簡述光伏并網系統核心--光伏逆變器
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摘 要：光伏逆變器是光伏發電并網系統中十分關鍵的一環，它的性能關系到整個光伏發電系統的正常運轉與效率。本文借助光伏逆變器的拓撲結構分類，對運用廣泛的光伏逆變器進行闡述。文章分析介紹各種光伏逆變器的優、缺點，并對光伏逆變器的發展趨勢做出展望。
關鍵詞：光伏逆變器;拓撲結構;發展趨勢
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.159
1 引言
能源一直是整個社會高度關注的話題。在當今世界，能源是一切生產勞動必不可少的基礎。目前使用最為廣泛的能源主要是煤炭、石油等傳統的化石能源，但由于其大量使用所引起的環境惡化、資源銳減等問題，人們對綠色能源的期望越來越高，迫切尋求新型清潔能源來代替。能源參與生產最主要的形式為電能，因此，可再生清潔能源發電技術是人們所期望的。以太陽能發電為基礎的光伏發電系統，具有系統安全、無污染、可靠性高等諸多優點，受到人們的關注。光伏并網發電是目前主要的光伏發電形式，光伏逆變器作為核心部件，其性能直接影響光伏發電系統的運行。
2 光伏逆變器分類
2.1 光伏逆變系統基本結構
光伏逆變系統的基本結構包括：DC/AC逆變器、控制器、變壓器、檢測單元和DC/DC轉換電路等。光伏逆變器的功能是將光伏組件等產生的直流電變換成交流電，其核心便是逆變電力電子開關電路，即逆變器。不同功率場合下對主開關器件的選用也不同：功率較大時使用三相IGBT功率模塊;功率較小時則使用場效應晶體管。電力電子開關器件（MOSFET、IGBT等）的通斷需要一定的驅動脈沖來控制，因此控制器通過產生和調節脈沖來對逆變器進行輸出控制，使光伏逆變器輸出滿足并網需求。
2.2 光伏逆變器分類
由逆變系統的基本結構可知，對于逆變器的劃分，可以從不同的方向來進行。依據逆變器主電路的形式，可分為單端式逆變器、推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器;依據是否有變壓器，可分為隔離型逆變器和非隔離型逆變器;依據逆變器主開關器件類型的不同，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應管逆變器和絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）逆變器;依據逆變控制方式，可分為調頻式（PFM）逆變器和調脈寬式（PWM）逆變器。本文根據直流側光伏組件的不同（功率不同），將光伏逆變器劃分為集中式逆變器、組串式逆變器和組件式逆變器，對每種逆變器進行介紹和分析。
3 光伏逆變器的拓撲結構
3.1 集中式逆變器
集中逆變技術本質上是眾多的光伏組件分組串聯成光伏組串，由光伏組串再進行并聯形成光伏陣列，經過匯流箱匯流后，將能量輸入到一臺集中式逆變器的直流側?？刂破饕话阌蒁SP等性能優越的信號處理器組成，采用SVPWM調制算法，通過采集交流輸出端的信號來輸出相應的驅動脈沖，使逆變器的輸出更加接近于電網的要求。
在眾多的集中式逆變器中，三相二電平逆變拓撲結構是應用最為廣泛的。該結構主要是由直流側支撐電容、三相逆變主電路和交流測濾波電路組成。直流側支撐電容的主要功能是穩定由光伏陣列輸出的直流電壓，一般選用薄膜電容作為支撐電容。與平時使用的電解電容相比，薄膜電容的介電常數更高，且能量密度更大，能更好地起到穩定電壓的作用。三相逆變主電路主要采用IGBT作為開關管進行控制，將輸入的直流電逆變成交流電，并在此過程中實現最大功率點跟蹤（MTTP）和防孤島等功能，使逆變效率最大化。但逆變電路并不能將直流電完美地轉化成正弦工頻電，其中含有各種次數的諧波。因此，需在交流測選用LCL濾波電路對交流電濾波。相比于LC濾波和L濾波，LCL濾波電路對高次諧波的抑制能力更強，與此同時其所需電感值較小，有利于電路的設計。最后，為了滿足不同電壓等級的需求，將濾波后的交流電通過變壓器接入電網。
