光伏微型逆變器作為一種新型的光伏併網裝置，有著廣闊的發展前景。在追求長時間、高效率、穩定運行的設計目標的同時，應兼顧設備的體積和成本。本文根據微型逆變器的設計要求，對目前熱點研究的光伏微型逆變器典型主電路拓撲進行分析對比，指出軟開關技術在微型逆變器中的重要性，對光伏微型逆變器的研究具有一定的參考價值。
基本介紹
- 中文名：光伏微型逆變器
- 外文名：Solar microinverter
產生背景,特點,設計要求,電路,拓撲對比分析,
產生背景
在全球性能源危機的影響下，尋求高效、 持續、清潔的新能源成為當今國際發展的主題之一。而太陽能以其無比的優越性。成為人們解除能源危機的主要選擇之一。我國太陽能資源豐富，太陽能作為傳統能源的替代能源具有巨大的經濟效益和戰略意義。
光伏併網發電是目前人們使用太陽能的重要方式。傳統集中式光伏併網系統是由許多緊密相連的太陽能電池板組成。這些電池板首先分組串聯，然後並聯起來形成光伏陣列。陣列產生的直流電會流到位於電池板側旁的集中式併網逆變器，由其逆變器完成 DC/AC 轉換連線到電網，並找出最大功率跟蹤點以最佳化光伏併網系統的效率。隨著技術日趨成熟和不斷發展，集中式光伏併網發電系統的存在的問題也逐漸引起了關注。
特點
(1) 可靠性：集中式光伏併網發電系統中，逆變器是整個系統中的關鍵環節也是薄弱環節，單台逆變器的故障可能會導致整個系統的崩潰，裝置維護期間光伏陣列產生的能量便被浪費。
(2) MPPT 跟蹤效率： 雖然大多數集中光伏逆變器生產廠商宣稱跟蹤效率可以達到 99%，事實上，由於其 MPPT 跟蹤針對的是整個光伏陣列，無法兼顧到每塊光伏組件。由於模組匹配、局部陰影等因素，實際光伏陣列輸出呈現多峰值特性。在光照功率不均時，進行統一的最大功率跟蹤，很可能能使陣列工作在局部最優點，集中式系統中通常每塊光伏電池組件均接有旁路二極體，用以將處於陰影情況下的光伏電池旁路。
(3) 系統可擴展性：集中式併網系統的連線方式決定了其系統可擴展性較差。針對集中式併網系統存在的問題，眾多學者提出了各種新型光伏併網系統，其中以串聯直流模組併網系統和微型逆變器併網系統為代表的分散式併網方案是當前研究的熱點。圖 1(b)、圖 1 (c)分別為串聯直流模組式併網系統和微型逆變器併網系統。由圖 1 可知，直流模組系統通過 DC/DC 變換器與光伏電池直接相連，跟蹤每塊電池的最佳工作點，而交流模組系統則是通過微型逆變器完成這一工作。兩種方案均能夠將 MPPT 做到面板級別。分散式光伏併網系統中每塊面板均工作在相應的最大功率點處，光伏電池利用率高於集中式併網方式。
由圖 1(b)、圖 1(c)可知，直流模組仍需集中式併網逆變器，系統的可靠性仍受集中式逆變器的限制。微型逆變器併網系統可以有效解決集中式併網方案中集中式逆變器的可靠性問題對系統的影響，該方案將微型逆變器裝置與光伏電池集成一體，支持熱插拔，用戶可根據需求安裝、擴展，是針對集中式併網系統所存在問題的最為徹底的解決方案。微型逆變器作為該方案的核心單元，是目前光伏併網裝置研究的熱點之一。
光伏併網系統設計要求
微型逆變器設計應重點考慮以下幾個方面。
1) 功率密度： 微型逆變器要求具有高的功率密度，整體電路應具備較小的體積。
2) 轉換效率： 由於目前光伏電池能量轉化效率不高， 因此光伏併網設備的效率每提高1%都能夠帶來巨大的經濟價值。
3) 可靠性： 集中式併網逆變器平均首次故障時間(MTFF)通常為 5 年，平均故障時間(MTBF)約為10 年。光伏電池的壽命達 20 年以上，因此微型逆變器壽命設計指標必須與光伏電池相當才能體現出該方案的優勢。其 MTBF 應大於 20 年， MTFF 為10 年以上。
