成本高效率发电技术的发展。 小型住宅发电系统的电能来源主要是日光能、风能、与天然气[A12]，日光 能可藉由太阳能电池转换为电能[A13]，风能可藉由小型风力发电机转换为电能 [A14]， 天然气可藉由燃料电池转换为电能[A15]-[A16]，图 3 所示是一个利用日
目 录
1. 简介 2. 系统架构 3. 电路拓扑 4. 效率 5. 最大功率追踪控制 6. 并网控制技术 7. 孤岛效应侦测与保护 8. 商品化实现技术的发展 9. 未来发展趋势 10. 结语
11. 参考文献
1. 简 介
再生能源(renewable energy)系指可自行再生的能源，例如日光能、风能、 潮汐能、地热能、生物废料能等等[A1]-[A4]。将再生能源有效且经济的转换为 一般民生供电，已成为先进科技国家兼顾发电与环保的重要产业发展政策。 根据全世界石油生产统计[A5]-[A6]，1998 年 3 月份的科学美国人杂志的一 篇文章(The End of Cheap Oil)预估石油产量将于 2004 年达到高峰[7]，尔后产 量将逐年降低，这不仅意味着油价(包括电价)将不再便宜，也将导致能源危机 [A8]，间接引发全球经济风暴。2004 年 8 月 8 日美国纽约商业交易所原油交易 价格创下每桶 44.77 美元的 21 年以来新高，美国哥伦比亚大学教授吉姆罗杰斯 (Jim Rogers)预测国际原油价格未来有可能突破每桶 100 美元，新一波的能源危 机已隐然启动， 有鉴于再生能源对未来世界经济与环保发展的重要性，各先进国 家无不全力推动再生能源的发展计划[A9]-[A11]。 应用太阳能于再生能源发电系统，由于具有环保与易于安装等优点，再加上 商品化技术的成熟与国家计划性的辅助推动， 已成为先进国家发展分布式电源系 统的主要选择。太阳能逆变器(Photovoltaic Inverter, 简称 PV inverter)可 直接将太阳能光电池所产生的电能馈入市电，如图 1 所示，因此不仅可提供使用 者的自用电源， 也可提供公众电源另一种型式的电力来源，形成一个分布式的发 电系统。
光能、风能、与天然气的再生能源住宅发电系统，再生能源所产生的电力可直接 馈入公共电网或储存于蓄电池， 其中并网型逆变器是这些电能转换系统与市电连 结的共同装置，亦统称之为 power conditioner，负责住宅用户的电力质量，其 命名与冷气机(air conditioner)负责住宅用户的空气质量有相似的意思。
控制技术、输出功率因子控制、市电并联控制、孤岛效应侦测与保护技术、检测 技术等等。 这些研究对于并网型太阳能逆变器的商品化已奠定了相当的基础，然 而根据美国 NREL 的研究，目前销售的光伏逆变器仍然有相当多的技术问题有待 改善[19]-[21]。这些问题可分为三个层面来看，其一是关于太阳能光电池效率 与可靠度的改善，其二是关于光伏逆变器系统效率与单位成本(US$/Watt)的改 善， 其三则是关于量产技术的改善与法规的建立。为了因应未来分布式电源供应 网络的发展趋势， 美日欧洲等先进国家，已开始制订太阳能发电系统的安装法规 [22]-[26]，同时也着手修改相关的电力法规。 综上所述， 可以了解并网型逆变器在未来分布式电力供应系统中所扮演的关 键角色，本文特别针对其中发展最快、应用潜力最大的并网型太阳能逆变器，对 其技术发展现况与趋势作一报导。
图 8. 变压器隔离型太阳能逆变器
(a) Transformerless two-stage PV inverter
(b) Transformerless single-stage PV inverter
图 7. 并网型太阳能变频电路架构的分类
图 8 为变压器隔离型太阳能逆变器，可藉由变压器调整电压转换范围，因此 可适用于宽广的太阳能模块输出电压范围，图 8(a)为低频隔离型，优点是可采 用低开关频率、效率高，缺点是低频输出变压器体积较大，输出功率受限于输出 变压器。图 8(b)为高频隔离型，优点是体积较小，输出级为电流馈入变流器， 采用市电开关频率界已降低损失，输出功率因子大约 0.9。
(a) 中央集中式
(b) 线型串联式 图 4. 太阳能发电系统的系统架构示意图
(c) 单板模块式
图 5. 并网型太阳能发电系统的系统架构选择的考虑
图 6. 太阳能电模块系统架构设计的考虑
3. 电路拓扑
