光伏發(fā)電系統(tǒng)中的微型逆變器

趙亞麗，薛慧杰，陳志新

（北京建筑大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044）

全球化石能源的緊缺情況日益嚴(yán)重，常規(guī)能源的消耗也迅速增加。常規(guī)能源消耗帶來污染和溫室效應(yīng)對全球的環(huán)境造成非常嚴(yán)重的后果。因此太陽能作為清潔無污染的可再生能源被世界各國一致看好［1］。全球能源專家們一致認(rèn)定［2］:太陽能將成為21世紀(jì)最重要的能源之一。

光伏發(fā)電是太陽能的主要利用形式，逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列所發(fā)的電是直流電，然而許多負(fù)載如變壓器和電機(jī)等需要交流電。直流供電系統(tǒng)有很大的局限性，負(fù)載應(yīng)用范圍有限，也不便于接入交流大電網(wǎng)。因此除特殊的用電負(fù)荷外，均需要使用逆變器將直流電變換為交流電。光伏逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，其效率的高低、可靠性的好壞將直接影響整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能［3］。

1 逆變器

目前在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用最多的逆變器是集中型逆變器，就是把大量的光伏組件串并聯(lián)組成光伏陣列后再連接至一個大型逆變器。光伏陣列工作于一個總的最大功率點(diǎn)（MPP）。當(dāng)有部分光伏組件被遮擋時，不但被遮擋的組件發(fā)電量下降，其他未被遮擋的組件發(fā)電量也會受到極大的影響，從而使得整體效率急劇下降。因此，太陽能系統(tǒng)新的發(fā)展趨勢是將每一塊光伏組件都連接至單個微型逆變器。這樣一來，性能較差的光伏組件就不會影響到整個系統(tǒng)，從而提高了整體光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，縮短系統(tǒng)初期成本的回收時間［4］。

逆變器的基本要求:

（1）具有較高的效率

由于目前太陽能電池的價格偏高，為了最大限度的利用太陽能電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。

（2）具有較高的可靠性

我國目前的光伏電站主要位于荒漠地區(qū)，還有一些光伏電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變器有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備完善的保護(hù)功能，如:輸入直流極性接反保護(hù)、交流輸出短路保護(hù)、過熱、過載保護(hù)等。

（3）具有較寬的輸入電壓適應(yīng)范圍

由于太陽能電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度變化而變化。這就要求逆變器在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作。集中型逆變器系統(tǒng)的特點(diǎn):直流為主的系統(tǒng)；直流能量損耗大；有高壓安全隱患；理想化使用環(huán)境。整個系統(tǒng)使用單個集中型逆變器最主要的優(yōu)點(diǎn)是簡單和低成本。采用MPPT算法和其它技術(shù)可以在一定程度上提高基于集中型逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。根據(jù)應(yīng)用的不同，單個集中型逆變器拓?fù)涞娜秉c(diǎn)也會很明顯。最突出的是可靠性問題:只要這個逆變器發(fā)生故障，那么在該逆變器被修好或更換前，所有光伏組件產(chǎn)生的能量都不能得到有效利用。此外遮擋問題也是集中型逆變器無法克服的一個嚴(yán)重問題?；诩行湍孀兤鞯墓夥到y(tǒng)極易受到實際操作環(huán)境的影響，在BIPV中，這個問題尤為嚴(yán)重，外形奇特的建筑結(jié)構(gòu)更容易造成陰影。只要幾塊光伏組件有陰影或樹葉遮蔽，整個系統(tǒng)的發(fā)電量便會大幅地下降。具體來說，只要有10%的電池板面積被遮蓋，系統(tǒng)的總發(fā)電量便會下跌50%，影響情況如圖1所示。

圖1 遮擋對發(fā)電的影響情況

2 微型逆變器

2.1 微型逆變器系統(tǒng)

微型逆變器也叫光伏模塊集成逆變器，是一種可以優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性的新型逆變器。與常規(guī)的集中型逆變器不同，它是連接到每塊光伏組件板上，為每塊光伏組件配備單獨(dú)的微型逆變器使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不斷變化的負(fù)荷和天氣條件。當(dāng)一塊光伏組件受陰影遮蔽時，其余光伏組件的發(fā)電情況不受影響，從而能夠為單塊面板和整個系統(tǒng)提供最佳轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器架構(gòu)還可簡化布線，這也就意味著更低的安裝成本。通過微型逆變器使業(yè)主的太陽能發(fā)電系統(tǒng)更有效率，系統(tǒng)“收回”采用太陽能技術(shù)的最初投資所需的時間會縮短?？傊?，微型逆變器可單獨(dú)追蹤每個模塊的最大輸出功率，改善遮蔽問題，增加電能輸出，并大幅簡化系統(tǒng)的線路設(shè)計?；谖⑿湍孀兊牟⒕W(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于微型逆變的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

微型逆變器的設(shè)計考慮因素:

