微型光伏逆變器拓?fù)浼跋嚓P(guān)技術(shù)引言隨著環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日益趨緊，生產(chǎn)無(wú)污染的天然能源的需求已引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能，由于其清潔，無(wú)污染，取之不盡，可作為未來(lái)的一種代替性能源。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)能作為傳HIS20172.1GW。傳統(tǒng)的光伏逆變器包括：集中式逆變器、組串式逆變器和多組串式逆變器。集中式逆變器通常應(yīng)用10kW以上的三相高壓場(chǎng)合，其體積大，安裝復(fù)雜，逆變器一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)涉及大量能量傳輸被10kW的場(chǎng)合，將光伏模塊串聯(lián)到一起，通過(guò)串聯(lián)獲得了較高的輸出電DC-DC部DC-AC12300W25年，是目前光伏發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[2]。微型逆變器設(shè)計(jì)目標(biāo)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)不同功率配置下的高效功率輸出是逆變器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵因素，因此微型逆變器的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮以下幾方面因素[3]：20255到15年，這就要求逆變器方便維護(hù)和更換。微逆的壽命為25年，傳統(tǒng)逆變器壽命在10年左右。微型逆變器DCAC微型逆變器DCACDC DCAC ACDCDCDCDCDCACDC DCAC AC

組串式逆變器

多組串式逆變器Figure1.Structureofphotovlotaicinverter圖1.光伏逆變器結(jié)構(gòu)Figure2.Micro-inverter圖2.微型逆變器微型逆變器拓?fù)涔夥孀兤魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為單級(jí)式與多級(jí)式結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的多級(jí)式結(jié)構(gòu)例如兩級(jí)式，第一級(jí)將光伏板DC-DCDC-AC階段。而單級(jí)式結(jié)構(gòu)在一級(jí)內(nèi)同時(shí)完成兩種功能，兩種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。多級(jí)式多級(jí)式微型逆變器拓?fù)渫ǔ０A段，第一階段將光伏板側(cè)電壓進(jìn)行升壓，并且通過(guò)控制方法實(shí)現(xiàn)1414最大功率跟蹤，第二階段則將直流電逆變?yōu)椴⒕W(wǎng)所需的交流電。一般來(lái)說(shuō)，第一階段是Boost或者Buck-Boost型拓?fù)?。文獻(xiàn)[4]提出了一種兩級(jí)式高電壓增益升壓型并網(wǎng)逆變器拓?fù)洌谝患?jí)為高電壓增益開(kāi)關(guān)電感升壓變H橋逆變器作為折疊電路(3)DC升壓變換器線圈，由兩個(gè)線圈和三個(gè)二極管組成，使得兩個(gè)線圈導(dǎo)通狀態(tài)下并聯(lián)充H橋逆變器完成H的正弦電流波形，該部分減小了接地漏電流，改善了系統(tǒng)的接地性能，并且減少了開(kāi)關(guān)損耗，從而提升90%。