光伏微型逆变器研究综述

第 40 卷 第 21 期 电 力 系 统 保 护 与 控 制 Vol.40 No.21 2012 年 11 月 1 日 Power System Protection and Control Nov. 1, 2012 光伏微型逆变器研究综述高文祥，王明渝，王立健，刘 洋 （重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044） 摘要 主要对采用改进型功率解耦方案的微型逆变器拓扑进行了综述。阐述了微型逆变器光伏并网方案的优势，说明了微型逆变器的设计要求。 通过对微型逆变器的拓扑结构和功率解耦环节进行分析， 指出功率解耦环节是影响逆变器寿命的主要因素。归纳了能有效提高微型逆变器寿命的三种改进型功率解耦方案，结合国内外研究现状，重点介绍了单级式与多级式微型逆变器拓扑，并说明了各类型拓扑的优点和不足之处。根据微型逆变器的特点和发展前景，对今后的研究方向做了展望。关键词 光伏并网系统；微型逆变器；功率解耦；寿命；可靠性；综述Review of research on photovoltaic micro-inverter GAO Wen-xiang, WANG Ming-yu, WANG Li-jian, LIU Yang State Key Laboratory of Power Transmission Equipment System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China Abstract Micro-inverter topologies with enhanced power decoupling circuit are reviewed in this paper ． Firstly ， according to the comparison of different photovoltaic grid-connected systems ， this paper expounds the advantages of micro-inverter systems ， and analyzes the design requirements of micro-inverter． By analyzing the structure and power decoupling link of micro-inverter ， it points out that the power decoupling link is the main factor that affecting the lifetime of micro-inverter ． Based on the existing research at home and abroad, this paper summarizes three power decoupling schemes which can increase the lifetime of micro-inverter． Different topology types are discussed ， including single-stage and multi-stage micro-inverter topologies ． Their merits and drawbacks are described． Finally ， considering the characteristics and future prospects of micro-inverter ， the key points of the future research are discussed．Key words PV grid-connected system； micro-inverter ； power decoupling ； life-time ； reliability ； review 中图分类号 TM464 文献标识码 A 文章编号 1674-3415201221-0147-090 引言 在全球性能源危机的影响下， 寻求高效、 持续、清洁的新能源成为当今国际发展的主题之一。