10 《電氣開關(guān)》(2017．No．5)
文章編號:1004 －289X(2017)05 －0010 －05
光伏逆變器的研究現(xiàn)狀綜述
林志鴻，李少綱
( 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108)
摘 要:本文根據(jù)光伏逆變器所適用的功率等級，分為集中式逆變器、組串式逆變器和微型逆變器，并對典型拓?fù)?br/>結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為全面的介紹和分析，歸納和闡述了各類逆變器的優(yōu)點(diǎn)和不足，還對光伏逆變器未來的發(fā)展趨勢做
了展望，為進(jìn)一步深入研究光伏逆變器，提供了借鑒和幫助。
關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電;光伏逆變器;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢
中圖分類號:TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
A Ｒeview of the Current Ｒesearch Situation of Photovoltaic Inverters
LIN Zhi-hong，LI Shao-gang
( College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108)
Abstract: The photovoltaic inverters are divided into central inverter，string inverter and micro inverter by its power
grade．Describing and analyzing the typical topology comprehensively，summarizing and explaining the advantages and
disadvantages of various types of inverters，it makes the prospect for the future development trend of PV，which provides
reference and help for the further study of photovoltaic inverter．
Key words: photovoltaic power generation;photovoltaic inverter;topology structure;research present;developing trend
又可以分為單相逆變器和三相逆變器［1］。本文根據(jù)
1 引言
光伏逆變器所適用的功率等級分為集中式逆變器、組
能源是促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在當(dāng) 串式逆變器和微型逆變器，下面對典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光
今世界，能源的開發(fā)和利用是全人類共同關(guān)心的問題。 伏逆變器進(jìn)行介紹和分析。
目前，大量使用的能源主要是煤、石油等傳統(tǒng)化石能
3 光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
源，但由于其不可再生性和過快消耗所帶來嚴(yán)重的環(huán)
境問題，導(dǎo)致能源危機(jī)日益加劇。而可再生能源發(fā)電 3.1 集中式逆變器
將是可行的能夠替代傳統(tǒng)發(fā)電的發(fā)電方式，其中很重 集中式逆變器的功率范圍為100 ～1000kW，主要
要的一種發(fā)電方式便是太陽能發(fā)電。目前，光伏發(fā)電 是應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏電站。大型集中式并網(wǎng)光伏電
主要通過并網(wǎng)發(fā)電，而光伏逆變器是光伏發(fā)電的關(guān)鍵 站擁有數(shù)量較多的光伏組件，這些光伏電池板首先進(jìn)
設(shè)備之一，其性能的好壞能夠直接影響整個發(fā)電系統(tǒng) 行分組串聯(lián)，然后將串聯(lián)后的光伏組串進(jìn)行并聯(lián)成為
的轉(zhuǎn)換效率和成本高低，因此應(yīng)該根據(jù)不同的系統(tǒng)需 光伏陣列［2］，最后利用匯流箱將光伏陣列與逆變器相
求，合理選擇適用于該系統(tǒng)的光伏逆變器。 連，由其完成DC/AC轉(zhuǎn)換后接入電網(wǎng)。
目前，集中式逆變器多采用三相兩電平的拓?fù)浣Y(jié)
2 光伏逆變器的分類
構(gòu)［3］，主要是由直流支撐電容、三相逆變主電路和濾