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于軟開(kāi)關(guān)全橋電路的微型逆變器拓?fù)?4)LLC諧振變換器，以20~40V的低壓升至電網(wǎng)側(cè)電壓等級(jí)，并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能，峰值效率可達(dá)97.3%；后級(jí)采用了基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的傳統(tǒng)全橋逆變電路，盡管增加了傳導(dǎo)損耗，Lr=2.2=5101030011uF，98.5%。文獻(xiàn)[6]提出了一種兩級(jí)式有源鉗位反激式光伏逆變器拓?fù)?5)，由反激式變換器，混合橋逆變器，CL濾波器組成。反激式逆變器的優(yōu)點(diǎn)為所需器件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提供光伏組件和點(diǎn)網(wǎng)線間的隔離。在變換器級(jí)，該拓?fù)淇紤]到了次級(jí)漏感的影響，選擇有源鉗位電路用于降低變壓器的漏感和主開(kāi)關(guān)的輸出電容之間的電壓尖峰，并實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，以減少開(kāi)關(guān)損耗。在逆變器級(jí)，混合橋由兩個(gè)晶閘管和兩MOSFETCL濾波器用于降低諧波分量，為交流電網(wǎng)線路產(chǎn)生電30~45220507.917.91nH，LLK2=7.91nH，Cr=470nF，Co=150nF，Lf=5.6mH，Cf=33nF。目前微型逆變器的升壓部分多才用高頻變壓器，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏陣列與網(wǎng)側(cè)的電氣隔離，功率密度大，且效率高?；诟哳l變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先通過(guò)前級(jí)將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，通過(guò)次級(jí)將其整流為直流電，最后經(jīng)逆變環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)所需工頻交流電。文獻(xiàn)[7]提出了一種應(yīng)用于微型逆變器的軟開(kāi)關(guān)單電感推挽式變換器(20~40400250127950344.750~100Hz250W96.6%。多級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的明顯缺點(diǎn)是尺寸大，可靠性低，器件數(shù)量過(guò)多，損耗大，使得制造成本更高。因此，最近的研究主要集中在如何減少功率變換等級(jí)，并在這樣的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。最佳選擇是在光伏陣列與電網(wǎng)系統(tǒng)之間采用單級(jí)式拓?fù)?，使其兼具最大功率跟蹤、升壓以及逆變等功能。單?jí)式當(dāng)前光伏逆變器的研究趨勢(shì)在于功率級(jí)數(shù)的減少，以達(dá)到提升整體效率和可靠性，以及減少成本增buck-boost逆變器、H橋逆變器、反激式逆變器等。H橋逆變器文獻(xiàn)[8]7D4SW2LfD2LD4SW2LfD2L2D3SW3 SW4PVvdc1D5SW1SW5 SW6GridFigure3.Topologyproposedinreference[4]圖3.文獻(xiàn)[4]提出的拓?fù)?QQ11Q12Cr Lrn:1D1D2Q21Q22LfLcLmVgCCeQ13Q14NUSQ23Q24D3 D4PVFigure4.Topologyproposedinreference[5]圖4.文獻(xiàn)[5]提出的拓?fù)浞醇な阶儞Q器階段

