微型逆變器

1、安全

傳統(tǒng)集中型逆變器或組串式逆變器通常具有幾百伏上千伏的直流電壓，容易起火，且起火后不易撲滅。微逆僅幾十伏的直流電壓，全部并聯(lián)，最大程度降低了安全隱患。

2、智能

組件級(jí)的監(jiān)控，可在ECU中看到每塊組件的工作狀態(tài)。

3、多發(fā)電

組件級(jí)的MPPT，無(wú)木桶效應(yīng)，降低了遮擋對(duì)發(fā)電量的影響;弱光效應(yīng)好，因?yàn)閱?dòng)電壓低，僅20V，在光照弱的時(shí)候也能工作。

4、壽命長(zhǎng)

通常微逆設(shè)計(jì)壽命為25年，傳統(tǒng)逆變器為10年。

5、方便、美觀

不需要專門建設(shè)配電房，微逆可以直接安裝在組件后面或者支架上，因?yàn)槭遣⒙?lián)結(jié)構(gòu)，后期增加規(guī)?？芍苯影惭b，無(wú)需更改之前的配置。

從目前來(lái)看，微逆變器的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，在實(shí)際應(yīng)用中，若組串型逆變器出現(xiàn)故障，則會(huì)引起幾千瓦的電池板不能發(fā)揮作用，而微型逆變器故障造成的影響相當(dāng)之小，由此可見(jiàn)，微逆變器的前景非常廣闊，相信在未來(lái)，微逆變器將掀起逆變器領(lǐng)域的變革浪潮。

早期的光伏電站只需可以發(fā)電就好了，2.0時(shí)代開(kāi)始需要知道大概有多少發(fā)電量，而到了3.0時(shí)代，光伏電站不僅要發(fā)電，而且需要有智能運(yùn)維，需要知道每片組件的發(fā)電量。當(dāng)光伏電站真正進(jìn)入到千家萬(wàn)戶，安全的問(wèn)題就顯得愈加重要，因?yàn)橐恍┬录夹g(shù)的出現(xiàn)，使光伏電站從上而下地與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)交織在了一起，如果沒(méi)有這些運(yùn)維技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)等等，能源互聯(lián)網(wǎng)就是空談。落到實(shí)地就是3.0時(shí)代的特性，把互聯(lián)網(wǎng)概念和運(yùn)維的商業(yè)模式結(jié)合在一起，這就是能源互聯(lián)網(wǎng)。

太陽(yáng)能光伏微型逆變器是一種轉(zhuǎn)換直流從單一太陽(yáng)能電池組件至交流電的裝置。

微型逆變器的直流電源轉(zhuǎn)換是從一個(gè)單一的太陽(yáng)能模塊交流，各個(gè)太陽(yáng)能電池模塊配備逆變器及轉(zhuǎn)換器功能，每塊組件可單獨(dú)進(jìn)行電流的轉(zhuǎn)化，所以這被稱之為"微型逆變器"。

微型逆變器能夠在組件級(jí)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，擁有超越集中式逆變器的優(yōu)勢(shì)。這樣可以通過(guò)對(duì)各模塊的輸出功率進(jìn)行優(yōu)化，使得整體的輸出功率最大化。

此外，與通信功能組合，還可用于監(jiān)視各個(gè)模塊的狀態(tài)，檢測(cè)出出現(xiàn)故障的模塊。

根據(jù)是否有儲(chǔ)能電池，分為并網(wǎng)微逆和離網(wǎng)微逆;根據(jù)輸出電壓，分為單相微逆和三相微逆。

微逆變器技術(shù)提出將逆變器直接與單個(gè)光伏組件集成，為每個(gè)光伏組件單獨(dú)配備一個(gè)具備交直流轉(zhuǎn)換功能和最大功率點(diǎn)跟蹤功能的逆變器模塊，將光伏組件發(fā)出的電能直接轉(zhuǎn)換成交流電能供交流負(fù)載使用或傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