光伏逆變器具有多種分類方式，根據(jù)有無變壓器 波器三個部分組成，圖1 是其并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
這一裝置，可以分為隔離型逆變器和非隔離型逆變器; 該系統(tǒng)中光伏陣列的輸出電壓需要直流支撐電容進(jìn)行
根據(jù)系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換的級數(shù)，可以分為單級式逆變器、雙 穩(wěn)定，當(dāng)前最為流行使用的是薄膜電容，因?yàn)榕c電解電
級式逆變器和多級式逆變器;根據(jù)逆變器輸出的相數(shù)， 容相比，其介電常數(shù)和能量密度較大。三相逆變主電《電氣開關(guān)》(2017．No．5) 11
路則通過控制開關(guān)管的通斷，將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡?差異的問題，從而滿足不同光照區(qū)域的發(fā)電需求。
并跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，以保證整個系統(tǒng)的發(fā) 組串式逆變器通常由DC/DC升壓變換器、直流支
電效率。相對于 L 型濾波器和 LC 型濾波器而言，在 撐電容、逆變電路和濾波器等組成，圖2 是其并網(wǎng)系統(tǒng)
大容量的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，LCL 型濾波器能夠更為有 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。第一級的 DC/DC 部分主要用于控制
效地抑制高頻諧波，并且所需的總電感值較小，所以集 光伏組串輸出電壓的大小，從而對光伏組串進(jìn)行最大
中式逆變器多采用 LCL 型濾波器［4］。最后并網(wǎng)發(fā)電 功率點(diǎn)跟蹤。對于并聯(lián)在逆變器直流側(cè)的光伏組串，
系統(tǒng)可以通過變壓器接入不同電壓等級的電網(wǎng)，從而 組串式逆變器一般能保證1 ～2 串光伏組件擁有一路
滿足系統(tǒng)不同的并網(wǎng)電壓需求。 MPPT跟蹤電路，這樣便能使系統(tǒng)直流側(cè)光伏組件的
一致性和匹配性大大提高。第二級的逆變電路和濾波
器則主要是將系統(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，同時濾除
諧波改善輸出電流的電能質(zhì)量。由于 LCL 型濾波器
對高頻諧波的抑制能力強(qiáng)并且受并網(wǎng)阻抗的影響較
小，因此組串式逆變器一般也采用 LCL 型濾波器［10］。
而當(dāng)光伏組串輸出電壓能夠滿足系統(tǒng)的并網(wǎng)要求時，
可以考慮省去DC/DC變換環(huán)節(jié)，從而改善逆變器的轉(zhuǎn)
圖1 集中式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 換效率，同時節(jié)約了成本，但此時一定要在逆變電路的
集中式逆變器的主要優(yōu)點(diǎn)有［5－6］: ( 1) 集中式逆 控制中加入MPPT的功能。
變器的集成度較高，成本較為低廉，功率密度較大，輸
出功率因數(shù)也較為穩(wěn)定; ( 2) 逆變器所需元器件的數(shù)
量較少，可靠性較高，并網(wǎng)控制技術(shù)較為成熟，轉(zhuǎn)換效
率在98%以上; ( 3) 集中式逆變器輸出的電能質(zhì)量較
高，諧波畸變率能夠控制在3%以下; ( 4) 當(dāng)電網(wǎng)電壓
波動時，能夠在一定程度上適應(yīng)其所帶來的影響。
但是，目前集中式逆變器也正在暴露出一些問題。
其主要缺點(diǎn)是［6－8］: ( 1) 集中式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)沒有冗 圖2 組串式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
余能力，如果逆變器發(fā)生故障，那么系統(tǒng)將停止向電網(wǎng) 組串式逆變器的主要優(yōu)點(diǎn)有［10－12］: ( 1) 組串式逆
輸送電能，由于該發(fā)電系統(tǒng)的容量一般較大，因此造成 變器擁有多路 MPPT 跟蹤電路，可以使每個光伏組串
的損失也較大; ( 2) 集中式逆變器的維修通常是由廠 工作在最大功率點(diǎn)，從而減少因光伏組串間不匹配導(dǎo)
家的專業(yè)人員到現(xiàn)場才能進(jìn)行，維修所需的時間又較 致的發(fā)電損失; ( 2) 組串式逆變器一般采用模塊化設(shè)