3.2 組串式逆變器
幾塊或十幾塊光伏組件串聯成光伏組串，若干個光伏組串連接到對應逆變器的直流側，這就是組串式逆變器的輸入側的結構。組串式逆變器相對于集中式逆變器而言，是一種小能量的逆變，分散的逆變。組串式逆變器完成各自對應輸入能量的逆變，再將能量匯聚傳輸給電網。
組串式逆變器一般采用兩級單相拓撲結構。該結構一般由DC/DC升壓電路、三相逆變主電路、濾波電路和支撐電容等組成。第一級主要是DC/DC升壓電路，通常采用boost升壓電路結構，作用是對光伏組串的輸出電壓進行控制，使電壓等級符合并網的要求。若光伏組串的輸出電壓已滿足電網要求，則DC/DC升壓電路可以省略。與此同時，還可以控制光伏組串的MPPT，提高逆變的效率。第二級主要是逆變與濾波電路，完成直流向交流的轉變。如果沒有了第一級的DC/DC升壓，那么就需要像集中式逆變器一樣，在逆變電路中加入MPPT，使整個逆變過程效率最大化。
3.3 組件式逆變器
組件式逆變器中最為典型的是微型逆變器。微型逆變器的直流側只連接了一個光伏組件，因此，微型逆變器對每一個單獨的光伏組件進行升壓、逆變和濾波等操作。
微型逆變器拓撲結構有很多種，可大體上分為單極式和雙極式逆變器。目前，一般選用單極式中交錯反激式微型逆變器，其電路簡單，成本低，效率高，有利于家庭光伏發電的推廣。交錯反激式逆變拓撲結構主要由雙路反激變換器、工頻極性反轉橋和濾波電路等組成。雙路反激變換器并聯在光伏組件的輸出側，對其輸出電壓進行控制，并實現MPPT功能。雙路反激變換器并聯還能夠提高功率等級，減小電流紋波，改善電能質量。工頻極性反轉橋起到了逆變的功能，經濾波電路后與電網相連。
4 光伏逆變器特點、展望
4.1 集中式逆變器
集中式逆變器獲得眾多大型光伏電站設計者的青睞，一定有其可取之處。第一，控制技術較為成熟，可靠性高，轉化效率可達98%以上;第二，集成度高，功率密度大，成本較為低廉;第三，有較為完善的保護功能，提高光伏電站的安全性;第四，回饋電網的交流電功率因數穩定，諧波畸變率能夠限制在3%以下;第五，具有功率因數調節、防孤島、低電壓穿越等功能，電網調節性好;第六，諧波含量少，電能質量高。 雖然集中式逆變器已經在市場的調節下占了較大的比例，但是依然存在一些不足之處：（1）每個集中式逆變器只有一臺大型匯流箱，如其故障，將會影響整個系統的工作;（2）光伏陣列是由兩次匯流形成的，且MPPT是在逆變電路實現的。因此，MPPT不能實時監控到每一路光伏組件的運行情況，不能保證每一路都工作在最佳狀態點。若由于某些原因（陰影、溫度、光伏組件故障等）導致一部分光伏組件最大功率點發生變化，那么整個系統可能會改變工作點，致使發電效率降低，影響發電量;（3）無冗余能力且發電容量大，如果發生故障，損失將較大;（4）MPPT電壓范圍窄（一般為450-820V），線損大，組件配置不靈活。