而太阳能以其无比的优越性。成为人们解除能源危机的主要选择之一。我国太阳能资源丰富，太阳能作为传统能源的替代能源具有巨大的经济效益和战略意义。光伏并网发电是目前人们使用太阳能的重要方式。传统集中式光伏并网系统是由许多紧密相连的太阳能电池板组成。这些电池板首先分组串联，然后并联起来形成光伏阵列。阵列产生的直流电会流到位于电池板侧旁的集中式并网逆变器，由其逆变基金项目 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室资助项目 2007DA10512711205 器完成 DC/AC 转换连接到电网，并找出最大功率跟踪点以优化光伏并网系统的效率。随着技术日趋成熟和不断发展，集中式光伏并网发电系统的存在的问题也逐渐引起了关注。1 可靠性集中式光伏并网发电系统中，逆变器是整个系统中的关键环节也是薄弱环节，单台逆变器的故障可能会导致整个系统的崩溃，装置维护期间光伏阵列产生的能量便被浪费。2 MPPT 跟踪效率 虽然大多数集中光伏逆变器生产厂商宣称跟踪效率可以达到 99，事实上，由于其 MPPT 跟踪针对的是整个光伏阵列，无法兼顾到每块光伏组件。由于模块匹配、局部阴影等因素，实际光伏阵列输出呈现多峰值特性 [1]。在光照功率不均时，进行统一的最大功率跟踪，很可能能使阵列工作在局部最优点，集中式系统中通常每块光伏电池组件均接有旁路二极管，用以将处于阴影- 148 - 电力系统保护与控制情况下的光伏电池旁路。3 系统可扩展性集中式并网系统的连接方式决定了其系统可扩展性较差。针对集中式并网系统存在的问题，众多学者提出了各种新型光伏并网系统，其中以串联直流模块并网系统 [2]和微型逆变器并网系统为代表的分布式并网方案是当前研究的热点。图 1b、图 1 c 分别为串联直流模块式并网系统和微型逆变器并网系统。由图 1 可知，直流模块系统通过 DC/DC 变换器与光伏电池直接相连，跟踪每块电池的最佳工作点，而交流模块系统则是通过微型逆变器完成这一工作。两种方案均能够将 MPPT 做到面板级别。分布式光伏并网系统中每块面板均工作在相应的最大功率点处，光伏电池利用率高于集中式并网方式。由图 1b、图 1c可知，直流模块仍需集中式并网逆变器，系统的可靠性仍受集中式逆变器的限制。微型逆变器并网系统可以有效解决集中式并网方案中集中式逆变器的可靠性问题对系统的影响，该方案将微型逆变器装置与光伏电池集成一体，支持热插拔，用户可根据需求安装、扩展，是针对集图 1 光伏并网系统Fig. 1 Photovoltaic grid-connected system中式并网系统所存在问题的最为彻底的解决方案。微型逆变器作为该方案的核心单元，是目前光伏并网装置研究的热点之一。1 微型逆变器设计要求 微型逆变器设计应重点考虑以下几个方面 [3]。1 功率密度 微型逆变器要求具有高的功率密度，整体电路应具备较小的体积。2 转换效率 由于目前光伏电池能量转化效率不高， 因此光伏并网设备的效率每提高 1都能够带来巨大的经济价值。3 可靠性 集中式并网逆变器平均首次故障时间 MTFF 通常为 5 年，平均故障时间 MTBF 约为10 年。光伏电池的寿命达 20 年以上，因此微型逆变器寿命设计指标必须与光伏电池相当才能体现出该方案的优势。其 MTBF 应大于 20 年， MTFF 为10 年以上。4 成本 交流模块系统为每块光伏面板均配置微型逆变器，这就要求微型逆变器成本较低，电路中应包含较少的器件。其控制器在能处理所有的控制、 通信和计算任务， 同时亦必须具有较低的价格。目前对传统光伏并网系统的研究已经取得非常多的成果 [4-7] ， 在微型逆变器并网系统的设计中可借鉴采用这些成果。本文将针对不同微型逆变器主电路，进行具体的研究和分析。2 微型逆变器电路 2.1 电路结构 由于单块面板输出电压较低，为使直流侧电压高于网侧峰值电压，微型逆变器应具备升压环节。目前微型逆变器多采用高频变压器，该方案具备较高的功率密度，效率高，而且能够实现光伏电池与网侧的电气隔离。基于高频变压器的单级式电路结构较为简单，而多级式电路结构通常较为复杂。根据功率变换方式的不同，可分为两类，分别如图 2a、图 2 b所示。