混合橋階段Lk1Lk1TLk2DrSaSth1 Sth2LmCL濾波器LfCfCcCmSPSs1PVCoFigure5.Topologyproposedinreference[6]圖5.文獻(xiàn)[6]提出的拓?fù)涓哳l變壓器LbaiLbaLbaiLba+VLbst-PViS1+vr1-+vr2-iS2S1+vS1-S2Lk+vr3-iLkiVD+vLkicr+v+DC-Ccr1 1r-ic2+Ce-+v+C2-S2D2ic1vbr--Figure6.Topologyproposedinreference[7]圖6.文獻(xiàn)[7]提出的拓?fù)銶3 M5D3D1M1+ D5M3 M5D3D1M1M4 D4 M6 D6 M2-D2-Figure7.Three-phasehalfbridgeinvertertopology圖7.半橋三相逆變器拓?fù)涓哳l高效的特點(diǎn)，每相都可獨(dú)立進(jìn)行控制，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率在200kHz左右時(shí)，峰值效率可達(dá)97.6%。其中輸出功率為133W，La=200μH，Ca=2.2μF。三相逆變器具有的優(yōu)勢(shì)：1)各光伏板都可達(dá)到最大功率；2)消除光伏板不匹配的損耗；3)更容易和更靈活的安裝；4)較少的直流配電損耗。buck-boost逆變器文獻(xiàn)[9]buck-boost8buck-boostHPWM橋逆變器作為折疊級(jí)聯(lián)單元，開(kāi)關(guān)工作在電網(wǎng)頻率，以減少損耗改善效率。該拓?fù)渚哂?5%。反激式逆變器傳統(tǒng)的反激式變換器由一個(gè)主開(kāi)關(guān)，兩個(gè)次開(kāi)關(guān)，兩個(gè)二極管和一個(gè)反激變壓器構(gòu)成。其功能是產(chǎn)生交流電源，并提供光伏陣列與電網(wǎng)間的隔離。文獻(xiàn)[10]提出了一種對(duì)傳統(tǒng)反激式逆變器的改進(jìn)，如圖9D3CrLr1，Lr2并采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗，提升整體效率。單級(jí)式拓?fù)湎鄬?duì)于多級(jí)式拓?fù)洌哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，附加損耗低，效率相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)學(xué)者們更加專(zhuān)注于研究能夠便于模塊集成，減輕重量，降低成本，高可靠性以及高系統(tǒng)性能的單級(jí)式光伏逆變器。但由于單級(jí)式逆變器需要在同一級(jí)內(nèi)完成升壓并網(wǎng)、最大功率跟蹤等功能，其控制方法往往較為復(fù)雜。微型逆變器相關(guān)技術(shù)微型逆變器由于能量收獲大，轉(zhuǎn)換效率高，安裝花費(fèi)低，已成為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，其在操作上可即插即用，實(shí)現(xiàn)了模塊化，更具有靈活性。然而，為了實(shí)現(xiàn)制造成本低、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)的目標(biāo)，微型逆變器仍需要諸多技術(shù)支持。功率解耦技術(shù)光伏組件在光照條件下會(huì)產(chǎn)生特定的輸入功率，而傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的瞬時(shí)功率卻含有兩倍工頻的功率脈動(dòng)。這是光伏逆變器中普遍存在的瞬時(shí)功率不平衡的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的功率解耦方法是利用電解電容器減小功率脈動(dòng)，將大容量的電解電容并聯(lián)在光伏組件兩側(cè)，用于平緩逆變器輸入電壓和平衡逆變器的瞬時(shí)輸SW3D1IpvD2GirdSW3D1IpvD2GirdCpD3SW4SW5SW2Figure8.Buck-boostinvertertopologyNP:NsD1NP:NsD1S1LfGirdCfS2D2LLL1LmiLr1Lr1CdcPVLn:1+r2Cr-SmD3Figure9.Flybackinvertertopology圖9.反激式逆變器拓?fù)浣怦铍娙萑葜悼杀硎緸椋篊 2gridVCVC其中PPV是電容平均功率，grid是電網(wǎng)的角頻率，VC是電容兩端平均電壓，VC是紋波幅度[12]。光伏側(cè)解耦基于反激式變換器的功率解耦電路大部分位于光伏組件輸出側(cè)，這是由于反激式逆變器的直流鏈部[13]解耦電路；3)反激式逆變器(10)LaCDLa8μH，CD30μF。直流側(cè)解耦為了減少解耦電路成本，并實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，三端口式逆變器由于具有較少元器件、高集成度、高轉(zhuǎn)換效率而成為了研究熱點(diǎn)。三端口式逆變器中，一個(gè)端口用來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，一個(gè)端口用來(lái)實(shí)現(xiàn)功率解耦。Ipv+PV

