光伏發電系統中的微型逆變器

趙亞麗，薛慧杰，陳志新

（北京建筑大學 電氣與信息工程學院，北京 100044）

全球化石能源的緊缺情況日益嚴重，常規能源的消耗也迅速增加。常規能源消耗帶來污染和溫室效應對全球的環境造成非常嚴重的后果。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定［2］:太陽能將成為21世紀最重要的能源之一。

光伏發電是太陽能的主要利用形式，逆變器是光伏發電系統的重要組成部分，其功能是將直流電轉換為交流電。光伏發電系統中，光伏陣列所發的電是直流電，然而許多負載如變壓器和電機等需要交流電。直流供電系統有很大的局限性，負載應用范圍有限，也不便于接入交流大電網。因此除特殊的用電負荷外，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電系統的核心部件之一，其效率的高低、可靠性的好壞將直接影響整個光伏發電系統的性能［3］。

1 逆變器

目前在光伏發電系統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（MPP）。當有部分光伏組件被遮擋時，不但被遮擋的組件發電量下降，其他未被遮擋的組件發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，太陽能系統新的發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，從而提高了整體光伏系統的發電效率，縮短系統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，提高系統效率，必須設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，還有一些光伏電站無人值守和維護，這就要求逆變器有合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備完善的保護功能，如:輸入直流極性接反保護、交流輸出短路保護、過熱、過載保護等。

（3）具有較寬的輸入電壓適應范圍

由于太陽能電池的端電壓隨負載和日照強度變化而變化。這就要求逆變器在較大的直流輸入電壓范圍內保證正常工作。集中型逆變器系統的特點:直流為主的系統；直流能量損耗大；有高壓安全隱患；理想化使用環境。整個系統使用單個集中型逆變器最主要的優點是簡單和低成本。采用MPPT算法和其它技術可以在一定程度上提高基于集中型逆變器的光伏發電系統的效率。根據應用的不同，單個集中型逆變器拓撲的缺點也會很明顯。最突出的是可靠性問題:只要這個逆變器發生故障，那么在該逆變器被修好或更換前，所有光伏組件產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重問題。基于集中型逆變器的光伏系統極易受到實際操作環境的影響，在BIPV中，這個問題尤為嚴重，外形奇特的建筑結構更容易造成陰影。只要幾塊光伏組件有陰影或樹葉遮蔽，整個系統的發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，系統的總發電量便會下跌50%，影響情況如圖1所示。

圖1 遮擋對發電的影響情況

2 微型逆變器

2.1 微型逆變器系統

微型逆變器也叫光伏模塊集成逆變器，是一種可以優化光伏發電系統的效率和可靠性的新型逆變器。與常規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的微型逆變器使得系統可以適應不斷變化的負荷和天氣條件。當一塊光伏組件受陰影遮蔽時，其余光伏組件的發電情況不受影響，從而能夠為單塊面板和整個系統提供最佳轉換效率。微型逆變器架構還可簡化布線，這也就意味著更低的安裝成本。通過微型逆變器使業主的太陽能發電系統更有效率，系統“收回”采用太陽能技術的最初投資所需的時間會縮短。總之，微型逆變器可單獨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，并大幅簡化系統的線路設計。基于微型逆變的并網光伏發電系統如圖2所示。

圖2 基于微型逆變的并網光伏發電系統

微型逆變器的設計考慮因素:

（1）變換效率高

并網逆變器的變換效率直接影響整個發電系統的效率，為了保證整個系統較高的發電效率，要求并網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該與光伏組件的壽命相當。

（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

低成本是產品發展的必然趨勢，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撲；而集中式逆變器一般為降壓型變換器，其通常采用橋式拓撲結構，逆變器輸出交流側電壓峰值低于輸入直流側電壓。

（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組合產生足夠高的功率，其功率等級一般在10kW以上。

與集中型逆變器系統相比，為系統內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的轉換效率。采用微型逆變器后，即便其中一個逆變器出現故障，能量轉換仍能進行。

