ReviewofPhotovoltaicMicro-Inverter Topology andRelatedTechnologies
Xue Han Shengwei Gao
Email: 376192640@
Received: Mar. 2°d 2017; accepted: Mar. 20*b 2017; published: Mar. 24 2017
Abstract
In order to find the best solution to reduce costs and improve efficiency and reliability of mi-cro-inverter topologies of micro-inverter in photovoltaic power generation system are reviewedintroduced. Combined with the research status at home and abroad this paper analyzed the typi-es are discussed. Aiming at problems existing in micro-inverter power decoupling technique eli cal single-stage and multi-stage micro-inverter topologies and their advantages and disadvantag-mination of leakage current and application of novel power devices were studied in order to achieve the goal of low cost high efficiency and long life. Through the summary and induction ofall kinds of inverter topology the research direction and future prospects of development are ex- pected in this paper.
Keywords
Micro-Inverter Photovoltaic System Power Decoupling Leakage Current Sic Power Device
微型光伏逆变器拓扑及相关技术研究综述
韩雪，高圣伟
天津工业大学电气工程与自动化学院，天津Email: 376192640@
收稿日期：2017年3月2日：录用日期：2017年3月20日：发布日期：2017年3月24日
摘要
本文主要对光伏发电系统中的微型逆变器拓扑进行了综述，旨在寻找能够降低成本并提升效率与可靠性
的最佳方案.介绍了微型逆变器的并网优势及其设计目标.结合国内外研究现状，分析了典型的单级式
文章引用：韩雪，高圣伟，微型光伏道变器拓扑及相关技术研究综述[.电气工程，2017 5(1]：12-24.
和多级式逆变器拓扑，阐述了各自优缺点，针对微型逆变器中存在的各种问题，分别对功率解耦技术、 漏电流的消除、以及新型功率器件的应用进行了研究，以实现逆变器低成本、高效率、寿命长的目标.通过对各类逆变器拓扑的总结与归纳，展望了未来的研究方向与发展前景.
关键词
微型逆变器，光伏系统，功率解耦，漏电流，碳化硅器件
Copyright @ 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
Open Access
1.引言
随着环境保护问题的日益趋紧，生产无污染的天然能源的需求已引起国际上的广泛关注.太阳能，由于其清洁，无污染，取之不尽，可作为未来的一种代替性能源.我国太阳能资源丰富，太阳能作为传统能源的替代能源具有巨大的经济效益和战略意义.在过去的十年中，光伏发电技术早已显示出其潜力，成为了全世界发电的主要来源，即使在金融和经济危机的时候，也取得了强劲且持久的发展，这一趋势在未来几年也会随着光伏发电优势的增加而持续.据HIS最新报告显示，到2017年，微型逆变器的全球 市场规模将有望随着海外市场需求的持续增长而增长四倍以上，出货量将增长到2.1GW.
传统的光伏逆变器包括：集中式逆变器、组串式逆变器和多组串式逆变器.集中式逆变器通常应用在10kW以上的三相高压场合，其体积大，安装复杂，逆变器一且出现故障，将会涉及大量能量传输被打断：组串式逆变器应用在低于10kW的场合，将光伏模块串联到一起，通过串联获得了较高的输出电压，避免了集中式逆变器的缺点：多组申式逆变器是在组串式逆变器基础上的改进，使每组的DC-DC部 分连接到公共的DC-AC逆变器上，可单独进行控制，各种光伏逆变器结构对比如图1所示.以上三种传统光伏逆变器，系统的最大功率点跟踪针对整申进行，无法保证每个光伏组件均达到最大功率点.并且由于各组件实际安装方向与角度不同，每个组件发电效率不同，从而降低了系统的发电效率[1]-
图2为微型逆变器实物图.具有微型逆变器的光伏并网系统，应用在低于300W的场合，直接将单个光伏组件与逆变器集成，每一组件的交直流变换和最大功率跟踪功能单独进行，当某块电池板损坏或 被速挡的情况下，不影响其他逆变器的正常工作，可即插即用，能够根据用于需求进行安装扩展，寿命高达25年，是目前光伏发电领域的研究热点之一[2]-
2.微型逆变器设计目标
在光伏并网系统中，如何实现不同功率配置下的高效功率输出是逆变器设计和运行的关键因素，因此微型逆变器的设计应着重考虑以下几方面因素[3]：
1）可靠性：大多数商业光伏模块保证在指定的输出水平，为20至25年，然而逆变器的寿命通常在5到15年，这就要求逆变器方便维护和更换.微逆的寿命为25年，传统逆变器寿命在10年左右.
