光伏发电系统中的微型逆变器

赵亚丽，薛慧杰，陈志新

（北京建筑大学 电气与信息工程学院，北京 100044）

全球化石能源的紧缺情况日益严重，常规能源的消耗也迅速增加。常规能源消耗带来污染和温室效应对全球的环境造成非常严重的后果。因此太阳能作为清洁无污染的可再生能源被世界各国一致看好［1］。全球能源专家们一致认定［2］:太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。

光伏发电是太阳能的主要利用形式，逆变器是光伏发电系统的重要组成部分，其功能是将直流电转换为交流电。光伏发电系统中，光伏阵列所发的电是直流电，然而许多负载如变压器和电机等需要交流电。直流供电系统有很大的局限性，负载应用范围有限，也不便于接入交流大电网。因此除特殊的用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。光伏逆变器是太阳能光伏发电系统的核心部件之一，其效率的高低、可靠性的好坏将直接影响整个光伏发电系统的性能［3］。

1 逆变器

目前在光伏发电系统中使用最多的逆变器是集中型逆变器，就是把大量的光伏组件串并联组成光伏阵列后再连接至一个大型逆变器。光伏阵列工作于一个总的最大功率点（MPP）。当有部分光伏组件被遮挡时，不但被遮挡的组件发电量下降，其他未被遮挡的组件发电量也会受到极大的影响，从而使得整体效率急剧下降。因此，太阳能系统新的发展趋势是将每一块光伏组件都连接至单个微型逆变器。这样一来，性能较差的光伏组件就不会影响到整个系统，从而提高了整体光伏系统的发电效率，缩短系统初期成本的回收时间［4］。

逆变器的基本要求:

（1）具有较高的效率

由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度的利用太阳能电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

（2）具有较高的可靠性

我国目前的光伏电站主要位于荒漠地区，还有一些光伏电站无人值守和维护，这就要求逆变器有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备完善的保护功能，如:输入直流极性接反保护、交流输出短路保护、过热、过载保护等。

（3）具有较宽的输入电压适应范围

由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度变化而变化。这就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内保证正常工作。集中型逆变器系统的特点:直流为主的系统；直流能量损耗大；有高压安全隐患；理想化使用环境。整个系统使用单个集中型逆变器最主要的优点是简单和低成本。采用MPPT算法和其它技术可以在一定程度上提高基于集中型逆变器的光伏发电系统的效率。根据应用的不同，单个集中型逆变器拓扑的缺点也会很明显。最突出的是可靠性问题:只要这个逆变器发生故障，那么在该逆变器被修好或更换前，所有光伏组件产生的能量都不能得到有效利用。此外遮挡问题也是集中型逆变器无法克服的一个严重问题。基于集中型逆变器的光伏系统极易受到实际操作环境的影响，在BIPV中，这个问题尤为严重，外形奇特的建筑结构更容易造成阴影。只要几块光伏组件有阴影或树叶遮蔽，整个系统的发电量便会大幅地下降。具体来说，只要有10%的电池板面积被遮盖，系统的总发电量便会下跌50%，影响情况如图1所示。

图1 遮挡对发电的影响情况

2 微型逆变器

2.1 微型逆变器系统

微型逆变器也叫光伏模块集成逆变器，是一种可以优化光伏发电系统的效率和可靠性的新型逆变器。与常规的集中型逆变器不同，它是连接到每块光伏组件板上，为每块光伏组件配备单独的微型逆变器使得系统可以适应不断变化的负荷和天气条件。当一块光伏组件受阴影遮蔽时，其余光伏组件的发电情况不受影响，从而能够为单块面板和整个系统提供最佳转换效率。微型逆变器架构还可简化布线，这也就意味着更低的安装成本。通过微型逆变器使业主的太阳能发电系统更有效率，系统“收回”采用太阳能技术的最初投资所需的时间会缩短。总之，微型逆变器可单独追踪每个模块的最大输出功率，改善遮蔽问题，增加电能输出，并大幅简化系统的线路设计。基于微型逆变的并网光伏发电系统如图2所示。

