光伏逆变器的研究现状综述

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(福州大学电气工程与自动化学院，福建　福州　350108)

1　引言

能源是促进社会经济发展的重要物质基础，在当今世界，能源的开发和利用是全人类共同关心的问题。目前，大量使用的能源主要是煤、石油等传统化石能源，但由于其不可再生性和过快消耗所带来严重的环境问题，导致能源危机日益加剧。而可再生能源发电将是可行的能够替代传统发电的发电方式，其中很重要的一种发电方式便是太阳能发电。目前，光伏发电主要通过并网发电，而光伏逆变器是光伏发电的关键设备之一，其性能的好坏能够直接影响整个发电系统的转换效率和成本高低，因此应该根据不同的系统需求，合理选择适用于该系统的光伏逆变器。

2　光伏逆变器的分类

光伏逆变器具有多种分类方式，根据有无变压器这一装置，可以分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器；根据系统功率转换的级数，可以分为单级式逆变器、双级式逆变器和多级式逆变器；根据逆变器输出的相数，又可以分为单相逆变器和三相逆变器[1]。本文根据光伏逆变器所适用的功率等级分为集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器，下面对典型拓扑结构的光伏逆变器进行介绍和分析。

3　光伏逆变器的拓扑结构

3.1　集中式逆变器

集中式逆变器的功率范围为100～1000kW，主要是应用于大型并网光伏电站。大型集中式并网光伏电站拥有数量较多的光伏组件，这些光伏电池板首先进行分组串联，然后将串联后的光伏组串进行并联成为光伏阵列[2]，最后利用汇流箱将光伏阵列与逆变器相连，由其完成DC/AC转换后接入电网。

目前，集中式逆变器多采用三相两电平的拓扑结构[3]，主要是由直流支撑电容、三相逆变主电路和滤波器三个部分组成，图1是其并网系统的拓扑结构图。该系统中光伏阵列的输出电压需要直流支撑电容进行稳定，当前最为流行使用的是薄膜电容，因为与电解电容相比，其介电常数和能量密度较大。三相逆变主电路则通过控制开关管的通断，将直流电逆变为交流电，并跟踪光伏阵列的最大功率点，以保证整个系统的发电效率。相对于L型滤波器和LC型滤波器而言，在大容量的光伏并网系统中，LCL型滤波器能够更为有效地抑制高频谐波，并且所需的总电感值较小，所以集中式逆变器多采用LCL型滤波器[4]。最后并网发电系统可以通过变压器接入不同电压等级的电网，从而满足系统不同的并网电压需求。

图1　集中式逆变器拓扑结构

集中式逆变器的主要优点有[5-6]：(1)集中式逆变器的集成度较高，成本较为低廉，功率密度较大，输出功率因数也较为稳定；(2)逆变器所需元器件的数量较少，可靠性较高，并网控制技术较为成熟，转换效率在98%以上；(3)集中式逆变器输出的电能质量较高，谐波畸变率能够控制在3%以下；(4)当电网电压波动时，能够在一定程度上适应其所带来的影响。

但是，目前集中式逆变器也正在暴露出一些问题。其主要缺点是[6-8]：(1)集中式光伏并网系统没有冗余能力，如果逆变器发生故障，那么系统将停止向电网输送电能，由于该发电系统的容量一般较大，因此造成的损失也较大；(2)集中式逆变器的维修通常是由厂家的专业人员到现场才能进行，维修所需的时间又较长，这使得逆变器故障后造成的发电量损失更加严重；(3)由于各太阳能电池板之间存在模块差异和局部阴影等问题，导致光伏阵列实际输出呈现多峰值特性，而集中式逆变器只用一路MPPT对整个光伏阵列进行最大功率点跟踪，因此发电系统很可能工作在局部最优点，造成系统的发电量受到损失。

3.2　组串式逆变器

组串式逆变器的功率范围一般在3～50kW之间，主要是应用于大中型的分布式光伏电站[9]。组串式逆变器的直流侧通常是并联若干串的光伏组件，一般为3串以上，每个光伏组串则通常由几块或十几块光伏电池板串联而成。而这些光伏组串的占地面积相对于集中式逆变器所并联的光伏阵列会小很多，这使得组串式逆变器能够更好地解决不同区域光照条件存在差异的问题，从而满足不同光照区域的发电需求。

