光伏并網(wǎng)微逆變器關(guān)鍵技術(shù)分析

引言：
常見(jiàn)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diǎn)跟蹤時(shí)針對(duì)整個(gè)串并聯(lián)光伏陣列，無(wú)法兼顧系統(tǒng)中每個(gè)光伏陣列，單個(gè)光伏陣列利用率低、系統(tǒng)抗局部陰影能力差，且系統(tǒng)擴(kuò)展靈活性不夠。光伏并網(wǎng)微逆變器(簡(jiǎn)稱(chēng)微逆變器)與單個(gè)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(diǎn)：(1)保證每個(gè)組件均運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，具有很強(qiáng)的抗局部陰影能力；(2)將逆變器與光伏組件集成，可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)即插即用和熱插拔，系統(tǒng)擴(kuò)展簡(jiǎn)單方便；(3)并網(wǎng)逆變器基本不獨(dú)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(yīng)不同安裝方向和角度的應(yīng)用；(4)系統(tǒng)冗余度高、可靠性高，單個(gè)模塊失效不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。
微逆變器的概念由來(lái)已久，但最初并沒(méi)有引起人們的注意，近年來(lái)隨著太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展以及技術(shù)的進(jìn)步，使得微逆變器十分具有吸引力。美國(guó)加州Petaluma的Enphase從2008年開(kāi)始微逆變器的商業(yè)化量產(chǎn)，并取得了不錯(cuò)的銷(xiāo)售成績(jī)，使得微逆變器獲得了更廣泛的認(rèn)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(guó)艾斯瑪太陽(yáng)能技術(shù)股份公司(SMA Solar Technology)2009年通過(guò)技術(shù)收購(gòu)荷蘭OKE-Services光伏系統(tǒng)電子開(kāi)發(fā)商，進(jìn)入了微逆變器市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)眾多的光伏并網(wǎng)逆變器生產(chǎn)廠商主要從事大功率集中并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，隨著國(guó)內(nèi)外微逆變器市場(chǎng)的日益火熱，眾多廠商也紛紛蠢蠢欲動(dòng)，嘗試開(kāi)始微逆變器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，英偉力(Involar)新能源科技公司是國(guó)內(nèi)最早從事微逆變器研究的公司，公司從2008年初開(kāi)始微逆變器技術(shù)的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)近兩年的努力已完全自主掌握了微逆變器的核心技術(shù)，并于2010年5月份成功發(fā)布了其第一代產(chǎn)品MAC250，目前該款微逆變器產(chǎn)品已經(jīng)推向市場(chǎng)。
微逆變器不同于傳統(tǒng)大功率集中式逆變器，本文重點(diǎn)分析微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù)。
微逆變器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)考慮因素
微逆變器區(qū)別于傳統(tǒng)逆變器的特點(diǎn)：
（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(yuǎn)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?fù)洌欢惺侥孀兤饕话銥榻祲盒妥儞Q器，其通常采用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，逆變器輸出交流側(cè)電壓峰值低于輸入直流側(cè)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(jí)即為100W~300W，而傳統(tǒng)集中式逆變器功率通過(guò)多個(gè)光伏組件串并聯(lián)組合產(chǎn)生足夠高的功率，其功率等級(jí)一般在1kW以上。
微逆變器的設(shè)計(jì)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(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效率，為了保證整個(gè)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(zhǎng)
光伏組件的壽命一般為二十年，微逆變器的使用壽命應(yīng)該與光伏組件的壽命相當(dāng)。
（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(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是微逆變器市場(chǎng)化的需求。
微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù)
（1）微逆變器拓?fù)?BR> 微逆變器的特殊應(yīng)用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)，如全橋、半橋等拓?fù)?，而?yīng)該選擇能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)升降壓變換功能的變換器拓?fù)?，除能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓變換功能外，還應(yīng)該實(shí)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(shí)現(xiàn)電氣隔離，需要采用高頻變壓器。
可選的拓?fù)浞桨赴ǎ焊哳l鏈逆變器、升壓變換器與傳統(tǒng)逆變器相組合的兩級(jí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，控制簡(jiǎn)單、可靠性高，是一種較好的拓?fù)浞桨?，目前Enphase、Involar（英偉力）等公司開(kāi)發(fā)的微逆變器產(chǎn)品均是基于Flyback變換器。
（2）高效率變換技術(shù)
為了減小微逆變器的體積，要求提高逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，而開(kāi)關(guān)頻率的提高必然導(dǎo)致開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)技術(shù)是解決兩者矛盾的有效方法，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以在不增加開(kāi)關(guān)損耗的前提下提高開(kāi)關(guān)頻率。
研究和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單有效的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)并將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與具體的微逆變器拓?fù)湎嘟Y(jié)合是微逆變器開(kāi)發(fā)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，據(jù)報(bào)道，英偉力公司引入諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)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(chǎn)品最高效率達(dá)到95%以上，CEC效率達(dá)到94.5%以上。
（3）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)保證進(jìn)網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的并網(wǎng)電流控制，如采用PI控制、重復(fù)控制、預(yù)測(cè)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(jìn)網(wǎng)電流，進(jìn)而實(shí)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(kāi)發(fā)新型的高可靠性、低成本小功率并網(wǎng)電流控制技術(shù)是微逆變器開(kāi)發(fā)需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。
（4）高效率、低成本最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)
光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率為電池板的光電轉(zhuǎn)換效率、MPPT效率和逆變器效率三部分乘積，高效率MPPT技術(shù)對(duì)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(jiàn)的MPPT算法包括開(kāi)路電壓法、短路電流法、爬山法、擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法以及基于模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的智能跟蹤算法等，上述MPPT方法中一般需要同時(shí)檢測(cè)光伏輸出側(cè)電壓和電流，進(jìn)而計(jì)算出并網(wǎng)功率。
微逆變器的光伏側(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(cè)輸入側(cè)電流，對(duì)微逆變器的整機(jī)效率影響較大，而采用霍爾元件采樣光伏側(cè)電流則會(huì)增加系統(tǒng)成本及逆變器體積，因此針對(duì)微逆變器的特殊要求，需要開(kāi)發(fā)新型的無(wú)需電流檢測(cè)的高效率MPPT技術(shù)。據(jù)報(bào)道，英偉力公司研究了一種無(wú)電流傳感器MPPT技術(shù)來(lái)適應(yīng)微逆變器的應(yīng)用需求，MPPT效果良好，跟蹤精度達(dá)到99.9%以上。
（5）孤島檢測(cè)技術(shù)
孤島檢測(cè)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必備的功能，是人員和設(shè)備安全的重要保證。針對(duì)微逆變器的特殊應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、有效、零檢測(cè)盲區(qū)、不影響進(jìn)網(wǎng)電流質(zhì)量的孤島檢測(cè)技術(shù)是微逆變器開(kāi)發(fā)需要解決的一個(gè)重要課題。
（6）無(wú)電解電容變換技術(shù)
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(dá)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(kāi)發(fā)無(wú)電解電容功率變換技術(shù)是微逆變器開(kāi)發(fā)需要解決的另一個(gè)課題。
（7）信息通信技術(shù)
當(dāng)多個(gè)微逆變器組成分布式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)收集每個(gè)微逆變器的信息，以實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)與管理，因此需要低成本、高效、高可靠性信息通信技術(shù)作為保證，可以利用的通信技術(shù)包括PLC、ZigBee、Z-Wave、6LowPA、PoE、GPRS、GSM技術(shù)等。