微逆變器技術(shù)的研究成為光伏并網(wǎng)發(fā)電研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。文章闡述了微變器的內(nèi)涵、特征及其發(fā)展現(xiàn)狀。從技術(shù)內(nèi)涵角度綜述了微逆變器研究中的關(guān)鍵技術(shù)，包括主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率解耦技術(shù)、最大功率跟蹤技術(shù)、并網(wǎng)電流控制技術(shù)、反孤島保護(hù)、通信和監(jiān)控技術(shù)。并給出了微逆變器未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)。
隨著光伏屋頂和光伏建筑市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，光伏并網(wǎng)逆變器的需求也越來(lái)越多。常見的光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變系統(tǒng)通常有集中式逆變和串式/多串式逆變兩種主要形式。在這兩種系統(tǒng)中均存在大量光伏組件的串并聯(lián)，系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤也是針對(duì)整個(gè)光伏模塊進(jìn)行的，無(wú)法保證每個(gè)組件均運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，也無(wú)法獲得每個(gè)光伏組件的狀態(tài)信息，不利于對(duì)每個(gè)光伏電池板管理。
在光伏屋頂和光伏建筑中太陽(yáng)能電池板不可避免的存在不同安裝傾斜角度、不同面向方位以及局部陰影的影響。此外，由于污垢、不同的老化程度、細(xì)小的裂縫和不光伏電池板特性的差異等因素影響，造成各個(gè)組件的發(fā)電效率彼此各不相同，若采用集中式逆變的最大功率點(diǎn)跟蹤，容易使系統(tǒng)失配導(dǎo)致輸出效率下降(尤其在局部陰影的影響下)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)整體輸出功率大幅降低；甚至可能形成熱斑，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。這些都是集中式逆變和串式/多串式逆變存在且難已解決的問題［1-4］。
基于此，研究人員提出了一種采用微逆變器的新型分布式光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)，有效的解決了集中式逆變結(jié)構(gòu)所面臨的各種問題。目前，分布式逆變結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是在單塊光伏電池板后面安裝一個(gè)DC-DC部分，進(jìn)行最大功率跟蹤，然后集中式逆變，另一種，在單塊光伏電池板后面直接安裝微逆變器，將光伏電池板產(chǎn)生的交流電直接轉(zhuǎn)化成交流電。第二種結(jié)構(gòu)已逐漸成為了市場(chǎng)的主流。本文在介紹國(guó)外微逆變器的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，主要對(duì)微逆變器所需研究的相關(guān)關(guān)鍵問題進(jìn)行歸納和總結(jié)，主要包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率解耦技術(shù)、通信和監(jiān)控技術(shù)和并網(wǎng)電流控制技術(shù)等。
微逆變器的特征及發(fā)展現(xiàn)狀
微逆變器的組成和特征
微逆變器是功率等級(jí)較少(100W-300W)的光伏并網(wǎng)逆變器，它直接安裝在單塊光伏組件上，將單塊光伏組件產(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)化為交流電，若干光伏組件并聯(lián)形成系統(tǒng)，接入公共電網(wǎng)。圖1所示的為采用微逆變器的分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由嵌入微逆變器的光伏電池板和控制中心組成。微逆變器將光伏電池的實(shí)時(shí)信息通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給控制中心，便于診斷和管理。這種分布式發(fā)電具有集中式逆變器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)以下向幾方面［5-10］：
（1）對(duì)單塊組件的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，可大大提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電量（可提高5~25%）；