長，這使得逆變器故障后造成的發(fā)電量損失更加嚴(yán)重; 計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單、小巧輕便，無需高級技工即可完成安裝
(3) 由于各太陽能電池板之間存在模塊差異和局部陰 和調(diào)試，降低了施工工藝難度; ( 3) 光伏組串能直接連
影等問題，導(dǎo)致光伏陣列實(shí)際輸出呈現(xiàn)多峰值特性，而 接到逆變器，省去了匯流箱和直流柜，減少了直流回路
集中式逆變器只用一路MPPT對整個光伏陣列進(jìn)行最 線損，也提高了系統(tǒng)可靠性; ( 4) 組串式逆變器的維修
大功率點(diǎn)跟蹤，因此發(fā)電系統(tǒng)很可能工作在局部最優(yōu) 較為簡捷，當(dāng)出現(xiàn)故障時，可以先讓現(xiàn)場的運(yùn)維人員直
點(diǎn)，造成系統(tǒng)的發(fā)電量受到損失。 接更換發(fā)生故障的逆變器，之后再對故障逆變器進(jìn)行
3.2 組串式逆變器 檢修，從而避免了設(shè)備故障期間的發(fā)電量損失。
組串式逆變器的功率范圍一般在3 ～50kW 之間， 當(dāng)然，組串式逆變器也存在一些缺點(diǎn)，主要
主要是應(yīng)用于大中型的分布式光伏電站［9］。組串式 有［13－14］:(1) 逆變器所需電子元器件較多，而且功率
逆變器的直流側(cè)通常是并聯(lián)若干串的光伏組件，一般 器件和信號電路在同一塊板上，這使得逆變器的設(shè)計(jì)
為3 串以上，每個光伏組串則通常由幾塊或十幾塊光 和制造難度加大，逆變器的可靠性也稍差; ( 2) 組串式
伏電池板串聯(lián)而成。而這些光伏組串的占地面積相對 光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過濾波器后直接并入電網(wǎng)，沒有經(jīng)過
于集中式逆變器所并聯(lián)的光伏陣列會小很多，這使得 隔離變壓器環(huán)節(jié)，易形成共模漏電流，電氣安全性稍
組串式逆變器能夠更好地解決不同區(qū)域光照條件存在 差;(3) 由于組串式逆變器的單機(jī)容量相對較小，當(dāng)應(yīng)12 《電氣開關(guān)》(2017．No．5)
用于一個較為大型的光伏電站時，往往需要幾十臺甚 由于單級式微型逆變器的電路拓?fù)漭^為簡單，所
至上百臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行，而當(dāng)多臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行 用功率器件的數(shù)目較少，降低了成本，而且只有 DC/
時，勢必會在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生一定的環(huán)流，而環(huán)流會導(dǎo)致 DC環(huán)節(jié)高頻工作，效率較高，因此高效率低成本的單
各逆變器的功率器件承受的電流應(yīng)力不均衡，降低其 級式微型逆變器將更有利于分布式光伏電站的推廣。
使用壽命，也在一定程度上降低了系統(tǒng)的有效容量，限 單級式微型逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，目前針對
制了系統(tǒng)容量的增加，還造成了電路額外的損耗。 其研究主要是集中在反激式電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，以反
3.3 微型逆變器 激式微型逆變器的應(yīng)用也最為廣泛［15］。下面簡要介
微型逆變器的功率范圍在200 ～500W之間，主要 紹一種微型逆變器，即交錯反激式微逆變器，圖5 是其
是應(yīng)用于小型分布式光伏電站［9］。微型逆變器的直 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。該電路拓?fù)鋵儆趩渭壥酵負(fù)?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
流側(cè)只并聯(lián)一塊太陽能電池板，因此可以對每塊電池 是兩路反激變換器的輸入側(cè)與輸出側(cè)并聯(lián)，再經(jīng)工頻
板進(jìn)行單獨(dú)的 DC/AC 變換和 MPPT 跟蹤。這種結(jié)構(gòu) 極性反轉(zhuǎn)橋和濾波器與電網(wǎng)相連，采用兩路反激交錯
特點(diǎn)使得微型逆變器能夠適用于存在陰影等光照條件 并聯(lián)提高了逆變器的功率等級，并通過交錯控制減小
復(fù)雜的地區(qū)。 其輸入側(cè)與輸出側(cè)的電流紋波。
由于單塊光伏組件的輸出電壓較低，為了使其滿
足并網(wǎng)要求，微型逆變器就必須對其進(jìn)行升壓處理，當(dāng)
前多利用高頻變壓器來進(jìn)行升壓。微型逆變器的電路
拓?fù)溆泻芏喾N，根據(jù)功率變換方式的不同，主要有單級