图2 基于微型逆变的并网光伏发电系统

微型逆变器的设计考虑因素:

（1）变换效率高

并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率，为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网逆变器具有较高的变换效率。

（2）可靠性高

由于微型逆变器直接与光伏组件集成，一般与光伏组件一起放于室外，其工作环境恶劣，要求微型逆变器具有较高的可靠性。

（3）寿命长

光伏组件的寿命一般为二十年，微型逆变器的使用寿命应该与光伏组件的寿命相当。

（4）体积小

微型逆变器直接与光伏组件集成在一起，其体积越小越容易与光伏组件集成。

（5）成本低

低成本是产品发展的必然趋势，也是微型逆变器市场化的需求。

2.2 微型逆变器与集中型逆变器的区别

（1）逆变器输入电压低、输出电压高

单块光伏组件的输出电压范围一般为20～50V，而电网的额定相电压峰值约为311V或156V，因此，微型逆变器的输出峰值电压远高于输入电压，这要求微型逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑；而集中式逆变器一般为降压型变换器，其通常采用桥式拓扑结构，逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压。

（2）功率小

单块光伏组件的功率一般在100W～300W，微型逆变器直接与单块光伏组件相匹配，因此其功率等级也是100W～300W，而集中式逆变器功率通过多个光伏组件串并联组合产生足够高的功率，其功率等级一般在10kW以上。

与集中型逆变器系统相比，为系统内每个太阳能电池板都配备一个微型逆变器会再次提升整个系统的转换效率。采用微型逆变器后，即便其中一个逆变器出现故障，能量转换仍能进行。

采用微型逆变器的其它优点包括能够利用高分辨率PWM调整每个光伏组件的转换参数。由于云朵、阴影和背阴会改变每个组件的输出，为每个组件配备独有的微型逆变器就允许系统适应不断变化的负载情况。这为各组件及整个系统都提供了最佳转换效率。

微型逆变器在应用中有如下优势:（1）安装简单:安装过程积木化，无需系统设计，单条电缆接入。（2）应用安全:微型逆变器功率较小，无人体可接触的直流危险电压，人身和火灾隐患小，安全性能更可靠。（3）智能化:产品可以实现远程监控，工作人员通过联动的远程自动控制系统，就能根据用电情况和电网的负载状态对电力进行及时调整。（4）费用低:前期投入和运行维修费用相对减少，安装所需的人力成本也比较低。（5）发电量大:微型逆变器使物体遮挡造成的阴影仅对单块组件效率有影响，以此达到每个系统的能量采集最大化，提高系统效率，从而保证了发电量。据研究报道，采用微型逆变器技术可以在现有技术的基础上，使光伏发电系统的发电效率提升5%～25%［5］。

微型逆变器与集中型逆变器的比较如表1。

表1 微型逆变器与集中型逆变器的比较

2.3 微型逆变器的关键技术

（1）微型逆变器的拓扑

微型逆变器的特殊应用需求决定了其不能采用传统的降压型逆变器拓扑结构，如全桥、半桥等拓扑，而应该选择能够同时实现升降压变换功能的变换器拓扑，除能够实现升降压变换功能外，还应该实现电气隔离；另一方面，高效率、小体积的要求决定了其不能采用工频变压器实现电气隔离，需要采用高频变压器。

可选的拓扑方案包括:高频链逆变器、升压变换器与传统逆变器相组合的两级式变换、基于隔离式升降压变换器的Flyback逆变器等几种，其中Flyback变换器拓扑结构简洁、控制简单、可靠性高，是一种较好的拓扑方案。

（2）高效率变换技术

为了减小微型逆变器的体积，要求提高逆变器的开关频率，但简单地提高开关频率必然导致开关损耗增加、变换效率下降，因此小体积与高效率两者之间是矛盾的。软开关技术是解决两者矛盾的有效方法。软开关技术可以在基本不增加开关损耗的前提下提高开关频率，从而提高微型逆变器的功率密度。

