一群中国电气工程师正在推动重塑光伏产业标准，加速走向可持续发展的未来。
太阳能将在未来几十年成为全球首要清洁能源之一。与传统电能来自相对少数的集中式电源不同，光伏面板通常分散在住宅和商业建筑的屋顶以及小型太阳能电厂。
这种供电模式被称为分布式光伏发电，与传统电力供应相比，分布式光伏发电面临一定的技术挑战，导致其存在电力供应波动和潜在的安全问题。
浙江大学的电力电子工程教授何湘宁带领团队，致力于攻克这些问题。十五年来，这些科学家开发了一系列技术，希望通过简单的开关操作安全高效地实现分布式光伏发电。他们的研究成果已经催生了若干衍生公司。
智能协调
“分布式光伏技术还远未成熟。”何教授说。“但在相对早期的阶段我们先行一步，”他说，他们的目标是取得重大突破，迅速推动该领域向前发展。由于做出了突出的贡献，何教授团队在2017年获得了中国的重要科研荣誉——国家自然科学奖。
在分布式光伏系统中，不同组件之间的通信关乎到故障检测、响应式能源生产、优化能源输出和优化组件寿命，具有重要意义。
目前，分布式光伏组件通过有线和无线协议进行通信，包括电力线通信（PLC）技术，该技术通过电力线发送数据信号。与此同时，分布式光伏系统中的光伏变换器将光伏面板的输出增至更高、更实用的电压。
2020年，何教授及其团队向这些常规方法发起挑战，开发了“会说话的(能信同调)”电力变换（TPC）技术1，将电力变换和通信融合起来。TPC在脉冲模式中编码信息，包括从一开始就在电能信号中的参数信息，变换器利用该信息改变直流电压。
为了解释这种差异，何教授做了一个类比——一个是收获后贴上原产地标签的苹果，另一个是被改造成带着标签生长出的苹果。他解释说，TPC不需要单独的通信通道，可以提高效率、可靠性和安全性，并降低分布式光伏系统的成本。重要的是，它能够用于调节储能系统中电池的充放电。
荷兰房屋上的光伏面板。浙江大学的衍生公司禾迈向美国和欧洲提供微型逆变器，这是将光伏直流电转换为交流电以供户用或电网的组件。图片来源：禾迈
浙江大学的衍生公司禾迈采用屋顶分布式光伏供电（左）。浙江大学开发的“会说话的(能信同调)”电力变换（TPC）技术被用于控制光伏系统（右）。TPC有望提高光伏发电的效率、可靠性和安全性。图片来源：禾迈
业内成果丰硕
目前已有数百篇关于TPC技术的论文发表出来。2024年8月，电气与电子工程师协会（IEEE）在其《IEEE电力电子新兴和精选主题期刊》（IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics）上专门推出了一期关于该主题的特刊，收录了美国、欧洲和中国研究人员的研究成果。
李武华在何教授的指导下完成了博士学位，现任浙江大学电气工程学院的副院长。提到学院的使命，他强调学院致力于为人类福祉服务，比如开发负担得起的可再生能源。
“要让分布式光伏发电的潜力充分发挥出来，就是要使之更安全、更便宜、更紧凑、更方便、更可靠和更耐用。”他说。
何教授团队对逆变器做出了重大改进，李武华也是团队一员。逆变器是分布式光伏系统的关键组件，将光伏面板的低压直流输出转变为电网所需的高压交流电。李武华表示，何教授团队是全球研究高升压电力变换技术的先驱团队之一。
过去认为高压升压和电力电子转换是不可能实现的
首先，2011年他们设计了一种新型电子交直流变换器，不仅紧凑、安全，而且能够实现高压升压2。这项先进的技术不要求将光伏面板串联起来来实现高压，因而提高了安全性，另外也提高了效率，因为当以并联而非串联方式连接时，光伏阵列的输出不受其性能下限面板的限制。
次年，该团队基于上述成果，实现了许多工程师认为不可能的事情。在一篇高被引论文3中，他们描述了一种拓扑结构——将不同的光伏单元、储能系统和电网连接起来的方式，实现高压升压和电子交直流变换。该拓扑结构还消除了“漏电”，即工程师所指的意外电流流动。
“传统上，将直流电变换到交流电网里，需要笨重的大型模拟变压器隔离，还会有额外的升压步骤。”何教授解释道。通过单级融合电子交直流变换和电压升压，该团队的逆变器设计既减少了功率损耗，又提高了安全性3。
可靠的电力
这些重大突破是衍生公司禾迈（Hoymiles）的基础，禾迈同样位于杭州，由浙江大学校友、何教授曾经的博士生杨波创立。
禾迈的产品主要销往美国和欧洲，如今已是全球第二大微型逆变器制造商——微型逆变器是分布式光伏系统的核心组件。
“我们的产品具有高转换效率，因此我们能够提供10年保修，不过我们预计其使用寿命达25年。”杨波说。
自四年前TPC技术问世起，禾迈便开始使用这项新技术来优化光伏阵列的输出。要让分布式光伏电力进一步向稳定电网电力靠拢，还需要光伏发电和现场电池之间的精细协调。这就是为什么另一家专注于储能的公司协能科技（BMSer，也由浙江大学校友创立）也在其产品中采用TPC技术。
何教授明确表示了他对这项技术的展望。“我们希望未来当行业臻于成熟并形成标准时，TPC技术是其中之一。”他说。
参考文献：
1. He, X., et al., Nature Commun. 11 (1), 2479 (2020).
2. Li, W. & He, X. IEEE Trans. Ind. Electron 58 (4), 1239 (2011).
3. Yang, B. et al., IEEE Trans. Ind. Electron, 27 (2), 752 (2012).
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