可再生能源之光伏发电逆变器拓扑及关键技术设计详解

当今能源环境愈渐恶化，传统能源逐渐枯竭，使得可再生能源得到了开发和利用，太阳能光伏并网发电借此也得到了迅猛发展。SiC，JFET，GaN和多电平功率模块等新器件及创新拓扑的出现，新型多电平技术代替传统两电平及飞跨电容，二极管箝位的多电平拓扑结构，这些已成功应用在光伏逆变器产品中，并带动了光伏逆变器向可靠、高效、低成本、高功率密度等多方面综合发展。同时，新拓扑的应用也带来了一些新问题、需要不断探索解决方案。

1光伏发电逆变拓扑现状

对于不同的应用场合，光伏发电逆变器从微型逆变器到单相小功率、三相中功率、大功率，其拓扑表现形式不尽相同，尤其是近几年，多电平技术的运用已有所突破，传统两电平拓扑为主导的市场在效率、器件应力等方面取得了飞速发展。对于严苛的并网标准要求，在针对漏电流、低电压穿越及无功等方面也出现了一些新型拓扑。同时对于不同区域、国家的特殊标准，也产生了一系列的拓扑变形形式。

1.1 单相小功率逆变拓扑

传统小功率逆变器主要在家用屋顶上应用，拓扑以图1a所示的H4单相全桥为主，但因其存在漏电流而受到一定限制。为减小漏电流需改变调制策略，增加一些RC吸收电路或输出加隔离变压器进行隔离，导致逆变器效率下降，体积、重量增大，成本增加。德国SMA公司采用如图1b所示的H5结构，从根本上解决了漏电流问题。随后一系列解决漏电流的拓扑相继出现，国内以格瑞特、昆兰为代表如图1c所示的H6拓扑及在此基础上的演变拓扑，相对H5更能提高效率;例如近两年STECA公司推出的如图1d所示的双Buck拓扑，效率最高达98.8%。SUNGROW在小功率方面针对H6拓扑及STECA的高效拓扑也做了大量研究，并申请了多项专利，其效率也接近世界顶尖STECA水平。可见，高效抑制漏电流的拓扑架构，满足低压电网指令，支持无功调节是小功率逆变器面临的技术难题。

1.2 三相中功率逆变拓扑

业界三相中功率逆变器主要在商业屋顶及地面电站上应用，拓扑主要有两电平、I型和T型三电平，随着SiC，JFET，GaN等新器件及功率器件模块的出现和应用，现在三相中功率逆变拓扑效率高达99%，但由于新器件成本相对传统IGBT高出很多，使其产品化应用受到一定限制，为了达到更加高效，多电平拓扑最近几年在中功率逆变器上得到应用，如图2所示为以REFU公司为代表的五电平拓扑。对于中功率段的逆变器，抑制中点电位偏移的三电平算法，消除共模电压问题，满足中压电网指令，支持低电压穿越及无功调节，多台并联时抑制振荡的算法等都是需要不断克服的关键技术。SUNGROW陆续开发了高效、高可靠性的三相中功率产品，率先通过了德国中压电网指令相关要求的测试。

1.3 大功率逆变拓扑

大功率逆变器应用在大型商业屋顶及地面电站上，主要以两电平拓扑为主，近两年出现I型三电平拓扑。以Powerone公司为代表的四电平，以SMA和REFU为代表的五电平拓扑已陆续出现。为实现大功率，以爱默生为代表的中功率并联方案提高了功率密度。对于北美处于安全考虑，通常要求逆变器PV电压不超过600 V，对此也产生了一系列的改进拓扑结构形式，图3示出REFU针对北美版机器推出的五电平拓扑结构。在这些拓扑的基础上，逆变交流侧并联技术、高电压穿越技术、共模电压问题都是业界大功率逆变器碰到的一系列技术难题。共模电压的存在导致一台逆变器运行会影响其他不运行的逆变器，尤其会将BUS电压冲高直至保护。另外，如何让所有模块的寿命均等的群控策略，提高阴影时的发电量，群控时各组串大电流切换时的灭弧问题及三电平逆变器多台并机的环流均流控制算法的研究及中点平衡与输出直流量之间兼顾问题和低电压跌落如何快速检测到电压跌落等问题，都是逆变器构成大功率电站方案时需考虑的一些关键技术。

1.4 微型逆变器及效率优化器

微型逆变器的应用需求决定了其不能采用传统的升降压型逆变器拓扑结构(如半桥，全桥等拓扑)，其不仅要求能实现升、降压变换功能，还需进行电气隔离，一般由DC/DC，DC/AC两级变换组成。同时对效率、体积、成本等要求较高。目前以Enphase，Involar等为代表的公司采用Flyback+全桥结构，结构和控制简单，可靠性高。以Powerone为代表的公司采用Boost+LLC+全桥结构，以Enecsys为代表的公司采用LLC+Buck+全桥结构。为了减小重量和体积，高频软开关技术在微型逆变器上得到了普遍应用。高效的拓扑架构，无电流传感器的MPPT算法，准确的谷底开通方法也是微型逆变器追求其高效率的主要技术难点。

效率优化器主要是补偿电池板的不匹配(电池组差异、阴影及遮挡等引起的不匹配)带来的损失。图4示出NS公司的效率优化器拓扑结构，目前有公司将电弧检测和灭弧功能集成在效率优化器中。功率优化器可以不存在大量电容(主要靠电感来升压)而微型逆变器存在大量的电容，而电容的寿命不可能达到电池板级那么长。

2 未来逆变器拓扑及发展趋势

2.1 高可靠性

任何产品可靠性都是第1位的，光伏逆变行业也不例外，主要表现在：控制算法;硬件电路上的冗余和降额设计;软件系统的可靠性;元器件选择及DFEMA设计;EMC问题;故障数据存储与在线故障检测与诊断;基于容错技术光伏并网逆变器的可靠性研究等方面。只有保证了可靠性，才会产生好的产品。

2.2 高效率

效率指标包括峰值效率、欧洲效率和CEC效率，在PHOTO杂志上也会定期公布相关逆变器的效率，从发电量角度来衡量逆变器产品的性能，故未来逆变器产品设计也应主要兼顾欧洲效率和CEC效率，从而对用户产生直接的经济效益。不仅要提高重载下的效率，轻载下的效率也很重要，对电压电流在线信号的采样精度及轻载MPPT的精度，多峰MPPT跟踪技术，PV电池效率的提升都提出了新要求。高效拓扑也是未来发展的方向。2.3 网侧高压场合适用的拓扑

大功率逆变器成本压力日趋增大，提高逆变器输出电压有利于减少变换器、配电器件、输电线路、变压器的电流应力，进而降低成本，提高效率。要使功率器件的电压应力增大，需更高压的器件，多电平拓扑的出现解决了此问题。适用的拓扑有REFU的五电平拓扑，接入电网的电压可达690 V;Powerone的四电平拓扑，级联结构构造多电平。

3 结论

介绍了国内外光伏逆变行业逆变拓扑的发展情况，并对拓扑发展中带来的一些问题以及关键技术进行了分析，同时也预测了未来逆变器拓扑的发展趋势，指出提高电网侧电压及多电平拓扑是未来拓扑的发展方向。随着新拓扑的不断创新和应用，未来也需在各种关键技术上不断地突破，进一步提高光伏并网逆变器的性能。