组串式逆变器通常由DC/DC升压变换器、直流支撑电容、逆变电路和滤波器等组成，图2是其并网系统的拓扑结构图。第一级的DC/DC部分主要用于控制光伏组串输出电压的大小，从而对光伏组串进行最大功率点跟踪。对于并联在逆变器直流侧的光伏组串，组串式逆变器一般能保证1～2串光伏组件拥有一路MPPT跟踪电路，这样便能使系统直流侧光伏组件的一致性和匹配性大大提高。第二级的逆变电路和滤波器则主要是将系统的直流电转换为交流电，同时滤除谐波改善输出电流的电能质量。由于LCL型滤波器对高频谐波的抑制能力强并且受并网阻抗的影响较小，因此组串式逆变器一般也采用LCL型滤波器[10]。而当光伏组串输出电压能够满足系统的并网要求时，可以考虑省去DC/DC变换环节，从而改善逆变器的转换效率，同时节约了成本，但此时一定要在逆变电路的控制中加入MPPT的功能。

图2　组串式逆变器拓扑结构

组串式逆变器的主要优点有[10-12]：(1)组串式逆变器拥有多路MPPT跟踪电路，可以使每个光伏组串工作在最大功率点，从而减少因光伏组串间不匹配导致的发电损失；(2)组串式逆变器一般采用模块化设计，结构简单、小巧轻便，无需高级技工即可完成安装和调试，降低了施工工艺难度；(3)光伏组串能直接连接到逆变器，省去了汇流箱和直流柜，减少了直流回路线损，也提高了系统可靠性；(4)组串式逆变器的维修较为简捷，当出现故障时，可以先让现场的运维人员直接更换发生故障的逆变器，之后再对故障逆变器进行检修，从而避免了设备故障期间的发电量损失。

当然，组串式逆变器也存在一些缺点，主要有[13-14]：(1)逆变器所需电子元器件较多，而且功率器件和信号电路在同一块板上，这使得逆变器的设计和制造难度加大，逆变器的可靠性也稍差；(2)组串式光伏发电系统经过滤波器后直接并入电网，没有经过隔离变压器环节，易形成共模漏电流，电气安全性稍差；(3)由于组串式逆变器的单机容量相对较小，当应用于一个较为大型的光伏电站时，往往需要几十台甚至上百台逆变器并联运行，而当多台逆变器并联运行时，势必会在系统内部产生一定的环流，而环流会导致各逆变器的功率器件承受的电流应力不均衡，降低其使用寿命，也在一定程度上降低了系统的有效容量，限制了系统容量的增加，还造成了电路额外的损耗。

3.3　微型逆变器

微型逆变器的功率范围在200～500W之间，主要是应用于小型分布式光伏电站[9]。微型逆变器的直流侧只并联一块太阳能电池板，因此可以对每块电池板进行单独的DC/AC变换和MPPT跟踪。这种结构特点使得微型逆变器能够适用于存在阴影等光照条件复杂的地区。

由于单块光伏组件的输出电压较低，为了使其满足并网要求，微型逆变器就必须对其进行升压处理，当前多利用高频变压器来进行升压。微型逆变器的电路拓扑有很多种，根据功率变换方式的不同，主要有单级式和双级式。单级式微型逆变器主要由DC/DC变换器和周波变换器组成，其拓扑结构如图3所示。该电路结构首先通过DC/DC部分将电池板的输出电压和输出电流转变为正弦双半波电压和正弦双半波电流，再通过工频周波变换器将正弦双半波电流变换成正弦电流后接入电网。双级式微型逆变器则主要是由DC/DC和DC/AC变换器组成，两变换器的结合处为直流母线端，其拓扑结构如图4所示。该电路结构首先通过DC/DC部分将光伏组件输出电压升高到逆变所需的直流母线电压，再通过DC/AC部分将直流母线电压逆变为交流电后接入电网。

图3　单级式微型逆变器拓扑结构

图4　双级式微型逆变器拓扑结构

由于单级式微型逆变器的电路拓扑较为简单，所用功率器件的数目较少，降低了成本，而且只有DC/DC环节高频工作，效率较高，因此高效率低成本的单级式微型逆变器将更有利于分布式光伏电站的推广。单级式微型逆变器的电路拓扑结构有很多，目前针对其研究主要是集中在反激式电路的拓扑结构上，以反激式微型逆变器的应用也最为广泛[15]。下面简要介绍一种微型逆变器，即交错反激式微逆变器，图5是其拓扑结构图。该电路拓扑属于单级式拓扑，拓扑结构是两路反激变换器的输入侧与输出侧并联，再经工频极性反转桥和滤波器与电网相连，采用两路反激交错并联提高了逆变器的功率等级，并通过交错控制减小其输入侧与输出侧的电流纹波。

