光伏并網(wǎng)微逆變器關鍵技術分析

引言：
常見的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)中，都存在光伏組件的串聯(lián)和并聯(lián)，因此系統(tǒng)的最大功率點跟蹤時針對整個串并聯(lián)光伏陣列，無法兼顧系統(tǒng)中每個光伏陣列，單個光伏陣列利用率低、系統(tǒng)抗局部陰影能力差，且系統(tǒng)擴展靈活性不夠。光伏并網(wǎng)微逆變器(簡稱微逆變器)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)，具有以下優(yōu)點：(1)保證每個組件均運行在最大功率點，具有很強的抗局部陰影能力；(2)將逆變器與光伏組件集成，可以實現(xiàn)模塊化設計、實現(xiàn)即插即用和熱插拔，系統(tǒng)擴展簡單方便；(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(tǒng)冗余度高、可靠性高，單個模塊失效不會對整個系統(tǒng)造成影響。
微逆變器的概念由來已久，但最初并沒有引起人們的注意，近年來隨著太陽能發(fā)電技術的發(fā)展以及技術的進步，使得微逆變器十分具有吸引力。美國加州Petaluma的Enphase從2008年開始微逆變器的商業(yè)化量產，并取得了不錯的銷售成績，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，德國艾斯瑪太陽能技術股份公司(SMA Solar Technology)2009年通過技術收購荷蘭OKE-Services光伏系統(tǒng)電子開發(fā)商，進入了微逆變器市場。國內眾多的光伏并網(wǎng)逆變器生產廠商主要從事大功率集中并網(wǎng)逆變器產品的開發(fā)，隨著國內外微逆變器市場的日益火熱，眾多廠商也紛紛蠢蠢欲動，嘗試開始微逆變器產品的開發(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年初開始微逆變器技術的開發(fā)，經(jīng)過近兩年的努力已完全自主掌握了微逆變器的核心技術，并于2010年5月份成功發(fā)布了其第一代產品MAC250，目前該款微逆變器產品已經(jīng)推向市場。
微逆變器不同于傳統(tǒng)大功率集中式逆變器，本文重點分析微逆變器的關鍵性技術。
微逆變器的特點及設計考慮因素
微逆變器區(qū)別于傳統(tǒng)逆變器的特點：
（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(tǒng)集中式逆變器功率通過多個光伏組件串并聯(lián)組合產生足夠高的功率，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發(fā)電系統(tǒng)的效率，為了保證整個系統(tǒng)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
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
低成本是產品發(fā)展的必然趨勢，也是微逆變器市場化的需求。
微逆變器的關鍵性技術
（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(tǒng)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實現(xiàn)升降壓變換功能的變換器拓撲，除能夠實現(xiàn)升降壓變換功能外，還應該實現(xiàn)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現(xiàn)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(tǒng)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變換器拓撲結構簡潔，控制簡單、可靠性高，是一種較好的拓撲方案，目前Enphase、Involar（英偉力）等公司開發(fā)的微逆變器產品均是基于Flyback變換器。
（2）高效率變換技術
為了減小微逆變器的體積，要求提高逆變器的開關頻率，而開關頻率的提高必然導致開關損耗升高、變換效率下降，因此小體積與高效率兩者之間是矛盾的，高頻軟開關技術是解決兩者矛盾的有效方法，軟開關技術可以在不增加開關損耗的前提下提高開關頻率。
研究和開發(fā)簡單有效的軟開關技術并將軟開關技術與具體的微逆變器拓撲相結合是微逆變器開發(fā)需要解決的關鍵問題之一，據(jù)報道，英偉力公司引入諧振軟開關技術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
傳統(tǒng)的集中式并網(wǎng)逆變器中一般采用電流閉環(huán)控制技術保證進網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實現(xiàn)高質量的并網(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網(wǎng)電流，進而實現(xiàn)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，開發(fā)新型的高可靠性、低成本小功率并網(wǎng)電流控制技術是微逆變器開發(fā)需要解決的另一個關鍵性問題。
（4）高效率、低成本最大功率點跟蹤(MPPT)技術
光伏發(fā)電系統(tǒng)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技術對光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率提高和成本降低有十分重要的意義。常見的MPPT算法包括開路電壓法、短路電流法、爬山法、擾動觀察法、增量電導法以及基于模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡理論的智能跟蹤算法等，上述MPPT方法中一般需要同時檢測光伏輸出側電壓和電流，進而計算出并網(wǎng)功率。
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增加系統(tǒng)成本及逆變器體積，因此針對微逆變器的特殊要求，需要開發(fā)新型的無需電流檢測的高效率MPPT技術。據(jù)報道，英偉力公司研究了一種無電流傳感器MPPT技術來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
孤島檢測是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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，開發(fā)簡單、有效、零檢測盲區(qū)、不影響進網(wǎng)電流質量的孤島檢測技術是微逆變器開發(fā)需要解決的一個重要課題。
（6）無電解電容變換技術
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，因此研究和開發(fā)無電解電容功率變換技術是微逆變器開發(fā)需要解決的另一個課題。
（7）信息通信技術
當多個微逆變器組成分布式發(fā)電系統(tǒng)時，系統(tǒng)需要實時收集每個微逆變器的信息，以實現(xiàn)有效的監(jiān)測與管理，因此需要低成本、高效、高可靠性信息通信技術作為保證，可以利用的通信技術包括PLC、ZigBee、Z-Wave、6LowPA、PoE、GPRS、GSM技術等。