4) 成本： 交流模組系統為每塊光伏面板均配置微型逆變器，這就要求微型逆變器成本較低，電路中應包含較少的器件。其控制器在能處理所有的控制、 通信和計算任務， 同時亦必須具有較低的價格。
目前對傳統光伏併網系統的研究已經取得非常多的成果， 在微型逆變器併網系統的設計中可借鑑採用這些成果。本文將針對不同微型逆變器主電路，進行具體的研究和分析。
電路
3.1.電路結構：
由於單塊面板輸出電壓較低，為使直流側電壓高於網側峰值電壓，微型逆變器應具備升壓環節。
目前微型逆變器多採用高頻變壓器，該方案具備較高的功率密度，效率高，而且能夠實現光伏電池與網側的電氣隔離。
基於高頻變壓器的單級式電路結構較為簡單，而多級式電路結構通常較為複雜。根據功率變換方式的不同，可分為兩類。首先將直流電通過前級變換器變換為高頻交流電，變壓器次級整流為直流，最後經過逆變環節轉換為工頻交流。若前級高頻交流電為按照正弦脈寬調製，次級可直接通過周波變換器直接變換為工頻交流電。有研究提出一種基於 Boost 變換器和乘法升壓單元組合的高增益升壓變換器，亦可作為兩級式變換器直流升壓環節。有研究]對兩種DC/DC 升壓方式進行了研究，基於 Boost 和升壓單元級聯的解決方案效率為 94.5%~95.5%，文章指出引入無源緩衝電路後，該效率會進一步提升。採取高頻變壓器升壓方案效率約為 96%，兩種方案的效率相當。高頻變壓器可以實現光伏面板和網側的電氣隔離，目前大部分微型逆變器拓撲升壓環節均採用高頻變壓器。若採取高增益 DC/DC 變換器升壓方案，逆變器可以考慮採用如圖 4 所示的 H5 等非隔離型逆變器拓撲，該類型拓撲能夠有效抑制漏電流。
3.2.功率解耦環節：
當光伏電池穩定工作在其最大功率點時，逆變器輸入功率 Pin 是恆定的，而逆變器的輸出功率 Po 卻是瞬變的， 逆變器輸入輸出存在瞬時功率不平衡問題，反映在光伏電池輸出側表現為其輸出電壓包含有二倍頻的擾動分量。該擾動會影響最大功率跟蹤的效率，降低對光伏電池的利用率。為此，應引入功率解耦方案抑制該二次擾動。
傳統的解決方案為在光伏電池與逆變器之間安置解耦電容，電容容值的選取由式(1)、式(2)可得。
公式式中： C 為前側解耦電容容值； Pin 與 Po 分別為輸入和輸出功率； Umax 和 Umin 分別是電容電壓的最大值和最小值； ΔU 是電容的電壓波動值； Udc 為電容承受直流電壓均值。
單塊光伏電池輸出電壓通常 23~45 V 左右，輸出功率範圍在幾十瓦到幾百瓦之間。由於光伏電池輸出電壓較低，若要抑制二次擾動在合理範圍內，由公式(2)可知必須在光伏輸出側所需電容容值較大，通常選用較大容值的電解電容。該方案雖然簡單有效，但是電解電容不僅體積大，而且壽命短，影響了微型逆變器的工作壽命和穩定性，與微型逆變器高可靠性長壽命設計指標顯然不符，已被證實是影響微型逆變器設備壽命的主要因素。
新型功率解耦方案是當前微型逆變器研究的重點。目前出現了多種用以取代電解電容的功率解耦電路，可歸納為以下三種：
(1) 引入附加解耦電路，將二次功率擾動轉移到解耦電路中，使得逆變器兩側瞬時功率相等。
(2) 由式(2)可知，提高直流側輸入電壓或電容電壓波動值增大都可降低所需電容容值，該方案多見於兩級式逆變電路。
(3) 三相微型逆變器，三相橋式電路輸出和輸入瞬時功率平衡，不存在功率擾動，只需一個小電容濾除高頻紋波。
3.3.具有功率解耦功能的微型逆變器拓撲