（2）將微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）能夠充分利用空間和適應(yīng)不同安裝方向和角度；
（4）配置靈活，在家用市場(chǎng)可以按照用戶財(cái)力安裝光伏電池大小；
（5）無(wú)高壓電，更安全，安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)安裝成本低廉，對(duì)安裝服務(wù)商依賴性減少；
（6）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。
圖1 新型分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖
傳統(tǒng)的集中式逆變器由于工作在高電壓、大電流的場(chǎng)合，壽命一般為5~15年，而光伏組件的壽命為20~25年，這就需要更換和維修集中式逆變器。相反，為使微逆變器同光伏組件的壽命匹配，微逆變器采用航空電源的技術(shù)設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠性、高效率和長(zhǎng)壽命的特色。同時(shí)，便于與光伏組件模塊化，微逆變器應(yīng)具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。微逆變器大致的功能框圖如圖2所示，微逆變器主要由升壓環(huán)節(jié)和周波變換器兩部分組成(單級(jí)式微逆變器)。升壓環(huán)節(jié)主要是升高光伏電池電壓，保證輸出端能輸出220V的交流電壓，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤、反孤島保護(hù)和并網(wǎng)，周波變換器用于實(shí)現(xiàn)高頻交流電變成工頻交流電。
圖2 微逆變器的功能框圖
微逆變器的發(fā)展現(xiàn)狀
美國(guó)加州的Enphase Energy從2008年發(fā)布微逆變器第一代產(chǎn)品M190，如圖3a)。之后不久，推出一系列的微逆變器產(chǎn)品并開始商業(yè)化量產(chǎn)，取得了較好的銷售成績(jī)，在2009-2010年銷量累計(jì)達(dá)10萬(wàn)套，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年通過技術(shù)收購(gòu)荷蘭OKE-Services光伏系統(tǒng)電子開發(fā)商，進(jìn)入了微逆變器市場(chǎng)。2010年7月，英國(guó)的Enecsys公司發(fā)布了自己的產(chǎn)品SMI-200/VDE，如圖3b)，該產(chǎn)品的擔(dān)保期長(zhǎng)達(dá)20年。隨著國(guó)外微逆變器市場(chǎng)的日益火熱，眾多廠商也嘗試開始微逆變器產(chǎn)品的開發(fā)。國(guó)內(nèi)最早從事微逆變器研究的公司-英偉力 (Involar)新能源科技公司于2010年5月發(fā)布了其第一代產(chǎn)品MAC250，如圖3c)。目前該款微逆變器產(chǎn)品已經(jīng)推向市場(chǎng)，但由于剛起步，產(chǎn)品質(zhì)量也有待市場(chǎng)檢驗(yàn)。
圖3 微逆變器的產(chǎn)品示意圖
隨著電力電子元器件的發(fā)展、數(shù)字信號(hào)處理和信息通信技術(shù)的應(yīng)用以及先進(jìn)的控制方法的提出，微逆變器的一些技術(shù)也得到了快速發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［11-16］：
(1)SIC整流管和GaN的MOSFET出現(xiàn)，減少了器件的損耗，提高了微逆變器的效率；
(2)微逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由多級(jí)的功率變換逐漸向單級(jí)的功率變換轉(zhuǎn)換，減少了元器件的數(shù)量、減少了損耗和降低了成本；
(3)高頻軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的頻率和效率，減少了體積；
(4)從傳統(tǒng)的需要電流電壓傳感器的MPPT技術(shù)，逐漸向無(wú)電流電壓傳感器的最大功率跟蹤技術(shù)轉(zhuǎn)變；
(5)傳統(tǒng)的電解電容的功率變換技術(shù)，由于壽命短、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，許多學(xué)者開始研究薄膜電容的功率變換技術(shù)和長(zhǎng)壽命的電解電容技術(shù)；
(6)先進(jìn)的并網(wǎng)電流控制方法改善了微逆變器輸出波形質(zhì)量，從而減小濾波環(huán)節(jié)的體積，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)定性；
(7)建立了基于Web模式的可視化監(jiān)視平臺(tái)。
微逆變器的關(guān)鍵技術(shù)