當(dāng)電池板中有一塊不能良好工作，則只有這一塊都會(huì)受到影響。其他光伏板都將在最佳工作狀態(tài)運(yùn)行，使得系統(tǒng)總體效率更高，發(fā)電量更大。

體積小巧美觀，可直接安裝在組件或者支架上，重量輕盈。

基于改進(jìn)型功率解耦方案的微型逆變器具有更高的可靠性，也是目前微型逆變器研究的重點(diǎn)。然而該類型微型逆變器仍然存在電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，效率普遍不高的缺點(diǎn)。部分微型逆變器拓?fù)鋵?duì)比，可知:

1) 在單級(jí)式微型逆變器中， 引入附加的功率解耦電路后，雖然能夠有效抑制二次功率擾動(dòng)，使得微型逆變器具有較長(zhǎng)的工作壽命成為可能，但同時(shí)不可避免地增加了設(shè)備的體積和成本，降低設(shè)備的整體效率，控制和電路拓?fù)涠甲兊脧?fù)雜，尋求一種更為高效簡(jiǎn)潔的解耦方案是單級(jí)式微型逆變器要解決的問(wèn)題之一 。

2) 多級(jí)式微型逆變器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 能量轉(zhuǎn)換次數(shù)多，整體效率下降。該類型電路大多通過(guò)升壓環(huán)節(jié)提高解耦電容端電壓的方法來(lái)減小電容容值。基于高增益升壓直流升壓電路的微型逆變器由于失去了變壓器的隔離，還需考慮共模漏電流問(wèn)題，而非隔離型并網(wǎng)裝置的控制和拓?fù)渚^為復(fù)雜。多級(jí)式微型逆變器所需器件較多，一定程度上增加了設(shè)備的成本 。

3) 三相型微型逆變器通常也為兩級(jí)式， 仍需升壓環(huán)節(jié)，整體電路所需器件較多，成本較單相式逆變電路高。無(wú)升壓環(huán)節(jié)的三相拓?fù)潆m然效率較高，但目前應(yīng)用對(duì)象僅限為特定的大功率輸出光伏面板，并不具備普遍性。如若引入升壓環(huán)節(jié)，該類型拓?fù)浜投嗉?jí)式拓?fù)漕愃?，電路所需器件亦較多。由于微型逆變器多采用小容量的逆變器設(shè)計(jì)，其效率相對(duì)較低，而且成本較高。通過(guò)分析目前提出的微型逆變器結(jié)構(gòu)可知，單級(jí)式微型逆變器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需開(kāi)關(guān)數(shù)目較少，成本相對(duì)于多級(jí)式逆變器較低，且效率相對(duì)較高，若能進(jìn)一步改進(jìn)功率解耦電路，同時(shí)引入軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使功率解耦電路和逆變器電路均工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不僅能降低主電路的損耗，提高整體效率，還能減少器件的發(fā)熱，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性，高效率低成本的單級(jí)式微型逆變器將更具吸引力。另外，影響微型逆變器可靠性的因素還有很多，當(dāng)前對(duì)于提高微型逆變器工作壽命問(wèn)題的研究主要集中在如何取代電路中電解電容這一方面，實(shí)際中微型逆變器的極端工作環(huán)境、 封裝、制作工藝等均會(huì)影響設(shè)備的可靠性。在微型逆變器設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮多方面的因素，以使變換器具有更好的性能 。

微型逆變器設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。

1) 功率密度: 微型逆變器要求具有高的功率密度，整體電路應(yīng)具備較小的體積 。

2) 轉(zhuǎn)換效率: 由于目前光伏電池能量轉(zhuǎn)化效率不高， 因此光伏并網(wǎng)設(shè)備的效率每提高1%都能夠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 。

