光伏逆变器与直流变换器的典型拓扑与控制策略综述

包西勇，范鲁涛，赵 航，薛 玮，马树亮，杨 凯

（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

为应对日益严重的能源短缺、生态破坏和环境污染问题，国家在2020 年9 月提出了“双碳”战略目标，在2021 年3 月提出了构建以新能源为主体的新型电力系统。在政策的引导下，光伏发电技术得到快速发展和应用。在光伏发电系统中，将直流电转变为交流电的光伏逆变器和对电能起调控作用的直流变换器是整个光伏发电系统中的关键设备，其性能的好坏将影响光伏发电系统能否高效、可靠及安全地并网运行。

本文介绍了光伏逆变器的工作原理，并根据功率等级进行分类，分析逆变器的拓扑结构，着重对逆变技术和控制策略的研究进展进行论述。针对直流变换器，在阐述其工作原理和分类的基础上对拓扑结构方案的可行性和控制策略的有效性进行分析。最后，对两种设备在光伏发电系统中的应用进行了展望。

1 光伏逆变器

1.1 光伏逆变器的工作原理

光伏逆变器的工作原理如图1 所示，光伏组件产生的直流电首先通过滤波电路，以消除电流波动和电磁干扰。然后，电流进入逆变桥，在逆变桥中使用全控功率开关器件把直流电变成交流电。按照特定的控制逻辑，交流电通过变压器进行升压或降压，然后经过整形滤波，最后成为所需的交流电［1］。

图1 逆变器工作原理图

逆变器的核心元件为功率半导体器件，如功率场效应管（metal oxide semicoductor field effect transistor，MOSFET）、绝缘栅晶体管器件（insulated gate bipolar transistor，IGBT）以及新型的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三代半导体。

1.2 光伏逆变器分类

目前市场上常见的逆变器按照能量等级不同可以分为3 种类型：集中式逆变器、组串式逆变器及微型逆变器［2］。集中逆变技术是将多个光伏组件串联连接到同一个集中逆变器的直流输入端，通过使用三相IGBT 功率模块和数字信号处理转换控制器来提升电能质量，通常用于总功率达兆瓦级以上的大型发电系统。组串式逆变器则是每个光伏串联组件（1˜5 kW 范围内）都通过一个逆变器实现并网，主要应用于中小型光伏电站。微型逆变器可配置于每块光伏面板中，组件间并联连接，可以有效解决阴影遮挡对发电量产生影响的问题，多用于住宅屋顶、庭院等光伏发电系统。

新一代微型逆变器的拓扑结构目前正从传统单级式无直流母线结构向两级式直流母线结构发展［3］。为了替代微型逆变器电路中的电解电容，目前研究主要集中在如何进一步改进功率解耦电路［4-6］，以缓解母线电压对电容的依赖，从而降低器件的体积和重量，改进拓扑结构［7］，优化元器件参数［8］，以提高逆变器的转换效率。

1.3 光伏逆变器拓扑结构

目前主流的光伏逆变器输入侧电源性质为电压源型。根据有无隔离变压器，此类逆变器的拓扑结构可分为隔离型和非隔离型，按能量变换级数不同，拓扑结构可分为单级式和多级式。

1.3.1 隔离型光伏并网逆变器

工频隔离型并网逆变器通过变压器实现了输入、输出间的电气隔离，可以有效防止因负载短路或其他故障对输入端产生的影响，具有较高的安全性和可靠性，市场应用广泛。逆变器按波形调制方式不同可分为方波合成、阶梯波合成、脉宽调制等。

高频隔离型并网逆变器采用高频变压器，具有体积小、噪音低的特点。软开关技术、模块化电源技术是目前研究的热点［9］。高频隔离型并网逆变器拓扑族包括推挽式、推挽正激式、半桥式、全桥式、单管正激式、双管正激式等。

1.3.2 非隔离型光伏并网逆变器

单级非隔离型光伏并网逆变器结构简单，只需要通过一级DC-AC变换即可实现并网。Buck-Boost电路逆变器采用斩波器代替变压器，能够适应较宽的光伏阵列输出电压，满足并网要求，市场应用广泛。多级非隔离型光伏并网逆变器的变换电路采用前后多级结构，实现了最大功率点跟踪技术（maximum power point tracking，MPPT）和并网逆变技术。