高性能的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
微逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性、效率息息相關(guān)，直接影響微變器的整體性能。考慮到光伏電池輸出電壓低、電壓范圍寬的特點(diǎn)，應(yīng)選擇具有升壓變換功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮到安全性和可靠性需要高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離。反激式變換器拓?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)浞桨浮D4為簡(jiǎn)化的美國(guó)Enphase Energy公司微逆變器的主電路圖，升壓環(huán)節(jié)為交錯(cuò)并聯(lián)反激變換器，用于產(chǎn)生正弦半波，再通過SCR橋換向?yàn)檎也ê蟛⒕W(wǎng)。該電路中所有的主開關(guān)管及輔助開關(guān)管通過加輔助電路后均能實(shí)現(xiàn)ZVS。文獻(xiàn)［17-20］針對(duì)小功率的發(fā)布式發(fā)電給出多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，像三端口的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、帶耦合電感的雙BOOST電路、Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、雙向反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、半橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，準(zhǔn)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為微逆變器的拓?fù)涞倪x型或改進(jìn)提供了參考。
圖4 簡(jiǎn)化的Enphase微逆變器主電路圖
功率解耦技術(shù)和高頻軟開關(guān)技術(shù)
微逆變器饋入電網(wǎng)的電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，輸出功率存在瞬時(shí)功率為零的時(shí)刻。而光伏陣列發(fā)出的功率時(shí)一個(gè)比較穩(wěn)定的直線功率，這就需要一個(gè)大的儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)功率解耦。一般采用電容作為解耦環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的解耦電容一般都采用電解電容，而電容解電容的壽命低，同時(shí)大體積的電解電容，也不符合逆變器小體積的特殊要求。為了使微逆變器的壽命與光伏組件相匹配，一些研究者，一方面致力于開發(fā)長(zhǎng)壽命的電解電容，另一方面，通過研究各種方法(如功率解耦技術(shù))減少解耦電容的大小，再用長(zhǎng)壽命高性能的薄膜電容來(lái)取代電解電容。文獻(xiàn)［4］對(duì)功率技術(shù)進(jìn)行了概述，給出了三種不同解耦方法：光伏端解耦；DC直流環(huán)節(jié)解耦；AC端解耦。然后對(duì)不同的解耦方法，給出了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制復(fù)雜程度、解耦電容的大小、效率等方面做了歸納總結(jié),為微逆變器解耦提供了借鑒。
高頻軟開關(guān)技術(shù)可以在不增長(zhǎng)開關(guān)耗損的前提下，將微逆變器的工作頻率提高到幾百千赫茲，對(duì)減少微逆變器中高頻變壓器的體積和提高系統(tǒng)的效率起著重要的作用。
高品質(zhì)的并網(wǎng)電流控制技術(shù)
傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流控制技術(shù)主要有PI控制、重復(fù)控制、滯環(huán)控制、單周控制方法、預(yù)測(cè)電流控制、比例諧振控制等。這些傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流控制技術(shù)都有其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，許多研究者，針對(duì)傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流控制技術(shù)一些缺點(diǎn)，做了一些改進(jìn)。文獻(xiàn)［21］針對(duì)常規(guī)比例諧振控制器對(duì)電網(wǎng)頻率變化和電網(wǎng)參數(shù)敏感等缺點(diǎn)，給出了一種準(zhǔn)比例諧振控制并網(wǎng)電流控制技術(shù)，使該控制器既可以保持諧振控制器的高增益，還可以減小由于電網(wǎng)頻率偏移對(duì)逆變器輸出電流的影響。