本文摘要：摘要：本文使用微型逆变器对太阳能系统优化，给太阳能面板配备了独立的微逆变器，提高单个面板的太阳能转换效率，同时也满足不同天气和其他环境的要求;对传统逆变器和微逆变器的特点进行了对比，研究了微逆变器的关键性技术;对比了各种可能采用的硬件拓扑结
摘要：本文使用微型逆变器对太阳能系统优化，给太阳能面板配备了独立的微逆变器，提高单个面板的太阳能转换效率，同时也满足不同天气和其他环境的要求;对传统逆变器和微逆变器的特点进行了对比，研究了微逆变器的关键性技术;对比了各种可能采用的硬件拓扑结构，根据微逆变器的体积小、效率高、成本低的性能特点对光伏电池和微逆变器系统进行数学建模和仿真，验证设计的正确性。最后给出实验波形及数据并得出相关结论。
关键词：微逆变器;关键性技术;并网电流控制;微逆变器的拓扑;孤岛检测技术
0引言
进入新世纪随着全球人口的不断增多，经济的增长与发展对能源需求不断扩大，全球自然资源逐渐枯竭，导致传统能源价格持续走高，这拖累了全球的经济增长并带来了严重的经济发展滞涨隐忧。光伏逆变器作为光伏发电系统中的核心组成部分，这决定了国内外逆变器厂商之间的竞争必定会异常激烈和残酷。而微逆变器相对于传统逆变器具有逆输入电压低而输出电压高和功率小的特点，为了使产品在市场上更具竞争力，微逆变器在设计时需要充分考虑高变换效率、高可靠性、寿命长、体积小和成本低等性能特点。
美国和日本凭借其在电路设计、电气和自动控制领域的超强实力，依靠雄厚的工业基础和先进的半导体技术，在光伏发电系统行业也具有很强的竞争力;国内企业虽然在小容量逆变器技术方面基本能和国外持平，但是在大容量逆变器，尤其在大容量并网型逆变器的技术水平与国外仍有较大的差距，主要体现在系统的可靠性、效率、加工工艺、标准化和模块化设计等方面。
本文使用微型逆变器对太阳能系统进行优化，给太阳能面板配备了独立的微逆变器，提高了单个面板的太阳能转换效率，同时也可以满足不同天气和其他环境的要求。对传统逆变器和微逆变器的特点进行了对比，研究了微逆变器的关键性技术。对比了各种可能采用的硬件拓扑结构，根据微逆变器的体积小、效率高、成本低的性能特点，对光伏电池和微逆变器系统进行数学建模和仿真，验证设计的正确性。
1微逆变器系统及关键性技术
转变电源的可变直流电压输入成为无干扰的交流正弦波输出是逆变器的主要功能，既可供电给相应设备，也可反馈给电网。逆变器除转换交直流电压外，还能执行如：断开电路，避免电流突波损坏电路。此外，还有追踪最大功率点(MPPT)以及储存数据、控制蓄电池充放电等功能，这些都有助于发电效率的提高。
1.1微逆变器系统的结构与特点
1.1.1传统逆变器结构及特点
传统的光伏并网发电系统获得足够高的输出功率与直流电压通常将多块光伏电池进行串并联，再利用一个集中型的并网逆变器将能量馈入电网。
1.1.2微逆变器结构及特点
为克服以上缺陷，近年来发展出基于微型逆变器的光伏并网结构。
1.2微逆变器的优势
微逆变器与传统的大功率集中式逆变器相比，具有诸多优点：1)保证每个光伏组件最大功率点运行，实际应用中诸如出现云雾变化、阴影遮挡、光伏组件老化、污垢积累等内外部条件变化时，使用微逆变器发电总量可以提高多达25%。2)传统光伏系统中太阳能电池板不必串联二极管，光伏组件串并联而产生的组件间功率损耗得到消除。3)微逆变器较小功率承载保证其产品可靠性更高，而传统的集中型逆变器仅有5年的运行寿命。
4)系统具有高冗余度，单个模块失效不会影响整个系统。一台微型逆变器的故障，不会对其他发电单元产生影响，产生的影响非常小。5)光伏电池与微逆变器作为一个整体，使光伏并网系统的应用难度得到降低，具有扩展方便、即插即用、灵活度高等优点，易推广于民用市场上。6)安装非常方便，接线简单，大大降低了安装、维护的时间和成本。
基于以上优点，微逆变器现今己成为光伏产业中的重点，并被认为是未来光伏应用的主要结构形式之一。本课题正是基于这样的背景，深入分析与研究了目前微逆变器存在的关键技术问题，以提供效率高、成本低和使用寿命长的微逆变器解决方案，为微逆变器光伏并网发电系统的市场化提供理论依据和实践参考。
1.3太阳能微逆变器的关键技术综述
1.3.1最大功率点跟踪技术
可用简单的PN结来说明利用半导体材料的光伏效应制成的太阳能电池的基本特性，由PN结反向电流与光照产生的电流方向相同。为了描述电池的工作状态，常用一个等效电路来模拟电池及负载系统。在恒定光照下，一个正在工作的太阳能电池，其光电流与工作状态无关，在等效电路中可当作恒流源。实际系统中的太阳能电池的参数是分布参数，但在工程应用中仍作为集中参数来处理。
太阳能电池输出电流和输出电压在确定的日照强度和温度条件下的关系是太阳能电池的I-V特性。I-V特性曲线表明：太阳能电池既非恒流源，也非恒压源，它是一种非线性直流电源。不可能提供任意大的功率给负载，在大部分工作电压范围内其输出电流相对恒定，最终电流在大于某一个电压之后，迅速下降到零。每条曲线在不同光照条件下都存在一个最大功率点，这个功率点与电池输出电压唯一对应。因此，一般通过调节光伏电池的输出电压使其趋近最大功率点时的输出电压方法跟踪最大功率点。