图5　交错反激式微逆变器拓扑结构

微型逆变器的优点主要有[16-17]：(1)在光照条件较为复杂的地区，仍然可以保证所有光伏组件工作在最大功率点，显著改善了整个系统的发电效率；(2)当某个微型逆变器出现故障时，其他逆变器依然能够正常运行，从而使其他太阳能电池板可以保持发电量；(3)微型逆变器和太阳能电池板是集成一体的，安装方便，支持热插拔，即插即用，用户可以按照需要进行安装和扩展；(4)微型逆变器多利用高频变压器进行升压，这使其具有较高功率密度和转换效率，还能实现光伏组件与网测电压的电气隔离，有效地解决了共模漏电流的问题。

然而，微型逆变器也还是存在一些不足之处[18-19]：(1)由于逆变器的输入输出有瞬时功率不平衡问题，导致光伏组件的输出电压会存在二倍频扰动分量，该扰动会影响最大功率点的跟踪效果，因此需要引用功率解耦方案，传统的做法是在光伏组件和逆变器之间安置一个功率解耦电容，该方案虽然简单有效，但解耦电容通常需要选用容值较大的电解电容，而电解电容不仅体积大，而且寿命短，会降低微型逆变器的使用寿命和可靠性。为此，当前微型逆变器多采用引入附加功率解耦电路的方案来取代电解电容，但这也在一定程度上增加了设备的成本和体积，降低了系统的效率。(2)当分布式光伏电站的容量较大时，一般需要较多小容量微型逆变器，这会降低系统的整体效率，成本也较高，并且整个系统的构成会相对复杂，需要多台逆变器并联运行，会出现系统内部产生环流的问题，限制了整个系统的容量，这些缺点使其很难应用于功率等级较大的场合。

4　光伏逆变器的发展趋势

4.1　集中式逆变器

随着人们对光伏发电技术的不断研究和发展，光伏电站的容量和并网电压等级正在逐步提高，也因此对集中式逆变器在功率范围和并网电压等级方面提出了更高的要求。

逆变器的功率等级主要受逆变电路中功率开关通电容量影响，因此可以通过利用多台逆变器并联运行的方式来提高整个系统的容量。而相对于传统两电平逆变器，多电平逆变器的功率开关所承受的电压应力较小，从而能够有效地提高光伏逆变器的并网电压等级。同时，多电平逆变器还具有并网电能质量高的优点，因此滤波器的容量、体积和成本也可以相应减小。然而，多电平逆变器也存在着所需元器件较多，电路结构和控制策略较为复杂，以及成本较高等缺点，还存在电容的均压控制和桥臂间的协调控制等技术问题需要进一步解决。因此，为了应对当前集中式逆变器所面临的挑战，多电平技术的研究越来越受到人们的关注。

4.2　组串式逆变器

在一个大型的分布式光伏电站中，往往需要多台组串式逆变器，可多达上百台，而且多采用无隔离变压器的并联运行方式，因此易产生共模漏电流和导致光伏电站的并网电流谐波较大。

共模漏电流的大小主要是受光伏逆变器拓扑结构以及调制策略的影响，所以可以通过改进其拓扑结构与调制策略，来解决共模漏电流的问题。组串式逆变器的开关频率较高，控制带宽也较宽，而控制带宽越宽，对于低次电流谐波的抑制能力也就越强，因此可以对并网电流中的谐波分量进行检测，通过在控制环路中加入抑制谐波电流的控制策略，从而提高整个系统的输出电能质量。

4.3　微型逆变器

由于目前微型逆变器的功率解耦电容仍多采用的是电解电容，影响了逆变器的使用寿命，也降低了系统的可靠性，所以对于微型逆变器的研究多集中在如何进一步改进功率解耦电路，从而取代电路中的电解电容。

目前市场上的微型逆变器主电路多采用反激式电路拓扑结构，其最高转换效率仅仅在96%左右，仍有提高的空间。因此，一方面可以通过研究新型的微型逆变器拓扑结构，以及对逆变器的元器件进行参数优化，来提高逆变器的转换效率。另一方面，可以通过引入软开关技术，使逆变器能够工作在软开关状态，来降低功率器件的开关损耗，从而进一步提高其转换效率。

5　结论

我国光伏产业的起步较晚，但是经过近几年的快速发展，光伏逆变器在效率、成本和可靠性等方面都有了很大的提升。但随着国内光伏产业的不断发展和微电网的逐渐兴起，对光伏发电的要求正在不断提高，用户的需求也在日益多样化。而作为光伏发电系统的关键装置之一，光伏逆变器在一些技术难点以及性能方面仍有待解决和改善。因此，光伏逆变器仍然具有很大的研究和发展空间，还需科研工作者不断地钻研和探索。

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