文獻(xiàn)［22］表明電流雙閉環(huán)控制策略具有諧振抑制能力強(qiáng)，入網(wǎng)電流相位直接可控的優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)穩(wěn)定性也較好。對(duì)電流雙閉環(huán)方案的諧振抑制原理和系統(tǒng)穩(wěn)定條件進(jìn)行了具體分析，并給出了閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)方法和外特性的改善措施。開發(fā)新型的高品質(zhì)、低成本小功率并網(wǎng)電流控制技術(shù)是微逆變器開發(fā)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵性問題。
新型的最大功率跟蹤技術(shù)(MPPT)
微逆變器的MPPT技術(shù)應(yīng)選用無(wú)電壓電壓傳感器的MPPT技術(shù)，不能像傳統(tǒng)的集中式逆變器，先從光伏電池端采樣電壓電流，然后進(jìn)行最大功率跟蹤，額外的霍爾傳感器必然會(huì)增加系統(tǒng)成本及逆變器體積。文獻(xiàn)［23］提出了直接電流控制的MPPT算法，它以變換器輸出電流作為判斷依據(jù)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，不僅可以省去了光伏端采樣的兩個(gè)傳感器，而且無(wú)需乘法運(yùn)算，在繼承擾動(dòng)觀測(cè)法算法簡(jiǎn)單、受環(huán)境因素影響小等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，減輕單片機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)［14-15，24-28］也提出多種不同的只需一種光伏側(cè)采樣的傳感器(電壓或電流傳感器)和不需要光伏側(cè)采樣的電壓電流傳感器，實(shí)際上這些算法都是從中間直流環(huán)節(jié)或者輸出側(cè)間接得到電壓電流，這些電壓電流的變化會(huì)反應(yīng)出光伏電池板功率的變化，從而進(jìn)行最大功率跟蹤。而輸出側(cè)和中間環(huán)節(jié)的電壓或電流，在實(shí)際當(dāng)中必須要測(cè)量的物理里，因此，節(jié)約了從光伏電池板的直接取樣的電壓電流傳感器，降低了成本。迎合了微逆變器低成本、小體積的特殊要求。
微逆變器的反孤島檢測(cè)和保護(hù)技術(shù)
在發(fā)生大電網(wǎng)故障等情況時(shí)，出于用電安全和用電質(zhì)量的考慮，微逆變器須迅速檢測(cè)出孤島，對(duì)分離系統(tǒng)部分和孤島采取相應(yīng)的調(diào)控措施，至系統(tǒng)故障消除后再恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行。孤島檢測(cè)技術(shù)可以劃分為主動(dòng)檢測(cè)和被動(dòng)檢測(cè)。針對(duì)被動(dòng)檢測(cè)的缺陷，許多學(xué)者研究了多種主動(dòng)檢測(cè)的方法。主動(dòng)檢測(cè)的方法可以分為兩類：基于正反饋的主動(dòng)檢測(cè)方法和基于諧波注入的主動(dòng)檢測(cè)方法。在文獻(xiàn)［29-31］綜述了基于正反饋不同的主動(dòng)檢測(cè)方法，包括輸出的有功和無(wú)功變化法、Sandia電壓漂移(SVS)和Sandia頻率漂移，主動(dòng)頻率漂移法(AFD)，文獻(xiàn)［32］對(duì)以上幾種適用于微逆變器的主動(dòng)檢測(cè)方法和基于諧波注入的檢測(cè)方法做了仿真分析，仿真表明基于諧波注入的檢測(cè)方法比基于正反饋的主動(dòng)檢測(cè)方法更能快速的檢測(cè)出孤島，原因正反饋的檢測(cè)方法需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到低/過電壓和低/過頻率，而注入諧波的主動(dòng)檢測(cè)方法，允許較少的阻抗變化值，能快速的檢測(cè)出孤島效應(yīng)。在多光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由于輸出功率變化大，也有可能造成電壓閃變和電網(wǎng)不穩(wěn)，因此，怎樣在進(jìn)行孤島檢測(cè)時(shí)不影響并網(wǎng)電流質(zhì)量的孤島檢測(cè)技術(shù)成為亟待解決的難題。
信息通信和監(jiān)控技術(shù)