设计一个高效能的太阳能逆变器， 电路拓扑的选择， 扮演着非常重要的角色， 因为电路拓扑主要关系着效率与成本，同时也可能涉及专利导致商业诉讼。 太阳能逆变器的电路架构基本上是一个采用输出电流控制的直流转换成交 流的变流器(inverter)， 图 7 是并网型太阳能变频电路架构的分类，根据输出的 电源型式可分为单相与三相，若根据输出电流的波形，则可分为方波式、弦波、 以及堆栈近似弦波等；根据转换级数，可分为单级式与双级式；根据转换电压阶 数， 可分为二阶式、 三阶式与多阶式； 根据开关切换的方式， 则可分为硬切(hard switching)与柔切(soft switching)等型式[D1]-[D12]。早期的(1985-1995)太 阳能逆变器多采用双级式架构，近年来(1996-2004)新型的太阳能逆变器多采用 单双级式架构再配合柔切电路以提高系统的效率。
图 1. 太阳能发电系统的系统架构示意图
图 2. (a)目前广泛使用的各型太阳能电池，(b) 新型 25 微米的超薄型太阳能电 池的硅晶圆薄膜 资料来源： 德国太阳能研究院 2002 年的研究成果报告 (IST2002 Annual Report) 以往之太阳能电池的效率过低，目前销售的太阳能电池的效率约介于 15-18%，其可靠度有待改善，平均故障时间仍低于 10 年，且具有导体材料，如 Crystalline Silicon、Thin Film Silicon、Amorphous Silicon、CIS: Copper Indium diSelenide、Cadmium Telluride (CdTe)，可进一步解决这些问题[B1]-[B5]。 在实验室中，利用一种称之为 PERL (passivated emitter, rear locally diffused)的硅组件光电转换技术，已可达到 23.1%的光电转换效率[B12]。另一 种称之为热光电组件(Thermophotovoltaics device)的技术，可将热能(含红外
图 3. 再生能源住宅发电系统示意图 再生能源的住宅发电系统与小型发电中心可形成由用户提供电能的分布式 发电系统[17]-[18]，不仅可以兼顾环保的方式提供电能，促进市场导向电力经 济的发展， 也可提供更可靠的电力质量。未来这种采用再生能源的住宅发电系统 将有如白色家电与信息家电一样的广泛的进入现代化家庭， 不但具有广大的商业 发展潜力，也才能确实的从环保基础建立优质的生活与环境质量。 关于并网型太阳能逆变器相关的研究，国内外已有相当的发展，这些研究包 括新型电路架构的发展、转换效率的改善、最大转换能量追踪控制、数字式并网
目前较常使用的单板太阳能模块其开路电压约介于 17-22 VDC，额定输出功 率约为 75-100W，设计时主要根据太阳能发电系统装置的容量与输出电压准位决 定太阳能模块的组合方式，其系统架构的考虑可参考图 6。 假设单板太阳能模块的最大输出功率为 PMP、最大功率转换电压为 VMP、最大 功率转换电流为 IMP，则 N x PMP 即为装置容量，为了平均以及最佳化每块太阳能 模块的输出功率，其排列方式会采用相同型号的太阳能模块，采取 N=M x L 的矩 阵组合方式，M x VMP 即为太阳能数组(PV array)的额定输出电压，L x IMP 即为 太阳能数组的额定输出电压流。 由于 N, L, M 均是整数，同时为了降低接线损失， 会采取紧密的配置结构以降低配线长度，因此仅能产生少数几种组合，在低功率 系统会造成相当大的电压变化， 为了克服此一问题，在中低功率的并网型太阳能 发电系统，其逆变器通常采用两级式电路架构。
2. 系统架构
并网型太阳能发电系统根据太阳能模块(PV module)的组合方式，可分为如 图 4 所示三种主要方式， 中央集中式其直流链可提供高压高流输出，主要应用于 大型(>5 kW)高功率三相并网发电系统；线型串联式其直流链提供高压低流输出， 主要应用于中型(2-3 kW)中功率单相三线式并网发电系统；单板模块式一块太阳 能模块配有一个专属的 PV inverter，输出容量受限于由于单板太阳能模块的容 量，一般介于 75-200W，应用于小型单相并网发电系统，其优点是容易扩充。 并网型太阳能发电系统的架构主要决定于效率与成本因素， 系统架构选择的 考虑可参考图 5。大型的太阳能发电系统为了提高整体效率，通常采用高压高流 三相的单级式转换架构， 因此其太阳能模块的排列方式必须产生一个高压高流的 直流输出，反之，小型太阳能发电系统由于太阳能模块低电压的限制，单板太阳 能模块的开路电压约介于 17-22VDC，因此需要以两级方式，先经由 DC-DC 升压 器将低压直流予以升压，再经由 DC-AC 变流器，将直流转换为交流输出。