文献［10］总结了第一代非隔离型光伏并网系统（transformerless photovoltaic grid-connected inverter，TLI）的发展，并对其两大关键技术进行了讨论，对以宽禁带器件为基础的第二代TLI 技术的挑战及发展方向进行展望。文献［11］描述了不同的简化开关多电平逆变器结构，分析了不同的性能参数，以挖掘多电平逆变器拓扑的潜力。文献［12］采用3 个级联控制回路来改善逆变器的稳态和动态性能。文献［13］提出了一种基于模块级联双H 桥拓扑结构的短期存储光伏逆变器。

光伏并网逆变器在拓扑结构优化设计方面存在的改进空间较大。随着新型半导体技术的发展以及光伏板绝缘等级的升高，新拓扑的设计和应用也会带来一些新问题，需要不断探索解决方案。

1.4 逆变器逆变技术及控制策略

1.4.1 最大功率点跟踪技术

光伏电池的输出功率易受到外界环境因素的影响，MPPT 技术可以最大化电池的输出功率，从而提高光伏发电系统的效率。目前的研究主要集中在跟踪速度和精度的提升，众多学者对传统扰动观察法、电导增量法等进行了改进［14］。

1.4.2 孤岛效应的检测及控制技术

孤岛检测是保证光伏并网系统安全性和可靠性的重要功能。当前，对孤岛效应的检测方法可分为被动式无源检测和主动式有源检测两种。被动检测方法包括电压检测、频率检测、相位检测及谐波检测。主动检测方法包括逆变器输出功率扰动法、逆变器输出电压频率扰动法和滑模频率偏移检测法。文献［15］提出一种组合式有源孤岛检测方法，能够改善传统方法无法检测某些并联电路负载的问题。

1.4.3 逆变器控制策略

近年来对逆变器性能的优化主要包括如何提高并网效率、减少电磁辐射、提高电能质量等，逆变器的控制策略选择十分关键。根据控制理论的不同，逆变器的控制策略分为6 种类型：线性控制、非线性控制、鲁棒控制、自适应控制、预测控制和智能控制［16］。

文献［17］提出了一种基于Routh 数组枚举规则的稳定性分析方法，得到控制参数的稳定范围。文献［18］针对电能质量问题，提出谐波抑制和无功补偿策略。文献［19］设计了一种逆变器并联控制器，以消除逆变器之间的环流。文献［20］提出一种电压/无功控制方法，优化逆变器基极无功输出和各下垂控制函数的电压截距，使功率损耗最小。文献［21］设计了一种智能控制器，将差分退火动态优化和径向基函数神经网络进行结合，用来识别工作状态和故障。

非线性控制方法中的脉宽调制控制能够实现高效率的电能转换，适用于连接电网，但需要复杂的控制电路；MPPT 控制可实时跟踪光伏阵列最大功率点，适用于不同光照下的光伏系统，但其可能导致高频率现象，对电网有一定的影响；滞环控制可提高鲁棒性，从而降低电网电压及频率的波动，适用于条件较为恶劣的电网，但可能会造成一定的功率损失。

因此，控制策略的选择取决于应用需求，需要考虑电网条件、性能要求及可靠性等因素来选择合适的控制策略。

2 光伏直流变换器

2.1 光伏直流变换器的工作原理

光伏直流变换器是一种开关型DC-DC 变换电路，被安置在光伏组件和负载之间，通过调整变换电路中功率开关器件的占空比，改变输出电压的平均值，使外接负载获取最大功率［22］。

光伏直流变换器的工作原理是直流电输入滤波电路后，经DC-DC 变换电路先逆变为交流电，然后经整流变换得到另一电压的直流电，最后经滤波电路输出［23］。

2.2 直流变换器拓扑结构

在传统拓扑结构的基础上，各专家学者提出了一些具有一定优势且适用于不同场合的新型直流变换拓扑结构，例如在Boost 拓扑和Flyback 拓扑基础上改进的升压反激式变换器［24］，带有源缓冲电路的软开关双向直流变换器［25］，基于Boost全桥升压隔离变换拓扑的直流并网变换器［26］等。