（1）變換效率高

并網(wǎng)逆變器的變換效率直接影響整個發(fā)電系統(tǒng)的效率，為了保證整個系統(tǒng)較高的發(fā)電效率，要求并網(wǎng)逆變器具有較高的變換效率。

（2）可靠性高

由于微型逆變器直接與光伏組件集成，一般與光伏組件一起放于室外，其工作環(huán)境惡劣，要求微型逆變器具有較高的可靠性。

（3）壽命長

光伏組件的壽命一般為二十年，微型逆變器的使用壽命應(yīng)該與光伏組件的壽命相當(dāng)。

（4）體積小

微型逆變器直接與光伏組件集成在一起，其體積越小越容易與光伏組件集成。

（5）成本低

低成本是產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢，也是微型逆變器市場化的需求。

2.2 微型逆變器與集中型逆變器的區(qū)別

（1）逆變器輸入電壓低、輸出電壓高

單塊光伏組件的輸出電壓范圍一般為20～50V，而電網(wǎng)的額定相電壓峰值約為311V或156V，因此，微型逆變器的輸出峰值電壓遠(yuǎn)高于輸入電壓，這要求微型逆變器需要采用具備升降壓變換功能的逆變器拓?fù)?；而集中式逆變器一般為降壓型變換器，其通常采用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，逆變器輸出交流側(cè)電壓峰值低于輸入直流側(cè)電壓。

（2）功率小

單塊光伏組件的功率一般在100W～300W，微型逆變器直接與單塊光伏組件相匹配，因此其功率等級也是100W～300W，而集中式逆變器功率通過多個光伏組件串并聯(lián)組合產(chǎn)生足夠高的功率，其功率等級一般在10kW以上。

與集中型逆變器系統(tǒng)相比，為系統(tǒng)內(nèi)每個太陽能電池板都配備一個微型逆變器會再次提升整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。采用微型逆變器后，即便其中一個逆變器出現(xiàn)故障，能量轉(zhuǎn)換仍能進(jìn)行。

采用微型逆變器的其它優(yōu)點(diǎn)包括能夠利用高分辨率PWM調(diào)整每個光伏組件的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于云朵、陰影和背陰會改變每個組件的輸出，為每個組件配備獨(dú)有的微型逆變器就允許系統(tǒng)適應(yīng)不斷變化的負(fù)載情況。這為各組件及整個系統(tǒng)都提供了最佳轉(zhuǎn)換效率。

微型逆變器在應(yīng)用中有如下優(yōu)勢:（1）安裝簡單:安裝過程積木化，無需系統(tǒng)設(shè)計，單條電纜接入。（2）應(yīng)用安全:微型逆變器功率較小，無人體可接觸的直流危險電壓，人身和火災(zāi)隱患小，安全性能更可靠。（3）智能化:產(chǎn)品可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，工作人員通過聯(lián)動的遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)，就能根據(jù)用電情況和電網(wǎng)的負(fù)載狀態(tài)對電力進(jìn)行及時調(diào)整。（4）費(fèi)用低:前期投入和運(yùn)行維修費(fèi)用相對減少，安裝所需的人力成本也比較低。（5）發(fā)電量大:微型逆變器使物體遮擋造成的陰影僅對單塊組件效率有影響，以此達(dá)到每個系統(tǒng)的能量采集最大化，提高系統(tǒng)效率，從而保證了發(fā)電量。據(jù)研究報道，采用微型逆變器技術(shù)可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率提升5%～25%［5］。

微型逆變器與集中型逆變器的比較如表1。

表1 微型逆變器與集中型逆變器的比較

2.3 微型逆變器的關(guān)鍵技術(shù)

（1）微型逆變器的拓?fù)?/p>

微型逆變器的特殊應(yīng)用需求決定了其不能采用傳統(tǒng)的降壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如全橋、半橋等拓?fù)洌鴳?yīng)該選擇能夠同時實現(xiàn)升降壓變換功能的變換器拓?fù)?，除能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓變換功能外，還應(yīng)該實現(xiàn)電氣隔離；另一方面，高效率、小體積的要求決定了其不能采用工頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離，需要采用高頻變壓器。

可選的拓?fù)浞桨赴?高頻鏈逆變器、升壓變換器與傳統(tǒng)逆變器相組合的兩級式變換、基于隔離式升降壓變換器的Flyback逆變器等幾種，其中Flyback變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制簡單、可靠性高，是一種較好的拓?fù)浞桨浮?/p>

（2）高效率變換技術(shù)

為了減小微型逆變器的體積，要求提高逆變器的開關(guān)頻率，但簡單地提高開關(guān)頻率必然導(dǎo)致開關(guān)損耗增加、變換效率下降，因此小體積與高效率兩者之間是矛盾的。軟開關(guān)技術(shù)是解決兩者矛盾的有效方法。軟開關(guān)技術(shù)可以在基本不增加開關(guān)損耗的前提下提高開關(guān)頻率，從而提高微型逆變器的功率密度。