當(dāng)多個(gè)微逆變器組成分布式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，微逆變器將光伏電池板的實(shí)時(shí)狀況和性能發(fā)送給控制中心。用戶和安裝者可以隨時(shí)查看每塊電池板的發(fā)電量和性能。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)為用戶和安裝者提供實(shí)時(shí)的詳細(xì)數(shù)據(jù)以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行。這些信息也能用于快速診斷單塊光伏電池可能出現(xiàn)的問題和出現(xiàn)的位置，它提供了必要的精確維護(hù)向?qū)В@是集中式逆變器不具備的。控制中心將微逆變器收集的光伏電池板的信息，通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，用戶和安裝者通過互聯(lián)網(wǎng)在任何地方都可以觀察每個(gè)電池的性能和發(fā)電量，以實(shí)現(xiàn)有效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與管理。
目前微逆變器之間的通信方式主要有電力載波通信和無(wú)線通信。電力線載波通信技術(shù)通過電網(wǎng)交流母線就可以采集各個(gè)微逆變器和光伏組件的輸出功率和狀態(tài)信息，很方便的實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控，同時(shí)不需要額外的通信線路，對(duì)系統(tǒng)連線沒有任何負(fù)擔(dān)，極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中Enphase、SolarBridge、英偉力等公司，采用了電力載波通信。無(wú)線通信的技術(shù)主要有PoE、ZigBee、GPRS等，其中Enecsys公司采用ZigBee無(wú)線通信，英偉力公司部分產(chǎn)品也采用無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5-10]。
微逆變器研究的發(fā)展發(fā)向
近幾年，微逆變器作為一個(gè)較前沿的研究領(lǐng)域，以其高可靠性、高效率、高品質(zhì)等特點(diǎn)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家得到了大力發(fā)展，在我國(guó)很多高校和科研院所在光伏發(fā)電技術(shù)方面已開展了大量研究，但對(duì)微逆變器的研究還處于嘗試階段。未來(lái)幾年，微逆變器的理論及相關(guān)技術(shù)將會(huì)通過示范性工程驗(yàn)證，進(jìn)而得到廣泛實(shí)踐與應(yīng)用。今后，微逆變器可能研究的主要方向如下：
（1）簡(jiǎn)化主電路結(jié)構(gòu)
采用模塊化設(shè)計(jì)、集成芯片的開發(fā)、減少元器件的數(shù)量、簡(jiǎn)化濾波裝置等措施,以實(shí)現(xiàn)微逆變器的低成本、長(zhǎng)壽命、高效率、高品質(zhì)和高可靠性；
（2）高效率的無(wú)電壓電流傳感器的最大功率跟蹤技術(shù)的研究；
（3）新型的并網(wǎng)電流控制技術(shù)；
它應(yīng)具備快速響應(yīng)電網(wǎng)瞬態(tài)變化、抗干擾性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償?shù)墓δ埽?
（4）新型的反孤島保護(hù)算法的研究和反孤島保護(hù)裝置的研制
在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，若每個(gè)微逆變器都進(jìn)行主動(dòng)反孤島保護(hù)，都對(duì)系統(tǒng)加一個(gè)擾動(dòng)量，可能會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，需要建立適合分布式光伏逆變特點(diǎn)的反孤島保護(hù)；
（5）智能故障診斷系統(tǒng)
根據(jù)采集的信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的分析，得出設(shè)備運(yùn)行的最佳狀況和故障的原因，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，使設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的。
（6）基于Web模式智能化、可視化的監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)。
微逆變器技術(shù)的發(fā)展和推廣對(duì)我國(guó)未來(lái)的光伏屋頂計(jì)劃和光伏建設(shè)一體化的應(yīng)用具有重要意義。隨著國(guó)家對(duì)可再生能源開發(fā)、利用重視程度的加大,光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展前景良好。在此背景下,本文主要?dú)w納和總結(jié)了微逆變器關(guān)鍵技術(shù)，并給出了并網(wǎng)微逆變器的未來(lái)可能發(fā)展趨勢(shì)，為微逆變器的研究提供借鑒和參考。
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