目前提出微型逆變器拓撲類型多為單級式和多級式。傳統採取電解電容的功率解耦方案可靠性低，而採取改善型功率解耦方案的微型逆變器具備更高的可靠性，是微型逆變器研究的趨勢所在。主要對目前提出的微型逆變器電路中包含如上改善型功率解耦方案的微型逆變器拓撲進行研究。
單級式微型逆變器：
單級式微型逆變器通過高頻變壓器，直接將光伏電池輸出的直流電源變換為網側交流電源，無需其他轉換環節，結構上簡單，但是控制比較複雜。目前針對單級式微型逆變器的研究多集中在反激式電路結構上，該類型逆變器所用器件少，成本低，可靠性高，適合套用於小功率場合。
有研究提出了一種具有解耦電路功能的拓撲結構。該拓撲在傳統反激式逆變器的基礎上引入功率解耦電路，將二倍頻功率擾動通過解耦電路轉移到解耦電容中，光伏電池輸出側僅需小容值電容濾去高頻紋波。變壓器漏感中的能量亦可通過解耦電路存儲到解耦電容中。該方案首先將輸入到激磁電感中的能量全部轉移到解耦電容當中， 之後通過脈寬調製策略控制開關管 S1 的導通和關斷，能量傳遞到二次側。解耦電路需要對全部的能量進行處理，功率損失嚴重，效率較低，文中表明改變換器的效率僅為 70%。
多級式微型逆變器：
兩級式逆變器首先通過 DC/DC 升壓環節對光伏電池輸出電壓升高至大於網側峰值的電壓值，並進行最大功率跟蹤，然後通過後級逆變器轉換為併網交流電。
有研究探究了一種基於移向全橋軟開關電路的微型逆變器 ， 該電路前側採用基於全橋 DC/DC 變換器進行升壓，後級為電流型逆變器，該逆變器整體均採取小容值電容，且運用軟開關技術進一步提升效率。文中指出逆變器的峰值效率為 89%。
拓撲對比分析
基於改進型功率解耦方案的微型逆變器具有更高的可靠性，也是目前微型逆變器研究的重點。然而該類型微型逆變器仍然存在電路結構較為複雜，效率普遍不高的缺點。部分微型逆變器拓撲對比，可知：
1) 在單級式微型逆變器中， 引入附加的功率解耦電路後，雖然能夠有效抑制二次功率擾動，使得微型逆變器具有較長的工作壽命成為可能，但同時不可避免地增加了設備的體積和成本，降低設備的整體效率，控制和電路拓撲都變得複雜，尋求一種更為高效簡潔的解耦方案是單級式微型逆變器要解決的問題之一。
2) 多級式微型逆變器電路結構複雜， 能量轉換次數多，整體效率下降。該類型電路大多通過升壓環節提高解耦電容端電壓的方法來減小電容容值。基於高增益升壓直流升壓電路的微型逆變器由於失去了變壓器的隔離，還需考慮共模漏電流問題，而非隔離型併網裝置的控制和拓撲均較為複雜。多級式微型逆變器所需器件較多，一定程度上增加了設備的成本。
3) 三相型微型逆變器通常也為兩級式， 仍需升壓環節，整體電路所需器件較多，成本較單相式逆變電路高。無升壓環節的三相拓撲雖然效率較高，但目前套用對象僅限為特定的大功率輸出光伏面板，並不具備普遍性。如若引入升壓環節，該類型拓撲和多級式拓撲類似，電路所需器件亦較多。由於微型逆變器多採用小容量的逆變器設計，其效率相對較低，而且成本較高。通過分析目前提出的微型逆變器結構可知，單級式微型逆變器由於結構簡單，所需開關數目較少，成本相對於多級式逆變器較低，且效率相對較高，若能進一步改進功率解耦電路，同時引入軟開關技術，使功率解耦電路和逆變器電路均工作在軟開關狀態，不僅能降低主電路的損耗，提高整體效率，還能減少器件的發熱，進一步提升系統的可靠性，高效率低成本的單級式微型逆變器將更具吸引力。另外，影響微型逆變器可靠性的因素還有很多，當前對於提高微型逆變器工作壽命問題的研究主要集中在如何取代電路中電解電容這一方面，實際中微型逆變器的極端工作環境、 封裝、製作工藝等均會影響設備的可靠性。在微型逆變器設計中應綜合考慮多方面的因素，以使變換器具有更好的性能。