研究和開發(fā)簡單有效的軟開關(guān)技術(shù)并將軟開關(guān)技術(shù)與具體的微型逆變器拓?fù)湎嘟Y(jié)合是微型逆變器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（3）并網(wǎng)電流控制技術(shù)

并網(wǎng)逆變器中一般采用電流閉環(huán)控制技術(shù)保證其輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實現(xiàn)高質(zhì)量的并網(wǎng)電流控制。具體控制策略有PI控制、重復(fù)控制、預(yù)測控制、滯環(huán)控制、單周期控制、比例諧振控制等。實現(xiàn)上述控制策略，一般采用霍爾元件檢測逆變器的輸出電流，進(jìn)而實現(xiàn)并網(wǎng)電流的控制。

由于微型逆變器的功率較小，為了降低單位發(fā)電功率的成本，且考慮到體積要求，開發(fā)新型的高可靠性、低成本小功率并網(wǎng)電流控制技術(shù)是微型逆變器開發(fā)需要解決的另一個關(guān)鍵性問題。

（4）高效率、低成本最大功率跟蹤（MPPT）技術(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率為光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率、MPPT效率和逆變器效率三部分乘積，高效率MPPT技術(shù)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率提高和成本降低有十分重要的意義。

常見的MPPT算法包括開路電壓法、短路電流法、爬山法、擾動觀察法、增量電導(dǎo)法以及基于模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的智能跟蹤算法等，上述MPPT方法中一般需要同時檢測光伏輸出側(cè)電壓和電流，進(jìn)而計算出并網(wǎng)功率，才能實現(xiàn)最大功率跟蹤。

微型逆變器的功率較小，如果采用電阻檢測輸入側(cè)電流，對微型逆變器的整機(jī)效率影響較大，而采用霍爾元件檢測光伏側(cè)電流則會增加系統(tǒng)成本及逆變器體積，因此針對微型逆變器的特殊要求，需要開發(fā)新型的無需電流檢測的高效率MPPT技術(shù)。

（5）孤島檢測技術(shù)

孤島檢測是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必備的功能，是人員和設(shè)備安全的重要保證。針對微型逆變器的特殊應(yīng)用需求，開發(fā)簡單、有效、零檢測盲區(qū)、不影響進(jìn)網(wǎng)電流質(zhì)量的孤島檢測技術(shù)是微型逆變器開發(fā)需要解決的一個重要課題。

（6）無電解電容變換技術(shù)

光伏組件的壽命一般為20～25年，要求微型逆變器的壽命必須接近光伏組件。而電解電容式功率變換器壽命的瓶頸，要使微型逆變器達(dá)到光伏組件的壽命，必須避免或減少電解電容的使用。因此研究和開發(fā)無電解電容功率變換技術(shù)是微型逆變器開發(fā)需要解決的另一個課題。

（7）信息通信技術(shù)

在由多臺微型逆變器組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了了解每臺逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)需要實時收集各個微型逆變器的信息，以實現(xiàn)有效的監(jiān)測與管理，因此需要低成本、高效、高可靠性信息通信技術(shù)作為保證。

3 結(jié)束語

縱觀光伏逆變器的發(fā)展歷程，高效率、高功率密度、智能化、模塊化將是其重要發(fā)展方向。微型逆變器由于具有效率高、模塊化、系統(tǒng)擴(kuò)展靈活、易于集成等突出優(yōu)勢，因此是未來最具發(fā)展前景和應(yīng)用潛力的光伏逆變器。

國家政策的引導(dǎo)和激勵將有力地推動微型逆變器的發(fā)展，2012年金太陽工程對關(guān)鍵設(shè)備的要求有所提高。并網(wǎng)逆變器方面，無隔離變壓器型逆變器最大轉(zhuǎn)換效率要求不低于97%，含變壓器型逆變器最大轉(zhuǎn)換效率要求不低于95%，并鼓勵采用高發(fā)電性能、高智能管理、安裝靈活方便的新型逆變器［6］。微型逆變器就是一種具有上述特征的新型逆變器，符合我國BIPV發(fā)展的方向。因此可以預(yù)計微型逆變器將在我國BIPV中得到廣泛的應(yīng)用。

［1］劉麗麗.一種新型光伏并網(wǎng)逆變器的研究［J］.科技信息，2011，（26）:100－101.

［2］A.A.M 賽義夫.太陽能工程［M］.北京:科學(xué)出版社，1984.

［3］岳 舟.一種新型Buck－Boost光伏逆變器研究［J］.電力電子技術(shù)，2011，45（6）:14－16.

［4］王岫晨.微型逆變器提升太陽能系統(tǒng)整體效能，提高輸出功率［J］.集成電路應(yīng)用，2012，（1）:14－15.

［5］黃 尋.光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)展情況概述［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2011，（11）:72－75.

［6］財建〔2012〕21號.關(guān)于做好2012年金太陽示范工作的通知［Z］.2012.