采用微型逆變器的其它優點包括能夠利用高分辨率PWM調整每個光伏組件的轉換參數。由于云朵、陰影和背陰會改變每個組件的輸出，為每個組件配備獨有的微型逆變器就允許系統適應不斷變化的負載情況。這為各組件及整個系統都提供了最佳轉換效率。

微型逆變器在應用中有如下優勢:（1）安裝簡單:安裝過程積木化，無需系統設計，單條電纜接入。（2）應用安全:微型逆變器功率較小，無人體可接觸的直流危險電壓，人身和火災隱患小，安全性能更可靠。（3）智能化:產品可以實現遠程監控，工作人員通過聯動的遠程自動控制系統，就能根據用電情況和電網的負載狀態對電力進行及時調整。（4）費用低:前期投入和運行維修費用相對減少，安裝所需的人力成本也比較低。（5）發電量大: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，以此達到每個系統的能量采集最大化，提高系統效率，從而保證了發電量。據研究報道，采用微型逆變器技術可以在現有技術的基礎上，使光伏發電系統的發電效率提升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 微型逆變器的關鍵技術

（1）微型逆變器的拓撲

微型逆變器的特殊應用需求決定了其不能采用傳統的降壓型逆變器拓撲結構，如全橋、半橋等拓撲，而應該選擇能夠同時實現升降壓變換功能的變換器拓撲，除能夠實現升降壓變換功能外，還應該實現電氣隔離；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電氣隔離，需要采用高頻變壓器。

可選的拓撲方案包括:高頻鏈逆變器、升壓變換器與傳統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變換器拓撲結構簡潔、控制簡單、可靠性高，是一種較好的拓撲方案。

（2）高效率變換技術

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

研究和開發簡單有效的軟開關技術并將軟開關技術與具體的微型逆變器拓撲相結合是微型逆變器的關鍵技術之一。

（3）并網電流控制技術

并網逆變器中一般采用電流閉環控制技術保證其輸出電流與電網電壓同頻同相，實現高質量的并網電流控制。具體控制策略有PI控制、重復控制、預測控制、滯環控制、單周期控制、比例諧振控制等。實現上述控制策略，一般采用霍爾元件檢測逆變器的輸出電流，進而實現并網電流的控制。

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

（4）高效率、低成本最大功率跟蹤（MPPT）技術

光伏發電系統的效率為光伏組件的光電轉換效率、MPPT效率和逆變器效率三部分乘積，高效率MPPT技術對光伏發電系統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、增量電導法以及基于模糊和神經網絡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電壓和電流，進而計算出并網功率，才能實現最大功率跟蹤。

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

（5）孤島檢測技術

孤島檢測是光伏并網發電系統必備的功能，是人員和設備安全的重要保證。針對微型逆變器的特殊應用需求，開發簡單、有效、零檢測盲區、不影響進網電流質量的孤島檢測技術是微型逆變器開發需要解決的一個重要課題。

（6）無電解電容變換技術

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。因此研究和開發無電解電容功率變換技術是微型逆變器開發需要解決的另一個課題。

（7）信息通信技術

在由多臺微型逆變器組成的光伏發電系統中，為了了解每臺逆變器的運行狀態，系統需要實時收集各個微型逆變器的信息，以實現有效的監測與管理，因此需要低成本、高效、高可靠性信息通信技術作為保證。

3 結束語

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

國家政策的引導和激勵將有力地推動微型逆變器的發展，2012年金太陽工程對關鍵設備的要求有所提高。并網逆變器方面，無隔離變壓器型逆變器最大轉換效率要求不低于97%，含變壓器型逆變器最大轉換效率要求不低于95%，并鼓勵采用高發電性能、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發展的方向。因此可以預計微型逆變器將在我國BIPV中得到廣泛的應用。

［1］劉麗麗.一種新型光伏并網逆變器的研究［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，2011，45（6）:14－16.

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

［5］黃 尋.光伏并網逆變器發展情況概述［J］.新材料產業，2011，（11）:72－75.

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