电池结温和日照强度等因素影响太阳能电池的输出特性。在其它条件确定时，短路电流Isc几乎与日照强度成正比的增加，而随着日照强度的增大太阳能电池的开路电压Voc略微增加，呈对数关系。太阳能电池的输出功率随着日照强度的降低而下降。另外，当其它条件确定时，太阳能电池开路电压Voc随电池结温上升会下降，短路电流Isc则轻微增大。总体上，太阳能电池的输出功率随电池结温升高会下降，而日照强度和周围环境温度影响太阳能电池结温。
1.3.2并网电流控制技术
在光伏系统的并网电流控制方面，现有的控制方法有双环控制、滞环控制、无差拍控制、空间矢量PWM控制(SVPWM)、峰值电流控制和重复控制等。双环控制采用电流、电压环控制来稳定直流电压和调节并网电流的幅值，双环控制易于系统的设计，具有固定的开关频率，但在开关频率不够高的情况下，电流动态响应相对较慢，并且电流动态偏差随着电流变化率的变化作相应的变化。
1.3.3孤岛检测技术
孤岛效应是指当电力公司的供电系统因故障事故或停电维修等原因而停止工作时，安装在各个用户端的光伏并网发电系统未能及时检测出停电状态而迅速自身切离市电网络。因此，形成了一个由光伏并网发电系统向周围负载供电的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛现象。
孤岛效应是并网发电系统特有的现象，具有相当大的危害性，不仅会危害到整个配电系统及用户端的设备，更严重的是会威胁输电线路维修人员的生命安全。反孤岛效应的关键在于电网断电的检测，检测时间越短越好，应满足国际标准IEEEStd.2000-929[131]和IEEEStd.2003-1547[132]。
我国于2004年3月份，由国家科技部能源研究所制定的光伏发电并网系统的技术要求中对反孤岛效应也有了详细的规定，光伏系统除设置过/欠压保护、过/欠频保护作为防孤岛效应后备保护外，还应该设置至少各一种主动和被动方式防孤岛效应保护，并且防孤岛效应保护应该在电网断电后0.5s～1s内动作将光伏系统与电网断开。反孤岛效应检测技术在并网逆变器侧主要分为主动式检测和被动式检测两种方式。
2微逆变器拓扑研究
2.1微逆变器拓扑概述
微型逆变器是把PV侧的低压直流电升压，再通过逆变并入到工频电网中，故所选的拓扑必须具有升压功能。一般单相并网逆变器均采用前级DC-DC，实现最大功率跟踪，后级DC-AC实现逆变并网，而DC-DC和DC-AC两级都是通过控制开关管的关断来实现MPPT算法、并网控制，以及过电压、孤岛等保护功能，而辅助电源是为控制系统以及各反馈采样环路供电。
从微型逆变器的拓扑级数来分，主要分成两种，一种是DC-DC再加上DC-AC两级结构，还有一种是DC-DC再加一级周波变换器。两级式微型逆变器是由前级控制最大功率跟踪，后级实现并网电流控制。传统的集中式并网逆变器常常采用电流闭环控制使并网电流与电网电压同频同相。由于DC-DC和DC-AC可以分开各自控制，使得前后级之间的耦合程度比较低，完全可以分开设计。
因此，控制环路反馈环路设计较单级式逆变显得容易得多，但两级式逆变器由于经过两级功率转换，势必影响整体效率，假如每级效率90%的话，从PV输入经过两级到并网侧，效率仅为81%，这是高效率微型逆变器所不能容忍的。单级逆变器前级DC-DC实现MPPT跟踪，并网电流闭环控制，同时实现电气隔离，显得控制复杂，但随着数字化芯片的飞速发展，使得单级式逆变器容易实现，而且又不影响整个光伏系统的稳定性和整体效率。单级式逆变器结构简单，节约了成本，而且只有一级功率变换，减少了功率损耗，降低了整个微型逆变系统的造价，而且经过实验验证，单级式逆变稳定可靠。
2.2反激逆变器工作原理
在DC-DC各类电路拓扑中，反激变换器一般都工作在小功率应用场合，在高频开关电源中，反激变换器能实现电气隔离、能量传递储存升降压功能，在小功率电源中应用十分广泛。由于两级式拓扑在功率解耦过程中直流母线电压不稳，容易造成逆变器不能工作，且对控制芯片的要求较高，采用SPWM调制方式的电压型并网逆变器通常采用两级功率变换，开关管又工作在高频状态，均增加了开关损耗。
本文采用的反激式逆变器拓扑结构，前级用来实现功率变换，后级工频逆变，只有导通损耗，单级功率变换不仅降低了成本，而且又提高了整个系统的效率，非常适合用于要求价格低廉且性能优越的光伏并网微型逆变器。
3结论
太阳能当之无愧为世界上最清洁的能源，取之不尽、用之不竭，随着世界经济的发展对能源的需求，以及能源的紧缺和环境的恶化，光伏发电必将成为一个重要的产业，而如何高效地利用太阳能，这与光伏发电系统的核心装置——微逆变器的技术有着重要的关系，而由于太阳能分别分散的特点，微逆变器的研究将成为研究重点。本文主要分析和对比了光伏并网微逆变器拓扑结构，利用微型逆变器优化太阳能系统的设计。为每面板配块太阳能备单独的微型逆变器使得系统可以适应不断变化的负荷和天气条件，从而能够为单块面板和整个系统提供最佳转换效率。
参考文献：
光伏逆变器的发展及现状[EB/OL].
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