隨著光伏產業的逐漸發展，人們對光伏逆變器的要求越來越高。大型光伏電站所需求的大容量和高電壓促使新的逆變拓撲結構的產生。除了三相二電平逆變拓撲結構外，三電平、五電平甚至七電平等多電平拓撲結構正在不斷地發展。多電平逆變拓撲結構可以減少電路器件所受的應力，提高其耐壓能力，從而能夠滿足更高電壓等級的逆變需求。此外，產業發展對集中式逆變器的集成度和功率密度也提出了要求。采用大容量開關元件，集成交直流轉換、遠程監控、質量優化等于一體，運用新型冷卻技術，縮小集中式逆變器的大小，提高逆變器的功率密度，降低建設成本。電網對電能質量的要求促進了空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）的發展。SVPWM是一種新型的PWM控制技術，運用沖量等效原理模擬所需要的正弦波，諧波少，控制電路相對簡單，成本低。運用SVPWM，控制效果以及生產成本有很高的改善，是目前逆變電路控制優化的研究方向。
4.2 組串式逆變器
近年來，組串式逆變器快速發展，市場占比不斷提高。其主要優勢有：（1）組串式逆變器MPPT的電壓范圍相較于集中式逆變器更寬，一般為250-800V，不同環境下發電效率更高;（2）采用模塊化設計，每一個光伏組串都具有MPPT功能，獨立工作，不受組串之間的影響，發電量得到提高;（3）在光伏組串發生故障時，能夠精確地找出故障組串，減少維修的成本，提高生產效率。
組串式逆變器也有其缺點。第一，電路設計復雜，功率器件和信號電路在同一塊板上，增大了設計難度，可靠性降低;第二，單個組串式逆變器的容量較小，需多個并聯才能滿足發電需求。若數量較多，則會產生諧波，且隨數量的增加而增強;第三，多個光伏組串并聯使一些保護、調節功能很難實現，如零電壓穿越等。
針對較多組串式逆變器并聯所產生的諧波，可通過發展Z源逆變器拓撲以及電網高阻抗抑制研究來實現對諧波的抑制。為了更好地保護和使用組串式逆變器，實現多機協調控制和遠程監控是必不可少的。多組光伏組串并聯，只有協調控制好各光伏組串，才能保證整個光伏逆變系統的穩定和電能質量。遠程監控的發展對組串式逆變器的運行有了更好的保障。實時地觀測每個逆變器的狀態，調整其工作狀態點，減少人員成本，是其發展的方向。
4.3 組件式逆變器
家庭光伏發電的普及與組件式逆變器的發展密不可分。首先，組件式逆變器能夠較好地解決光照差異問題，也就是光斑效應。這得益于更為分散的MPPT控制，能夠在保證每一個光伏組件的效率最大化，從而整體發電量高。其次，組件式逆變器的直流電壓低，安全性高，產生事故的概率低。除此之外，組件式逆變器集成度高，安裝靈活，并網方式簡單，壽命長，適合家用。
但組件式逆變器也有其不足。第一，效率不高。最高轉換效率僅有96%左右，對發電量有重要影響。第二，協調控制復雜。系統需要控制比組串式逆變器更多的路徑，加大了控制難度，影響穩定性。第三，若發電容量需求較大，則需較多的組件式逆變器來組成。這樣會增加建設成本，初始投資大。第四，組件式逆變器中所使用的解耦電容為電解電容，降低了逆變器的使用、生產周期。
針對效率不高的問題，設計新的逆變拓撲結構成為研究的方向，非隔離微型光伏逆變器成為研究的重要內容。開關器件的開關頻率與效率一直是一對矛盾。開關頻率高，導致開關損耗大，降低了轉化效率。目前主要的解決辦法是軟開關技術，更好地發揮微型逆變器的作用。功率解耦電容可以更換為壽命長、功能強的薄膜電容，延長組件式逆變器的使用壽命。
5 結語
光伏產業的迅速發展與光伏逆變器技術的進步密不可分。隨著光伏發電的平民化與規?；袌鰧夥孀兤鞯目煽啃?、穩定性、安全性提出了更高的要求。因此，光伏逆變器仍然需要科研人員持續地鉆研，發展新型技術、拓撲結構，增強光伏逆變器的性能。
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作者簡介：吳瀚（1998-），男，江蘇揚州人，本科，研究方向：電氣工程及其自動化。
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