其中图 2a所示电路结构，首先将直流电通过前级变换器变换为高频交流电，变压器次级整流为直流，最后经过逆变环节转换为工频交流。若前级高频交流电为按照正弦脉宽调制，次级可直接通过周波变换器直接变换为工频交流电， 如图 2b所示。文献 [8]提出一种基于 Boost 变换器和乘法升压单元组合的高增益升压变换器如图 3 所示，亦可作为两级式变换器直流升压环节。文献 [9] 对两种DC/DC 升压方式进行了研究， 基于 Boost 和升压单元级联的解决方案效率为 94.595.5 ，文章指出高文祥，等 光伏微型逆变器研究综述 - 149 - 引入无源缓冲电路后，该效率会进一步提升。采取高频变压器升压方案效率约为 96，两种方案的效率相当。高频变压器可以实现光伏面板和网侧的电气隔离，目前大部分微型逆变器拓扑升压环节均采用高频变压器。若采取高增益 DC/DC 变换器升压方案，逆变器可以考虑采用如图 4 所示的 H5 等非隔离型逆变器 [10]拓扑，该类型拓扑能够有效抑制漏电流。HFACHFACDCACDC HFACDCDCACHFACa DC-HFAC-DC-ACb DC-HFAC-AC图 2 多级式电路拓扑Fig. 2 Multi-stage topology S1L BL rD11 D12C12C11C22D21 D22C21CM2D M1 DM2CM1D oCo升压单元图 3 高增益 DC/DC 变换器Fig. 3 DC/DC converter with high gain EMC滤波器 GridS1S5S4S3S2PV图 4 H5 非隔离型逆变器Fig. 4 H5 non-isolated inverter 2.2 功率解耦环节 如图 5 所示，当光伏电池稳定工作在其最大功率点时，逆变器输入功率 Pin 是恒定的，而逆变器的输出功率 Po 却是瞬变的， 逆变器输入输出存在瞬时功率不平衡问题，反映在光伏电池输出侧表现为其输出电压包含有二倍频的扰动分量。该扰动会影响最大功率跟踪的效率， 降低对光伏电池的利用率。为此，应引入功率解耦方案抑制该二次扰动 [11] 。传统的解决方案为在光伏电池与逆变器之间安置解耦电容，电容容值的选取由式 1、式 2可得。图 5 输入电压、功率和输出电压、功率波形图Fig. 5 Waveforms about input voltage, input power, and output voltage, output power π2 2 4max min in oπ41 1 d2 2CU CU P p t tωω-- -∫ 1 max min indcdc2 2U U PU UCUω Δ 2 式中 C 为前侧解耦电容容值； Pin 与 Po 分别为输入和输出功率； Umax 和 U min 分别是电容电压的最大值和最小值； Δ U 是电容的电压波动值； Udc 为电容承受直流电压均值。单块光伏电池输出电压通常 2345 V 左右 [12]，输出功率范围在几十瓦到几百瓦之间。由于光伏电池输出电压较低， 若要抑制二次扰动在合理范围内，由公式 2可知必须在光伏输出侧所需电容容值较大，通常选用较大容值的电解电容。该方案虽然简单有效，但是电解电容不仅体积大，而且寿命短，影响了微型逆变器的工作寿命和稳定性，与微型逆变器高可靠性长寿命设计指标显然不符，已被证实是影响微型逆变器设备寿命的主要因素。新型功率解耦方案是当前微型逆变器研究的重点。目前出现了多种用以取代电解电容的功率解耦电路，可归纳为以下三种1 引入附加解耦电路，将二次功率扰动转移到解耦电路中，使得逆变器两侧瞬时功率相等。2 由式 2可知，提高直流侧输入电压或电容电压波动值增大都可降低所需电容容值，该方案多见于两级式逆变电路。3 三相微型逆变器，三相桥式电路输出和输入瞬时功率平衡，不存在功率扰动，只需一个小电容滤除高频纹波。2.3 具有功率解耦功能的微型逆变器拓扑 目前提出微型逆变器拓扑类型多为单级式和多级式。 传统采取电解电容的功率解耦方案可靠性低，而采取改善型功率解耦方案的微型逆变器具备更高- 150 - 电力系统保护与控制的可靠性，是微型逆变器研究的趋势所在。本文主要对目前提出的微型逆变器电路中包含如上改善型功率解耦方案的微型逆变器拓扑进行研究。