光伏并網(wǎng)微逆變器發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析

常見(jiàn)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統結構包括集中式、串式、多串式和交流模塊式等幾種方案。集中式、串式和多串式系統中，都存在光伏組件的串聯(lián)和并聯(lián)，因此系統的最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)針對整個(gè)串并聯(lián)光伏陣列，無(wú)法兼顧系統中每個(gè)光伏陣列，單個(gè)光伏陣列利用率低、系統抗局部陰影能力差，且系統擴展靈活性不夠。光伏并網(wǎng)微逆變器(簡(jiǎn)稱(chēng)微逆變器)與單個(gè)光伏組件相連，可以將光伏組件輸出的直流電直接變換成交流電并傳輸到電網(wǎng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)保證每個(gè)組件均運行在最大功率點(diǎn)，具有很強的抗局部陰影能力;(2)將逆變器與光伏組件集成，可以實(shí)現模塊化設計、實(shí)現即插即用和熱插拔，系統擴展簡(jiǎn)單方便;(3)并網(wǎng)逆變器基本不獨立占用安裝空間，分布式安裝便于配置，能夠充分利用空間和適應不同安裝方向和角度的應用;(4)系統冗余度高、可靠性高，單個(gè)模塊失效不會(huì )對整個(gè)系統造成影響。

微逆變器的概念由來(lái)已久，但最初并沒(méi)有引起人們的注意，近年來(lái)隨著(zhù)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展以及技術(shù)的進(jìn)步，使得微逆變器十分具有吸引力。美國加州Petaluma的Enphase從2008年開(kāi)始微逆變器的商業(yè)化量產(chǎn)，并取得了不錯的銷(xiāo)售成績(jì)，使得微逆變器獲得了更廣泛的認可，吸引了眾多公司紛紛加入到微逆變器的研發(fā)行列，德國艾斯瑪太陽(yáng)能技術(shù)股份公司(SMASolarTechnology)2009年通過(guò)技術(shù)收購荷蘭OKE-Services光伏系統電子開(kāi)發(fā)商，進(jìn)入了微逆變器市場(chǎng)。國內眾多的光伏并網(wǎng)逆變器生產(chǎn)廠(chǎng)商主要從事大功率集中并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，隨著(zhù)國內外微逆變器市場(chǎng)的日益火熱，眾多廠(chǎng)商也紛紛蠢蠢欲動(dòng)，嘗試開(kāi)始微逆變器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，英偉力(Involar)新能源科技公司是國內最早從事微逆變器研究的公司，公司從2008年初開(kāi)始微逆變器技術(shù)的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)近兩年的努力已完全自主掌握了微逆變器的核心技術(shù)，并于2010年5月份成功發(fā)布了其第一代產(chǎn)品MAC250，目前該款微逆變器產(chǎn)品已經(jīng)推向市場(chǎng)。

微逆變器不同于傳統大功率集中式逆變器，本文重點(diǎn)分析微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù)。

微逆變器的特點(diǎn)及設計考慮因素

微逆變器區別于傳統逆變器的特點(diǎn)：

(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(wǎng)的電壓峰值約為311V(220VAC)或156V(110VAC)，因此，微逆變器的輸出峰值電壓遠高于輸入電壓，這要求微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，微逆變器直接與單塊光伏組件相匹配，其功率等級即為100W~300W，而傳統集中式逆變器功率通過(guò)多個(gè)光伏組件串并聯(lián)組合產(chǎn)生足夠高的功率，其功率等級一般在1kW以上。

微逆變器的設計考慮因素：

(1)變換效率高

并網(wǎng)逆變器的變換效率直接影響整個(gè)發(fā)電系統的效率，為了保證整個(gè)系統較高的發(fā)電效率，要求并網(wǎng)逆變器具有較高的變換效率。

(2)可靠性高

由于微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(huán)境惡劣，要求微逆變器具有較高的可靠性

(3)壽命長(cháng)

光伏組件的壽命一般為二十年，微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(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢，也是微逆變器市場(chǎng)化的需求。

微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù)

(1)微逆變器拓撲

微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(shí)實(shí)現升降壓變換功能的變換器拓撲，除能夠實(shí)現升降壓變換功能外，還應該實(shí)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(shí)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(jiǎn)潔，控制簡(jiǎn)單、可靠性高，是一種較好的拓撲方案，目前Enphase、Involar(英偉力)等公司開(kāi)發(fā)的微逆變器產(chǎn)品均是基于Flyback變換器。

(2)高效率變換技術(shù)