研究和开发简单有效的软开关技术并将软开关技术与具体的微型逆变器拓扑相结合是微型逆变器的关键技术之一。

（3）并网电流控制技术

并网逆变器中一般采用电流闭环控制技术保证其输出电流与电网电压同频同相，实现高质量的并网电流控制。具体控制策略有PI控制、重复控制、预测控制、滞环控制、单周期控制、比例谐振控制等。实现上述控制策略，一般采用霍尔元件检测逆变器的输出电流，进而实现并网电流的控制。

由于微型逆变器的功率较小，为了降低单位发电功率的成本，且考虑到体积要求，开发新型的高可靠性、低成本小功率并网电流控制技术是微型逆变器开发需要解决的另一个关键性问题。

（4）高效率、低成本最大功率跟踪（MPPT）技术

光伏发电系统的效率为光伏组件的光电转换效率、MPPT效率和逆变器效率三部分乘积，高效率MPPT技术对光伏发电系统的效率提高和成本降低有十分重要的意义。

常见的MPPT算法包括开路电压法、短路电流法、爬山法、扰动观察法、增量电导法以及基于模糊和神经网络理论的智能跟踪算法等，上述MPPT方法中一般需要同时检测光伏输出侧电压和电流，进而计算出并网功率，才能实现最大功率跟踪。

微型逆变器的功率较小，如果采用电阻检测输入侧电流，对微型逆变器的整机效率影响较大，而采用霍尔元件检测光伏侧电流则会增加系统成本及逆变器体积，因此针对微型逆变器的特殊要求，需要开发新型的无需电流检测的高效率MPPT技术。

（5）孤岛检测技术

孤岛检测是光伏并网发电系统必备的功能，是人员和设备安全的重要保证。针对微型逆变器的特殊应用需求，开发简单、有效、零检测盲区、不影响进网电流质量的孤岛检测技术是微型逆变器开发需要解决的一个重要课题。

（6）无电解电容变换技术

光伏组件的寿命一般为20～25年，要求微型逆变器的寿命必须接近光伏组件。而电解电容式功率变换器寿命的瓶颈，要使微型逆变器达到光伏组件的寿命，必须避免或减少电解电容的使用。因此研究和开发无电解电容功率变换技术是微型逆变器开发需要解决的另一个课题。

（7）信息通信技术

在由多台微型逆变器组成的光伏发电系统中，为了了解每台逆变器的运行状态，系统需要实时收集各个微型逆变器的信息，以实现有效的监测与管理，因此需要低成本、高效、高可靠性信息通信技术作为保证。

3 结束语

纵观光伏逆变器的发展历程，高效率、高功率密度、智能化、模块化将是其重要发展方向。微型逆变器由于具有效率高、模块化、系统扩展灵活、易于集成等突出优势，因此是未来最具发展前景和应用潜力的光伏逆变器。

国家政策的引导和激励将有力地推动微型逆变器的发展，2012年金太阳工程对关键设备的要求有所提高。并网逆变器方面，无隔离变压器型逆变器最大转换效率要求不低于97%，含变压器型逆变器最大转换效率要求不低于95%，并鼓励采用高发电性能、高智能管理、安装灵活方便的新型逆变器［6］。微型逆变器就是一种具有上述特征的新型逆变器，符合我国BIPV发展的方向。因此可以预计微型逆变器将在我国BIPV中得到广泛的应用。

［1］刘丽丽.一种新型光伏并网逆变器的研究［J］.科技信息，2011，（26）:100－101.

［2］A.A.M 赛义夫.太阳能工程［M］.北京:科学出版社，1984.

［3］岳 舟.一种新型Buck－Boost光伏逆变器研究［J］.电力电子技术，2011，45（6）:14－16.

［4］王岫晨.微型逆变器提升太阳能系统整体效能，提高输出功率［J］.集成电路应用，2012，（1）:14－15.

［5］黄 寻.光伏并网逆变器发展情况概述［J］.新材料产业，2011，（11）:72－75.

［6］财建〔2012〕21号.关于做好2012年金太阳示范工作的通知［Z］.2012.