2.3.1 单级式微型逆变器单级式微型逆变器通过高频变压器，直接将光伏电池输出的直流电源变换为网侧交流电源，无需其他转换环节，结构上简单，但是控制比较复杂。目前针对单级式微型逆变器的研究多集中在反激式电路结构上，该类型逆变器所用器件少，成本低，可靠性高，适合应用于小功率场合。文献 [13] 提出了一种具有解耦电路功能的拓扑结构，如图 6 所示。该拓扑在传统反激式逆变器的基础上引入功率解耦电路，将二倍频功率扰动通过解耦电路转移到解耦电容中，光伏电池输出侧仅需小容值电容滤去高频纹波。变压器漏感中的能量亦可通过解耦电路存储到解耦电容中。该方案首先将输入到激磁电感中的能量全部转移到解耦电容当中， 之后通过脉宽调制策略控制开关管 S1 的导通和关断，能量传递到二次侧。解耦电路需要对全部的能量进行处理，功率损失严重，效率较低，文中表明改变换器的效率仅为 70。PVS1 S2S3Cin CfLfCx Sx图 6 文献 [13] 所提出的拓扑Fig. 6 Topology proposed in reference[13]文献 [14] 针对文献 [13] 提出的电路进行了改进，电路如图 7 所示。 在瞬时输入功率大于输出功率时，多余的功率通过解耦电路存储到解耦电容中，而当瞬时输入功率小于输出功率时，存储在解耦电容中的能量通过解耦电路释放。由于解耦电路的引入，解耦电容不再像传统解耦方式那样直接并联在光伏电池输出侧，解耦电容电压均值与波动幅值均可取较大值，由式 2可知，所需解耦电容容值可大幅减小。解耦电路损耗降低，其效率较为改进前的电路提高了 10。文献 [15] 亦提出一种改进的微型逆变器电路，如图 8 所示，该电路欧洲效率为 81.7。图 9 为文献 [16] 提出的微型逆变器解决方案，通过引入双向 DC/DC 变换器和解耦电容，来平衡输入和输出功率，通过双向 DC/DC 不同工作模式的切换，存储或释放能量，为使电路正常工作。电路同时引入了由变压器、整流桥组成的解耦电容电压钳位电路，增加了设备的成本和体积，文中指出该方案的效率为 90.5。该拓扑控制方式可参考文献 [17] 进行改进，以进一步减小设备体积，取得更好的输出波形。文献 [13-15] 所提出反激式微型逆变器解耦电路均只适用于反激式逆变器，不具备普遍性， 而文献 [7]中的解耦电路亦可用于其他类型逆变器。文献 [18] 提出一类基于双向开关的两级式电路如图 10 所示， 该类型电路控制较为复杂， 均包含三个由双向开关构成的桥臂，通过控制第三桥臂抑制二次功率扰动。电容均位于交流侧，电压较高，所PVS1S2S3CinCfL fC xSxD x图 7 文献 [14] 所提出的改进拓扑Fig. 7 Topology proposed in reference[14]PVS2S3C in CfLfCxSflyback 1Sflyback 2Dfb 2D fb1Sbuck-boostSsyn图 8 双开关反激逆变器Fig. 8 Dual-switch flyback inverter CxPVCinSboostSbuckLd 反激式逆变器ChfCfL f整流图 9 具有双向 DC/DC 解耦电路反激式逆变器Fig. 9 Flyback inverter with bidirectional DC/DC decoupling circuit 高文祥，等 光伏微型逆变器研究综述 - 151 - CfL fL DCS 11S32S31S22S 21S12CBPV图 10 单级式三桥臂微型逆变器Fig. 10 Single-phase three-leg micro-inverter需电容容值较小。随着双向开关制造技术的成熟，该拓扑具有良好的应用前景。目前所提出的微型逆变器电路多为单相，单相逆变器有输入和输出功率不平衡的问题，而三相逆变器却不存在该题，逆变器前侧仅需小容值电容滤除高频纹波。文献 [19] 研究一种单级式三相微型逆变器，该逆变器最高效率可达 97。其中 Boost 电路负责进行最大功率跟踪，桥式逆变器采取空间矢量调制方案，该电路无高频隔离变压器，文中亦对共模漏电流的抑制策略进行了讨论，通过对零开关状态的合理安排，将共模漏电流抑制在安全范围内。图 10和图 11 所示拓扑均无升压设备， 该类型逆变器多用于定制的具备较高输出功率的光伏电池面板，此类面板输出功率达到 1 kW ，输出直流电压较高。