柴新，蘆冬坤，張偉

(保定供電公司，河北 保定 071051)

1 引言

太陽能光伏發(fā)電是新能源的重要組成部分，被認為是當前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術。常見的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結構有集中式、串式、多串式和交流模塊式等幾種方案。集中式、串式、多串式都存在光伏組件的串并聯(lián)［1－5］，系統(tǒng)無法實現(xiàn)每塊組件的最大功率點運行，若任一組件損壞，將會嚴重影響到整個系統(tǒng)的正常工作。微型光伏并網(wǎng)逆變器(Micro-Inverter，MI)是一種用于獨立光伏組件并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，也稱為交流模塊式(AC module)。

微型逆變器在光伏建筑集成發(fā)電系統(tǒng)及中小規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢。目前，微型逆變器仍然處于市場應用的初級階段，但是隨著技術的不斷進步和市場的日益發(fā)展，微型逆變器將是未來光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。

2 微型逆變器概述

微型逆變器與單個光伏組件相連，可以將光伏組件輸出的直流電直接變換成交流電并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。微型逆變器具有以下優(yōu)點:

(1)對實際環(huán)境的適應性強，由于每一個組件獨立工作，對光伏組件的一致性要求降低，當實際應用中出現(xiàn)諸如陰影遮擋、云霧變化、污垢積累、組件溫度不一致、組件安裝傾斜角度不一致等內(nèi)部外部不理想條件時，問題組件不會影響其它組件的工作;

(2)無陰影和熱斑問題;

(3)每個組件獨立最大功率點跟蹤設計，最大程度地提高了系統(tǒng)發(fā)電效率;

(4)采用模塊化技術，擴容方便，即插即用式安裝;

(5)沒有直流母線電業(yè)，增加了整個系統(tǒng)工作的安全性。

微型逆變器缺點主要有:

(1)系統(tǒng)應用可靠性和壽命還不能與太陽電池組件相比。一旦微型逆變器損壞，更換比較麻煩;

(2)與集中式逆變器相比，效率相對較低。但隨著電力電子功率器件、磁性元件的技術發(fā)展，目前英偉力公司已經(jīng)宣稱達到96%的效率;

(3)相對成本比較高，集中控制困難。

3 微型逆變器關鍵性技術

3.1 微型逆變器拓撲結構

微型逆變器的拓撲結構不同于傳統(tǒng)的大功率集中式逆變器，微型逆變器有其自身的特點，如功率小、輸入電壓低、輸出電壓高等。其特殊需求決定了其不能采用傳統(tǒng)的降壓型逆變器拓撲結構。除了能夠實現(xiàn)升、降壓變換功能外，還應實現(xiàn)電氣隔離;另外一方面，高效率、小體積的要求決定了其不能采用工頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離，需要高頻變壓器。可選的拓撲方案包括:高頻鏈逆變器、升壓變換器與傳統(tǒng)逆變器相結合的兩級式變換器、基于隔離式升降壓變換器的Flyback逆變器等幾種［6－10］。

其中Flyback逆變器拓撲結構簡潔，控制簡單、可靠性高，是一種較好的拓撲方案，目前Enphase、Involar等公司開發(fā)的微型逆變器產(chǎn)品均是基于Flyback變換器，以下詳細介紹Flyback變換器。

電流型高頻鏈微型逆變器拓撲是以反激式變換器拓撲為基礎演變而來的，因此也稱為反激式(Flyback)高頻鏈微型逆變器，其典型結構如圖1所示。

圖1 電流型高頻鏈微型逆變器結構框圖

電流型高頻鏈微型逆變器由高頻DC/DC變換器和工頻逆變器組成。高頻DC/DC變換器中的高頻變壓器不僅提供電氣隔離和電壓調(diào)整，而且還可以存儲能量，因此可以省略或減小輸出濾波電感。

高頻DC/DC變換器可采用反激式、推挽式、半橋式和全橋式變換器，其中應用最廣的是反激式結構。圖2是反激式電流型高頻鏈MI結構，該結構由反激式變換器和工頻逆變器組成。通過對高頻開關VM1控制實現(xiàn)對光伏組件的最大功率點跟蹤控制，工頻逆變器的開關工作在工頻狀態(tài)下，開關損耗小，效率高。為了使組件和變換器之間解耦，輸入端需要很大的去耦電容CVM。

去耦電容通常采用多顆電解電容并聯(lián)，而電解電容壽命較短，直接制約了微型逆變器的壽命，且存在失效隱患。針對該問題，有研究者提出了一種改進式拓撲。該拓撲將Buck-Boost電路和反激式變換器相結合。相當于在原拓撲基礎上加了一個功率解耦電路，將輸入端功率脈動轉移到了該解耦電路上。這樣可以降低電解電容容量，也可以用薄膜電容取代電解電容，既降低了成本，又提高了逆變器壽命。

圖2 反激式電流型高頻鏈微型逆變器拓撲

圖3 改進型反激式電流型高頻鏈微型逆變器拓撲

3.2 微型逆變器功率去耦技術

光伏組件的壽命一般為20－25年，要求微型逆變器的壽命必須接近光伏組件，才能實現(xiàn)微型逆變器與光伏組件的集成。而電解電容式功率變換器壽命的瓶頸，要使得微型逆變器達到組件的壽命，必須減少或者避免使用電解電容的使用。因此研究和開發(fā)無電解電容功率變換技術是微型逆變器的一關鍵技術。

3.3 高效率、低成本的最大功率點跟蹤技術

微型逆變器光伏側輸入電壓低，因此光伏側的電流較大，如果采用電阻檢測輸入側電流，對微型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增加系統(tǒng)成本及逆變器體積。因此，針對微型逆變器的特殊要求，需要開發(fā)新型的無需電流檢測的高效率最大功率點根據(jù)技術。據(jù)報道，英偉力公司研究了一種無電流傳感器最大功率點跟蹤技來適應微型逆變器的應用需求，其跟蹤精度達到99.9%以上。

3.4 并網(wǎng)電流控制技術

傳統(tǒng)的集中式并網(wǎng)逆變器中，一般采用電流閉環(huán)控制技術來確保并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相。但均需要采用霍爾等元件進行并網(wǎng)電流采樣，同上述最大功率點跟蹤問題一樣。由于微型逆變器小功率的特色，為了降低單位發(fā)電功率的成本，且考慮體積需要，開發(fā)新型的高可靠性、低成本小功率并網(wǎng)電流檢測與控制技術是微型逆變器又一面臨的嚴峻課題。

4 結束語

從太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的角度來看，太陽能光伏行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是電池板的陰影問題。陰影模式的變化，太陽電池板上的污垢和面板的老化，都會對各個面板的電壓構成陰影，從而引起串聯(lián)面板的輸出電壓發(fā)生。微型逆變器是一個替代解決方案，它能夠在太陽電池板級實現(xiàn)最大功率點跟蹤，擁有超越中央逆變器的優(yōu)勢。微型逆變器能夠在每塊太陽電池板取得最佳功率點，可以最大限度地減小陰影問題。同時大幅簡化了線路設計。因此，目前微型逆變器市場雖小，但未來成長空間極大，國內(nèi)外專家一致認為微型逆變器是未來光伏系統(tǒng)的一種重要組成部分。

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