微型逆变器

柴新，芦冬坤，张伟

(保定供电公司，河北 保定 071051)

1 引言

太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。常见的光伏并网发电系统结构有集中式、串式、多串式和交流模块式等几种方案。集中式、串式、多串式都存在光伏组件的串并联［1－5］，系统无法实现每块组件的最大功率点运行，若任一组件损坏，将会严重影响到整个系统的正常工作。微型光伏并网逆变器(Micro-Inverter，MI)是一种用于独立光伏组件并网发电系统，也称为交流模块式(AC module)。

微型逆变器在光伏建筑集成发电系统及中小规模的光伏发电系统中具有独特的优势。目前，微型逆变器仍然处于市场应用的初级阶段，但是随着技术的不断进步和市场的日益发展，微型逆变器将是未来光伏并网系统的重要组成部分。

2 微型逆变器概述

微型逆变器与单个光伏组件相连，可以将光伏组件输出的直流电直接变换成交流电并传输到电网。微型逆变器具有以下优点:

(1)对实际环境的适应性强，由于每一个组件独立工作，对光伏组件的一致性要求降低，当实际应用中出现诸如阴影遮挡、云雾变化、污垢积累、组件温度不一致、组件安装倾斜角度不一致等内部外部不理想条件时，问题组件不会影响其它组件的工作;

(2)无阴影和热斑问题;

(3)每个组件独立最大功率点跟踪设计，最大程度地提高了系统发电效率;

(4)采用模块化技术，扩容方便，即插即用式安装;

(5)没有直流母线电业，增加了整个系统工作的安全性。

微型逆变器缺点主要有:

(1)系统应用可靠性和寿命还不能与太阳电池组件相比。一旦微型逆变器损坏，更换比较麻烦;

(2)与集中式逆变器相比，效率相对较低。但随着电力电子功率器件、磁性元件的技术发展，目前英伟力公司已经宣称达到96%的效率;

(3)相对成本比较高，集中控制困难。

3 微型逆变器关键性技术

3.1 微型逆变器拓扑结构

微型逆变器的拓扑结构不同于传统的大功率集中式逆变器，微型逆变器有其自身的特点，如功率小、输入电压低、输出电压高等。其特殊需求决定了其不能采用传统的降压型逆变器拓扑结构。除了能够实现升、降压变换功能外，还应实现电气隔离;另外一方面，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结合的两级式变换器、基于隔离式升降压变换器的Flyback逆变器等几种［6－10］。

其中Flyback逆变器拓扑结构简洁，控制简单、可靠性高，是一种较好的拓扑方案，目前Enphase、Involar等公司开发的微型逆变器产品均是基于Flyback变换器，以下详细介绍Flyback变换器。

电流型高频链微型逆变器拓扑是以反激式变换器拓扑为基础演变而来的，因此也称为反激式(Flyback)高频链微型逆变器，其典型结构如图1所示。

图1 电流型高频链微型逆变器结构框图

电流型高频链微型逆变器由高频DC/DC变换器和工频逆变器组成。高频DC/DC变换器中的高频变压器不仅提供电气隔离和电压调整，而且还可以存储能量，因此可以省略或减小输出滤波电感。

高频DC/DC变换器可采用反激式、推挽式、半桥式和全桥式变换器，其中应用最广的是反激式结构。图2是反激式电流型高频链MI结构，该结构由反激式变换器和工频逆变器组成。通过对高频开关VM1控制实现对光伏组件的最大功率点跟踪控制，工频逆变器的开关工作在工频状态下，开关损耗小，效率高。为了使组件和变换器之间解耦，输入端需要很大的去耦电容CVM。

去耦电容通常采用多颗电解电容并联，而电解电容寿命较短，直接制约了微型逆变器的寿命，且存在失效隐患。针对该问题，有研究者提出了一种改进式拓扑。该拓扑将Buck-Boost电路和反激式变换器相结合。相当于在原拓扑基础上加了一个功率解耦电路，将输入端功率脉动转移到了该解耦电路上。这样可以降低电解电容容量，也可以用薄膜电容取代电解电容，既降低了成本，又提高了逆变器寿命。

图2 反激式电流型高频链微型逆变器拓扑

图3 改进型反激式电流型高频链微型逆变器拓扑

3.2 微型逆变器功率去耦技术

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，才能实现微型逆变器与光伏组件的集成。而电解电容式功率变换器寿命的瓶颈，要使得微型逆变器达到组件的寿命，必须减少或者避免使用电解电容的使用。因此研究和开发无电解电容功率变换技术是微型逆变器的一关键技术。

3.3 高效率、低成本的最大功率点跟踪技术

微型逆变器光伏侧输入电压低，因此光伏侧的电流较大，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，而采用霍尔元件采样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最大功率点根据技术。据报道，英伟力公司研究了一种无电流传感器最大功率点跟踪技来适应微型逆变器的应用需求，其跟踪精度达到99.9%以上。

3.4 并网电流控制技术

传统的集中式并网逆变器中，一般采用电流闭环控制技术来确保并网电流与电网电压的同频同相。但均需要采用霍尔等元件进行并网电流采样，同上述最大功率点跟踪问题一样。由于微型逆变器小功率的特色，为了降低单位发电功率的成本，且考虑体积需要，开发新型的高可靠性、低成本小功率并网电流检测与控制技术是微型逆变器又一面临的严峻课题。

4 结束语

从太阳能光伏发电系统的角度来看，太阳能光伏行业面临的最大挑战之一是电池板的阴影问题。阴影模式的变化，太阳电池板上的污垢和面板的老化，都会对各个面板的电压构成阴影，从而引起串联面板的输出电压发生。微型逆变器是一个替代解决方案，它能够在太阳电池板级实现最大功率点跟踪，拥有超越中央逆变器的优势。微型逆变器能够在每块太阳电池板取得最佳功率点，可以最大限度地减小阴影问题。同时大幅简化了线路设计。因此，目前微型逆变器市场虽小，但未来成长空间极大，国内外专家一致认为微型逆变器是未来光伏系统的一种重要组成部分。

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