PVL dcS1 S5CaS6S4S3S2 CcCb LaL bLceaebecD z图 11 电流源型三相微型逆变器Fig. 11 Current source three-phase micro-inverter2.3.2 多级式微型逆变器两级式逆变器首先通过 DC/DC 升压环节对光伏电池输出电压升高至大于网侧峰值的电压值，并进行最大功率跟踪，然后通过后级逆变器转换为并网交流电。文献 [20] 研究了一种基于移向全桥软开关电路的微型逆变器 （图 12） ， 该电路前侧采用基于图 2a方案的全桥 DC/DC 变换器进行升压，后级为电流型逆变器，该逆变器整体均采取小容值电容，且运用软开关技术进一步提升效率。文中指出逆变器的峰值效率为 89。S1S4S3S2 LrCinPVCb N1 N 2 S5S7S6S8S 9Cdc D9L outD 1D8D6D 7D5D4D3D 2 -图 12 文献 [20] 所提出的拓扑Fig. 12 Topology proposed in reference[20] 以上电路解耦电路均位于高频变压器原边侧，文献 [21-22] 分别研究一类三端口微型逆变器，如图13 所示， 其中功率解耦电路部分位于高频变压器副边，该类型电路工作原理与电路与文献 [14] 提出的电路相似，由于解耦电路位于电压较高的变压器副边，所需解耦电容容值进一步减小。图 13 三端口微型逆变器Fig. 13 Micro-inverter with three-port 文献 [23] 提出一种电流源型推挽式变换器（图14） ，前级采用图 2b方案为将直流变换为高频交流，然后通过后级周波变换器换为工频交流后级桥式变换器由于开关频率低，效率较高。PVS1S 2S3 CfL fS6S5S4S7图 14 文献 [23] 所提出的拓扑Fig. 14 Topology proposed in reference[23] - 152 - 电力系统保护与控制文献 [24] 研究了一种具备功率解耦电路的推挽式微型逆变器 （图 15） ， 该类型逆变器通过引入 Boost电路与相应的控制开关作为为解耦环节，与前文所提到的反激式微型逆变器相比，该类型变换器变压器通过的电流峰值较小，功率回馈阶段 Boost 电路不工作，损耗小，效率相对较高。文中指出该逆变器效率为 95。PVS m2Sm1S3CfLfS 6S5S4S x1Sx2D2D1Sx0DxCxLxCDC图 15 推挽式微型逆变器Fig. 15 Push-pull type micro-inverter 文献 [25] 提出了一种电容闲置型反激逆变器结构（图 16），它由电容闲置型直流变换电路和传统反激逆变器组合而成。 通过引入闲置电容运行状态，使电路具有输入输出独立控制和软开关运行的优点。二倍频的功率波动转移到闲置电容的电压波动上，使解耦电容容量大为减小，从而改善了功率解耦特性，效率为 85。D 1S1S 4S3C1 CfL fPVC2L1CsD 2D4D3S2图 16 基于闲置电容的软开关反激逆变器Fig. 16 Flyback inverter with soft-switching technology 文献 [26] 研究了一种两级式三桥臂微型逆变器（图 17） ，前级为高频升压环节，后级为三相桥式逆变器。 其工作原理与前文图 10 所示单级式拓扑类似，通过第三桥臂控制解耦电容电压，消除二倍频扰动。文献 [27] 研究了一种两级式反激式三相微型逆变器（图 18） ，前级为高频升压环节，后级为三相桥式逆变器。前级工作在断续状态，次级逆变器开关工作在软开关状态，文中实验结果表明该电路最大效率为 87。3 微型逆变器拓扑对比分析基于改进型功率解耦方案的微型逆变器具有更S1L 1 S 11S32S31S22S21S12S1L 2C1 C3C2CBPV图 17 两级式三桥臂微型逆变器Fig. 17 Micro-inverter with three legsPV CineaebecS1 S7S8S6S5S3S4S2图 18 两级式三相微型逆变器Fig. 18 Two-stage three-phase micro-inverter 高的可靠性，也是目前微型逆变器研究的重点。