3) 可靠性: 集中式并網(wǎng)逆變器平均首次故障時(shí)間(MTFF)通常為 5 年，平均故障時(shí)間(MTBF)約為10 年。光伏電池的壽命達(dá) 20 年以上，因此微型逆變器壽命設(shè)計(jì)指標(biāo)必須與光伏電池相當(dāng)才能體現(xiàn)出該方案的優(yōu)勢(shì)。其 MTBF 應(yīng)大于 20 年， MTFF 為10 年以上 。

4) 成本: 交流模塊系統(tǒng)為每塊光伏面板均配置微型逆變器，這就要求微型逆變器成本較低，電路中應(yīng)包含較少的器件。其控制器在能處理所有的控制、 通信和計(jì)算任務(wù)， 同時(shí)亦必須具有較低的價(jià)格 。

目前對(duì)傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得非常多的成果， 在微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中可借鑒采用這些成果。本文將針對(duì)不同微型逆變器主電路，進(jìn)行具體的研究和分析 。

3.1.電路結(jié)構(gòu):

由于單塊面板輸出電壓較低，為使直流側(cè)電壓高于網(wǎng)側(cè)峰值電壓，微型逆變器應(yīng)具備升壓環(huán)節(jié) 。

目前微型逆變器多采用高頻變壓器，該方案具備較高的功率密度，效率高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電池與網(wǎng)側(cè)的電氣隔離 。

基于高頻變壓器的單級(jí)式電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而多級(jí)式電路結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜。根據(jù)功率變換方式的不同，可分為兩類。首先將直流電通過(guò)前級(jí)變換器變換為高頻交流電，變壓器次級(jí)整流為直流，最后經(jīng)過(guò)逆變環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為工頻交流。若前級(jí)高頻交流電為按照正弦脈寬調(diào)制，次級(jí)可直接通過(guò)周波變換器直接變換為工頻交流電。有研究提出一種基于 Boost 變換器和乘法升壓?jiǎn)卧M合的高增益升壓變換器，亦可作為兩級(jí)式變換器直流升壓環(huán)節(jié)。有研究]對(duì)兩種DC/DC 升壓方式進(jìn)行了研究，基于 Boost 和升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)的解決方案效率為 94.5%~95.5%，文章指出引入無(wú)源緩沖電路后，該效率會(huì)進(jìn)一步提升。采取高頻變壓器升壓方案效率約為 96%，兩種方案的效率相當(dāng)。高頻變壓器可以實(shí)現(xiàn)光伏面板和網(wǎng)側(cè)的電氣隔離，目前大部分微型逆變器拓?fù)渖龎涵h(huán)節(jié)均采用高頻變壓器。若采取高增益 DC/DC 變換器升壓方案，逆變器可以考慮采用如圖 4 所示的 H5 等非隔離型逆變器拓?fù)?，該類型拓?fù)淠軌蛴行б种坡╇娏?。

3.2.功率解耦環(huán)節(jié):

當(dāng)光伏電池穩(wěn)定工作在其最大功率點(diǎn)時(shí)，逆變器輸入功率 Pin 是恒定的，而逆變器的輸出功率 Po 卻是瞬變的， 逆變器輸入輸出存在瞬時(shí)功率不平衡問(wèn)題，反映在光伏電池輸出側(cè)表現(xiàn)為其輸出電壓包含有二倍頻的擾動(dòng)分量。該擾動(dòng)會(huì)影響最大功率跟蹤的效率，降低對(duì)光伏電池的利用率。為此，應(yīng)引入功率解耦方案抑制該二次擾動(dòng) 。

傳統(tǒng)的解決方案為在光伏電池與逆變器之間安置解耦電容，電容容值的選取由式(1)、式(2)可得。

式中: C 為前側(cè)解耦電容容值; Pin 與 Po 分別為輸入和輸出功率; Umax 和 Umin 分別是電容電壓的最大值和最小值; ΔU 是電容的電壓波動(dòng)值; Udc 為電容承受直流電壓均值 。