D1 iLmLaS3

Sn1:n:nDn

Lf ioCf

模型Vpv-

CinD2 DpCDS2

S1 Sp反激式逆變器功率解耦電路Figure10.Topologyproposedinreference[13]圖10.文獻(xiàn)[13]提出的拓?fù)湮墨I(xiàn)[14]提出了一種帶有功率解耦電路的單相三端口反激式微型逆變器(11)大于PactL2L3CX小于Pact解耦電容也要釋放能量以補(bǔ)充負(fù)載的需要。解耦電路采用全橋變換器滿足了解耦電容上能量雙向傳輸?shù)男枰?。交流?cè)解耦文獻(xiàn)[15]提出了一種單級(jí)式電流源全橋光伏逆變器(ACLCLfCfBCbCbibib的適當(dāng)控制，可以實(shí)現(xiàn)恒定瞬時(shí)功率的輸出。漏電流的消除近年來(lái)，相比于隔離式光伏逆變器拓?fù)?，研究者們更傾向于無(wú)變壓器的非隔離式逆變器拓?fù)洌@是由于拓?fù)渲泻凶儔浩鹘Y(jié)構(gòu)使得效率降低，尺寸增大，成本增加。然而，無(wú)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于電網(wǎng)和光伏陣列間沒(méi)有隔離，也會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題，而且無(wú)變壓器的光伏系統(tǒng)在光伏陣列和地之間的寄生電容中會(huì)流經(jīng)接地漏電流。文獻(xiàn)[16]提出了一種為消除接地漏電流的兩級(jí)式微型逆變器拓?fù)?DC-DCDC-AC并網(wǎng)逆變器，開(kāi)關(guān)管和二極管均采用零電流開(kāi)關(guān)模式，峰值效率可達(dá)96.2%220V20KHz，Lm=1.25mH，L1k=12μH，C1=C2=4.4μF，Co133μF，Co2=Co3=68μF。文獻(xiàn)[17]Boost變換器和反激式變換器構(gòu)成(14)，將光伏模塊側(cè)的低電壓升高到第二級(jí)的電壓水平，并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能，第二級(jí)是半橋逆變電路，50V，電網(wǎng)頻率為50Hz，輸出電壓為220V，Lm=600μH，Cin=10μF。新型功率器件的應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體被稱(chēng)為第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速率高、導(dǎo)電性能好、介NN1IDCN2IM2D2LoSM2C2T1SM7SM8+VDC-IACCD31IMXSM3SM4VACSM1NXCxIM1+V-SM9SM6SM5SM10功率解耦電路PVCxLdciLdcidc+SauSbuScuiaLfigvdcibCb+vCf+va-icb-SalSblScl-PV圖11.文獻(xiàn)[14]提出的拓?fù)銯igure12.Topologyproposedinreference[15]圖12.文獻(xiàn)[15]提出的拓?fù)銽rTrLpLsecD0S1Co1LfnSbD1D2LtrS2Co3D3D4Co2Figure13.Topologyproposedinreference[16]圖13.文獻(xiàn)[16]提出的拓?fù)銵mLmQ1DbQbnLfCp1Q2Cp2DbbFigure14.Topologyproposedinreference[17]圖14.文獻(xiàn)[17]提出的拓?fù)銼iCGaN的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件受到了極大關(guān)注，15CreeSiCMOSFET實(shí)物圖。文獻(xiàn)[18]提出了一種偽直流鏈?zhǔn)降慕诲e(cuò)反激式微型逆變器拓?fù)?100200W50HzSi二極管、SiC二極管SiCMOSFETSiCSi二極管的逆變器效1.5%SiCMOSFETSiC1%，微型逆變94.2%。拓?fù)鋵?duì)比分析表1為本文所述部分微型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)與性能對(duì)比，由表1可知：于單級(jí)式逆變器需要在同一級(jí)內(nèi)完成升壓并網(wǎng)、最大功率跟蹤等功能，其控制方法比較復(fù)雜。然而，解耦電路的增加也會(huì)產(chǎn)生附加損耗，導(dǎo)致整體效率的降低。為了降低成本并提升轉(zhuǎn)換效率，三端口逆變器由于其器件數(shù)量少，集成度高，轉(zhuǎn)換效率高而成為了較好的選擇，其一個(gè)端口用來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，另一個(gè)端口用于功率解耦。通過(guò)目前的分析對(duì)比可知，單級(jí)式逆變器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗低，效率高，如果能選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒?，使電路工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，同時(shí)考慮到功率解耦技術(shù)以及漏電流的消除，采用新型寬禁帶功率器件，將會(huì)使微型逆變器整體效率得到提升，逆變器壽命得到延長(zhǎng)，系統(tǒng)可靠性得到提高。Figure15.SecondgenerationSiCMOSFETofCreeCorporation圖15.Cree公司第二代SiCMOSFETLr1Lr11:nQ1 Q2Lm1Sp1CdQ3Q4LoCoVgridDs1Cr1Lr21:nLm2Sp2Ds2Cr2Figure16.Topologyproposedinreference[18]圖16.文獻(xiàn)[18]提出的拓?fù)銽able1.Comparisonofparametersandperfor