文献［27］针对直流变换器串联系统可靠性低的问题，提出一种N-M 光伏发电单元直流变换器的串联方案。文献［28］提出一种Boost 全桥隔离功率模块，该模块采用并联输入、串联输出的级联型拓扑设计，能够实现大功率、高电压及大升压比的功率变换功能。文献［29］提出了一种隔离型Buck-Boost 直流变换拓扑模块，适用于串联系统，通过调节占空比实现升压、降压模式切换。

文献［30］分析了隔离型和非隔离型直流变换器的拓扑结构。文献［31］提出一种改进型ZVT SEPIC-Boost 直流变换器。文献［32］提出一种的高增益的DC-DC 变换器，该变换器采用可扩展开关电容单元，以便在具有更高电压增益的开关元件上获得较小的电压应力。文献［33］介绍了一种用于光伏发电系统的Boost 半桥DC-DC 变换器，该变换器采用1∶1变压器和辅助电容来减小输入电压和电流纹波。

2.3 直流变换器的控制策略

直流变换器的控制策略一般分为移相控制、均流控制和预测控制。预测控制是电力电子器件智能控制方面的进一步发展，如今已成为研究热点。为提高直流变换器的控制性能，国内外专家进行了许多相关的研究工作，并取得了较多成果。

文献［34］提出了一种相对于直接功率控制的方法，即将负载电流值作为反馈信号用于调整相移控制参数，以提高对负载突变的响应速度。文献［35］提出了一种优化相移量控制的方法，通过在扩展的相移控制参数中增加电压分量，从而提高变换器的效率，并进一步提升其响应速度。文献［36］提出了一种双重移相控制策略，使传输功率可调范围增大，该方法的缺点是周期内工作模态比较复杂。文献［37］提出一种输入电压反馈给输出电流的控制方法，提升器件在负载突变时的响应速度。

文献［38］提出一种模糊PI（proprotional-integral，PI）控制算法，通过对传统PI控制的参数进行实时调整，改善Boost 电路的输出电压，增强系统的抗干扰能力。文献［39］提出环形功率均衡拓扑方案与效率优化算法，解决了功率失配及电压失衡的问题。根据非线性系统的特点和负载模式，需要对功率变换器进行更鲁棒的控制设计，文献［40］提供了一种独特的技术，即通过使用超扭曲滑模来避免反激变换器的抖振。文献［41］针对用于光伏组件MPPT 控制的DC-DC 降压变换器，设计了一种连续控制集模型预测控制方法。

在控制功能研究中，移相控制简单且易实现，在部分应用中能够提供良好的性能，但对非线性负载的鲁棒性较差；均流控制可提高系统的可靠性及寿命，适用于高功率、高电压应用，但控制策略较复杂；预测控制可实现高精度、高性能的控制，在非线性系统中的鲁棒性较好，但控制算法复杂并需要准确的系统模型。综上所述，控制策略都有其适用的情境，使用者要根据应用需求考虑性能、控制精度及系统复杂性，以选择合适的控制策略。

3 结语

随着光伏发电的快速发展，装机容量不断上升，逆变器将向组件级微型逆变及大型集中式逆变两个方向发展，微型逆变器将会在分布式电站、光伏建筑一体化等领域得到广泛应用。光伏逆变器的拓扑结构以降低成本、减少体积和输出稳定波形为目的，从电力电子技术中的新器件和原理结构等方面进行改进。控制技术结合控制理论的新方案设计应注重与场景的结合。同时，滤波器技术和最大功率点跟踪技术也对逆变器的性能产生一定影响，具有较大的发展空间。

在未来的研究中可以改进MPPT算法，提高能源转换效率，降低系统功耗，实现高性能与高精度的控制，重点考虑系统的鲁棒性及可靠性。光伏阵列通过直流变换器实现就地升压并接入直流电网，有效提高光伏变换效率，是未来光伏发电技术发展的重要方向之一。