什么是逆变器？
逆变器是太阳能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 (DC) 电转换为电网使用的交流 (AC) 电的设备。在直流电中，电流在一个方向上保持恒定电压。在交流电中，当电压从正变为负时，电流在电路中双向流动。逆变器只是调节电力流动的称为电力电子设备的一类设备的一个例子。
从根本上说，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，直流输入变为交流输出。此外，滤波器和其他电子设备可用于产生可以注入电网的干净、重复的正弦波电压。正弦波是电压随时间变化的形状或模式，它是电网可以在不损坏电气设备的情况下使用的功率模式，它被构建为在特定频率和电压下运行。
第一个逆变器创建于 19 世纪，是机械式的。例如，旋转电机将用于连续改变直流电源是正向连接还是反向连接。今天，我们用晶体管制造电气开关，晶体管是没有活动部件的固态设备。晶体管由硅或砷化镓等半导体材料制成。它们根据外部电信号控制电流。
1909 年 500 千瓦的西屋“旋转转换器”，一种早期的逆变器。插图由维基媒体提供。
如果您有家用太阳能系统，您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门户。太阳能电池储能系统依靠先进的逆变器在没有电网支持的情况下运行，如果它们被设计成这样的话。
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，然后蒸汽使涡轮发电机旋转，从而产生电力。这些发电机的运动会在设备旋转时产生交流电，这也会设置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——那么能量从电网中移除的速度会比提供能量的速度快。结果，涡轮机将减速并且交流频率将降低。由于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抵抗其运动的变化一样，这种特性称为惯性。
随着越来越多的太阳能系统加入电网，更多的逆变器连接到电网，比以往任何时候都多。基于逆变器的发电可以以任何频率产生能量，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，过渡到具有更多逆变器的电网需要构建更智能的逆变器，这些逆变器可以响应频率变化和电网运行期间发生的其他中断，并帮助稳定电网以应对这些中断。
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持全系统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。一般而言，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中断期间保持开启或“渡过”，如果中断持续很长时间或大于正常情况，它们将断开与电网的连接并关闭。频率响应尤为重要，因为频率下降与发电意外停电有关。为了响应频率的变化，逆变器被配置为改变它们的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，随着电力系统的其他供需波动而改变其功率输出，这种电网服务被称为自动发电控制。为了提供电网服务，逆变器需要有它们可以控制的电源。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。
一些高级逆变器可以提供的另一种电网服务是电网形成。如果电网出现故障，形成电网的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逆变器试图匹配的信号。更先进的并网逆变器可以自己生成信号。例如，一个由小型太阳能电池板组成的网络可能会指定其中一个逆变器以并网模式运行，而其他逆变器则跟随它的领导，就像舞伴一样，形成一个稳定的电网，而无需任何基于涡轮机的发电。
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——总是在来回切换，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有延迟，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，从而导致效率下降。需要更多的总功率才能产生相同数量的“实际”功率——负载可以吸收的功率。为了抵消这一点，公用事业提供无功功率，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，由于无功功率难以远距离输送，屋顶太阳能等分布式能源是特别有用的无功功率来源。
一名工人在德克萨斯州克鲁格维尔的 2MW CoServ 太阳能电站检查逆变器。照片由 Ken Oltmann/CoServ 拍摄。
逆变器的类型
有几种类型的逆变器可以作为太阳能系统的一部分安装。在大型公用事业工厂或中型社区太阳能项目中，每个太阳能电池板可能都连接到一个 中央逆变器。 串 式逆变器将一组面板（串）连接到一个逆变器。该逆变器将整个串产生的功率转换为交流电。尽管具有成本效益，但如果任何单个面板遇到阴影等问题，此设置会导致串上的发电量减少。 微型逆变器 是放置在每个面板上的较小逆变器。对于微型逆变器，一个面板的阴影或损坏不会影响可以从其他面板获取的功率，但微型逆变器可能更昂贵。两种类型的逆变器都可能得到一个系统的辅助，该系统控制太阳能系统如何与附加的电池存储相互作用。太阳能可以直接通过直流电或转换为交流电后为电池充电。