為了減小微逆變器的體積，要求提高逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，而開(kāi)關(guān)頻率的提高必然導致開(kāi)關(guān)損耗升高、變換效率下降，因此小體積與高效率兩者之間是矛盾的，高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是解決兩者矛盾的有效方法，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以在不增加開(kāi)關(guān)損耗的前提下提高開(kāi)關(guān)頻率。

研究和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單有效的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)并將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與具體的微逆變器拓撲相結合是微逆變器開(kāi)發(fā)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，據報道，英偉力公司引入諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)有效改善了微逆變器的變換效率，其發(fā)布的MAC250微逆變器產(chǎn)品最高效率達到95%以上，CEC效率達到94.5%以上。

(3)并網(wǎng)電流控制技術(shù)

傳統的集中式并網(wǎng)逆變器中一般采用電流閉環(huán)控制技術(shù)保證進(jìn)網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現高質(zhì)量的并網(wǎng)電流控制，如采用PI控制、重復控制、預測電流控制、滯環(huán)控制、單周期控制、比例諧振控制等控制方法，上述方法都需要采用電流霍爾等元件采樣進(jìn)網(wǎng)電流，進(jìn)而實(shí)現并網(wǎng)電流的控制。

由于微逆變器的小功率特色，為了降低單位發(fā)電功率的成本，且考慮到體積要求，開(kāi)發(fā)新型的高可靠性、低成本小功率并網(wǎng)電流控制技術(shù)是微逆變器開(kāi)發(fā)需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

(4)高效率、低成本最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)

光伏發(fā)電系統的效率為電池板的光電轉換效率、MPPT效率和逆變器效率三部分乘積，高效率MPPT技術(shù)對光伏發(fā)電系統的效率提高和成本降低有十分重要的意義。

常見(jiàn)的MPPT算法包括開(kāi)路電壓法、短路電流法、爬山法、擾動(dòng)觀(guān)察法、增量電導法以及基于模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論的智能跟蹤算法等，上述MPPT方法中一般需要同時(shí)檢測光伏輸出側電壓和電流，進(jìn)而計算出并網(wǎng)功率。

光伏并網(wǎng)微逆變器發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析(3)北極星太陽(yáng)能光伏網(wǎng)關(guān)鍵詞: 光伏并網(wǎng) 微逆變器

微逆變器的光伏側輸入電壓低，因此光伏側的電流較大，如果采用電阻檢測輸入側電流，對微逆變器的整機效率影響較大，而采用霍爾元件采樣光伏側電流則會(huì )增加系統成本及逆變器體積，因此針對微逆變器的特殊要求，需要開(kāi)發(fā)新型的無(wú)需電流檢測的高效率MPPT技術(shù)。據報道，英偉力公司研究了一種無(wú)電流傳感器MPPT技術(shù)來(lái)適應微逆變器的應用需求，MPPT效果良好，跟蹤精度達到99.9%以上。

(5)孤島檢測技術(shù)

孤島檢測是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統必備的功能，是人員和設備安全的重要保證。針對微逆變器的特殊應用需求，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、有效、零檢測盲區、不影響進(jìn)網(wǎng)電流質(zhì)量的孤島檢測技術(shù)是微逆變器開(kāi)發(fā)需要解決的一個(gè)重要課題。

(6)無(wú)電解電容變換技術(shù)

光伏組件的壽命一般為20~25年，要求微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，要使微逆變器達到光伏組件的壽命，必須減少或避免電解電容的使用，因此研究和開(kāi)發(fā)無(wú)電解電容功率變換技術(shù)是微逆變器開(kāi)發(fā)需要解決的另一個(gè)課題。

(7)信息通信技術(shù)

當多個(gè)微逆變器組成分布式發(fā)電系統時(shí)，系統需要實(shí)時(shí)收集每個(gè)微逆變器的信息，以實(shí)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(shù)作為保證，可以利用的通信技術(shù)包括PLC、ZigBee、Z-Wave、6LowPA、PoE、GPRS、GSM技術(shù)等。

總結

本文分析了微逆變器的發(fā)展現狀，重點(diǎn)分析了微逆變器開(kāi)發(fā)所需要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，分析表明，微逆變器與傳統重大功率集中并網(wǎng)逆變器存在明顯的不同，為了掌握微逆變器的核心技術(shù)，需要解決包括逆變器拓撲、軟開(kāi)關(guān)、并網(wǎng)電流控制、MPPT等多個(gè)關(guān)鍵性核心技術(shù)。