單塊光伏電池輸出電壓通常 23~45 V 左右，輸出功率范圍在幾十瓦到幾百瓦之間。由于光伏電池輸出電壓較低，若要抑制二次擾動(dòng)在合理范圍內(nèi)，由公式(2)可知必須在光伏輸出側(cè)所需電容容值較大，通常選用較大容值的電解電容。該方案雖然簡(jiǎn)單有效，但是電解電容不僅體積大，而且壽命短，影響了微型逆變器的工作壽命和穩(wěn)定性，與微型逆變器高可靠性長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)指標(biāo)顯然不符，已被證實(shí)是影響微型逆變器設(shè)備壽命的主要因素 。

新型功率解耦方案是當(dāng)前微型逆變器研究的重點(diǎn)。目前出現(xiàn)了多種用以取代電解電容的功率解耦電路， 可歸納為以下三種:

(1) 引入附加解耦電路，將二次功率擾動(dòng)轉(zhuǎn)移到解耦電路中，使得逆變器兩側(cè)瞬時(shí)功率相等 。

(2) 由式(2)可知，提高直流側(cè)輸入電壓或電容電壓波動(dòng)值增大都可降低所需電容容值，該方案多見(jiàn)于兩級(jí)式逆變電路 。

(3) 三相微型逆變器，三相橋式電路輸出和輸入瞬時(shí)功率平衡，不存在功率擾動(dòng)，只需一個(gè)小電容濾除高頻紋波 。

3.3.具有功率解耦功能的微型逆變器拓?fù)?/p>

目前提出微型逆變器拓?fù)漕愋投酁閱渭?jí)式和多級(jí)式。傳統(tǒng)采取電解電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變器具備更高的可靠性，是微型逆變器研究的趨勢(shì)所在。主要對(duì)目前提出的微型逆變器電路中包含如上改善型功率解耦方案的微型逆變器拓?fù)溥M(jìn)行研究 。

單級(jí)式微型逆變器:

單級(jí)式微型逆變器通過(guò)高頻變壓器，直接將光伏電池輸出的直流電源變換為網(wǎng)側(cè)交流電源，無(wú)需其他轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單，但是控制比較復(fù)雜。目前針對(duì)單級(jí)式微型逆變器的研究多集中在反激式電路結(jié)構(gòu)上，該類型逆變器所用器件少，成本低，可靠性高，適合應(yīng)用于小功率場(chǎng)合 。

有研究提出了一種具有解耦電路功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)湓趥鹘y(tǒng)反激式逆變器的基礎(chǔ)上引入功率解耦電路，將二倍頻功率擾動(dòng)通過(guò)解耦電路轉(zhuǎn)移到解耦電容中，光伏電池輸出側(cè)僅需小容值電容濾去高頻紋波。變壓器漏感中的能量亦可通過(guò)解耦電路存儲(chǔ)到解耦電容中。該方案首先將輸入到激磁電感中的能量全部轉(zhuǎn)移到解耦電容當(dāng)中， 之后通過(guò)脈寬調(diào)制策略控制開(kāi)關(guān)管 S1 的導(dǎo)通和關(guān)斷，能量傳遞到二次側(cè)。解耦電路需要對(duì)全部的能量進(jìn)行處理，功率損失嚴(yán)重，效率較低，文中表明改變換器的效率僅為 70% 。

多級(jí)式微型逆變器:

兩級(jí)式逆變器首先通過(guò) DC/DC 升壓環(huán)節(jié)對(duì)光伏電池輸出電壓升高至大于網(wǎng)側(cè)峰值的電壓值，并進(jìn)行最大功率跟蹤，然后通過(guò)后級(jí)逆變器轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)交流電 。

有研究探究了一種基于移向全橋軟開(kāi)關(guān)電路的微型逆變器 ， 該電路前側(cè)采用基于全橋 DC/DC 變換器進(jìn)行升壓，后級(jí)為電流型逆變器，該逆變器整體均采取小容值電容，且運(yùn)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)一步提升效率。文中指出逆變器的峰值效率為 89% 。