然而该类型微型逆变器仍然存在电路结构较为复杂，效率普遍不高的缺点。表 1 为部分微型逆变器拓扑对比，由表 1 可知1 在单级式微型逆变器中， 引入附加的功率解耦电路后，虽然能够有效抑制二次功率扰动，使得微型逆变器具有较长的工作寿命成为可能，但同时不可避免地增加了设备的体积和成本，降低设备的整体效率，控制和电路拓扑都变得复杂，寻求一种更为高效简洁的解耦方案是单级式微型逆变器要解决的问题之一。2 多级式微型逆变器电路结构复杂， 能量转换次数多，整体效率下降。该类型电路大多通过升压环节提高解耦电容端电压的方法来减小电容容值。基于高增益升压直流升压电路的微型逆变器由于失去了变压器的隔离，还需考虑共模漏电流问题，而非隔离型并网装置的控制和拓扑均较为复杂。多级式微型逆变器所需器件较多，一定程度上增加了设备的成本。3 三相型微型逆变器通常也为两级式， 仍需升压环节，整体电路所需器件较多，成本较单相式逆变电路高。无升压环节的三相拓扑虽然效率较高，但目前应用对象仅限为特定的大功率输出光伏面板，并不具备普遍性。如若引入升压环节，该类型拓扑和多级式拓扑类似，电路所需器件亦较多。由于微型逆变器多采用小容量的逆变器设计，其效率相对较低，而且成本较高。通过分析目前提出的微型逆变器结构可知，单级式微型逆变器由于结构简单，所需开关数目较少，成本相对于多级式高文祥，等 光伏微型逆变器研究综述 - 153 - 表 1 各微型逆变器拓扑对比（表中 M 表示最大效率， E 为欧洲效率）Table1 Comparison of different micro-inverter topologies （ M refers to the maximum efficiency, E refers to the European efficiency ）拓扑图 拓扑结构 开关数目 二极管数目 电感数目 变压器绕组数 解耦电容容值 效率图 6 单级式 4 4 1 3 40 μ F 70M 图 7 单级式 4 4 1 4 44 μ F 73M 图 8 单级式 6 4 1 3 314 μ F 86.7M 图 9 单级式 5 8 2 5 50 μ F 90.5 图 10 单级式 6 0 2 0 图 11 单级式 6 6 4 0 660 nF 97M 96E 图 12 DC-HFAC-DC-AC 9 9 2 2 8.2 μ F 85.4E 图 13a DC-DC-AC 10 2 1 3 40 μ F 图 13b DC-HFAC-AC 6 0 2 4 10 μ F 图 14 DC-HFAC-DC-AC 7 7 2 4 80M 图 15 DC-HFAC-DC-AC 9 7 2 3 50 μ F 95M 图 16 DC-DC-AC 4 4 2 3 70 μ F 85M 图 17 DC-HFAC-AC 8 2 2 2 图 18 DC-HFAC-AC 8 8 3 3 87M 逆变器较低，且效率相对较高，若能进一步改进功率解耦电路，同时引入软开关技术，使功率解耦电路和逆变器电路均工作在软开关状态，不仅能降低主电路的损耗，提高整体效率，还能减少器件的发热，进一步提升系统的可靠性，高效率低成本的单级式微型逆变器将更具吸引力。另外，影响微型逆变器可靠性的因素还有很多，当前对于提高微型逆变器工作寿命问题的研究主要集中在如何取代电路中电解电容这一方面，实际中微型逆变器的极端工作环境、 封装、 制作工艺等均会影响设备的可靠性。在微型逆变器设计中应综合考虑多方面的因素，以使变换器具有更好的性能。4 结论 光伏微型逆变器作为一种新型的光伏并网装置， 有着广阔的发展前景。 在追求长时间、 高效率、稳定运行的设计目标的同时，应兼顾设备的体积和成本。本文根据微型逆变器的设计要求，对目前热点研究的光伏微型逆变器典型主电路拓扑进行分析对比，指出软开关技术在微型逆变器中的重要性，对光伏微型逆变器的研究具有一定的参考价值。参考文献[1] 翟载腾，程晓舫，丁金磊，等．被部分遮挡的串联光伏组件输出特性 [J]．中国科学技术大学学报， 2009，394 388-402．ZHAI Zai-teng ， CHENG Xiao-fang ， DING Jin-lei ， et al. 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