微型逆變器

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(rèn)為是當(dāng)前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)。常見的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yùn)行，若任一組件損壞，將會嚴(yán)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(dú)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(dú)特的優(yōu)勢。目前，微型逆變器仍然處于市場應(yīng)用的初級階段，但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)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(yīng)性強(qiáng)，由于每一個組件獨(dú)立工作，對光伏組件的一致性要求降低，當(dāng)實際應(yīng)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(dú)立最大功率點跟蹤設(shè)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(shù)，擴(kuò)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(yīng)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(shù)發(fā)展，目前英偉力公司已經(jīng)宣稱達(dá)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(guān)鍵性技術(shù)

3.1 微型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除了能夠?qū)崿F(xiàn)升、降壓變換功能外，還應(yīng)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?fù)浞桨赴?高頻鏈逆變器、升壓變換器與傳統(tǒng)逆變器相結(jié)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔，控制簡單、可靠性高，是一種較好的拓?fù)浞桨?，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(xì)介紹Flyback變換器。

電流型高頻鏈微型逆變器拓?fù)涫且苑醇な阶儞Q器拓?fù)錇榛A(chǔ)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電流型高頻鏈微型逆變器結(jié)構(gòu)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(yīng)用最廣的是反激式結(jié)構(gòu)。圖2是反激式電流型高頻鏈MI結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由反激式變換器和工頻逆變器組成。通過對高頻開關(guān)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(guān)工作在工頻狀態(tài)下，開關(guān)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(jìn)式拓?fù)?。該拓?fù)鋵uck-Boost電路和反激式變換器相結(jié)合。相當(dāng)于在原拓?fù)浠A(chǔ)上加了一個功率解耦電路，將輸入端功率脈動轉(zhuǎn)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?fù)?/p>

圖3 改進(jìn)型反激式電流型高頻鏈微型逆變器拓?fù)?/p>

3.2 微型逆變器功率去耦技術(shù)

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(dá)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(shù)是微型逆變器的一關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 高效率、低成本的最大功率點跟蹤技術(shù)

微型逆變器光伏側(cè)輸入電壓低，因此光伏側(cè)的電流較大，如果采用電阻檢測輸入側(cè)電流，對微型逆變器的整機(jī)效率影響較大，而采用霍爾元件采樣光伏側(cè)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(shù)。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(yīng)微型逆變器的應(yīng)用需求，其跟蹤精度達(dá)到99.9%以上。

3.4 并網(wǎng)電流控制技術(shù)

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(shù)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(jìn)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(shù)是微型逆變器又一面臨的嚴(yán)峻課題。

4 結(jié)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(gòu)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(shè)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(rèn)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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