竞争，应尽量减少不必要的损耗. 2）效率：逆变器的拓扑结构及控制方法对其效率至关重要，效率的提升直接影响到产品功能和市场
3）成本：逆变器的设计应考虑到初始投资成本与长期维护成本，交流模块系统每一光伏组件均与微型逆变器相连，电路中应包含较少的器件，提高功率密度，降低逆变器体积，也会减少成本.
Figure 1. Structure of photovlotaic inverter 图1.光伏逆变器结构
Figure 2. Micro-inverter图2.微型逆变器
3.微型逆变器拓扑
光伏逆变器拓扑结构可分为单级式与多级式结构，常见的多级式结构例如两级式，第一级将光伏板侧电压升高到并网电压所需电压等级，即DC-DC阶段，最大功率跟踪功能在此阶段完成：第二级将直流电逆变为并网所需的与电网同相的交流电，即DC-AC阶段.面单级式结构在一级内同时完成两种功能，两种结构各有其优缺点.
3.1.多级式
多级式微型逆变器拓扑通常包括阶段，第一阶段将光伏板侧电压进行升压，并且通过控制方法实现
最大功率跟踪，第二阶段则将直流电逆变为并网所需的交流电.一般来说，第一阶段是Boost或者Buck-Boost 型拓扑.
换器，第二级为整流电路，级联H桥逆变器作为折叠电路（图3)-开关电感升压变换器中，采用开关电感 文献[4]提出了一种两级式高电压增益升压型并网逆变器拓扑，第一级为高电压增益开关电感升压变电，关闭状态下串联放电，并能够完成最大功率跟踪功能：而并网要求是由整流电路和H桥逆变器完成的，整流电路利用充放电增量来产生正弦整流波，然后折叠级联H桥逆变器将这一波形变为可注入电网的正弦电流波形，该部分减小了接地漏电流，改善了系统的接地性能，并且减少了开关损耗，从而提升 了整体效率.经仿真实验分析，该逆变器峰值效率大于90%.
文献[5]提出了一种基于软开关全桥电路的微型逆变器拓扑（图4），前端采用了LLC谐振变换器，以实现高工作频率和高转换效率，将光伏板侧20-40V的低压升至电网侧电压等级，并实现最大功率跟踪功能，峰值效率可达97.3%：后级采用了基于软开关技术的传统全桥逆变电路，尽管增加了传导损耗，却大大减少了开关损耗，其中L =2.2uH，C =510nf，L=10mH，Ly=300uH，L=1mH，C=1uF 峰值效率可达98.5%.
文献[6]提出了一种两级式有源钳位反激式光伏逆变器拓扑（图5)，由反激式变换器，混合桥逆变器，和输出CL滤波器组成.反激式逆变器的优点为所需器件少，结构简单，提供光伏组件和点网线间的隔离，在变换器级，该拓扑考虑到了次级漏感的影响，选择有源钳位电路用于降低变压器的漏感和主开关个MOSFET构成，分别在正负半周期导通.输出CL滤波器用于降低谐波分量，为交流电网线路产生电 的输出电容之间的电压尖峰，并实现软开关，以减少开关损耗.在逆变器级，混合桥由两个品闸管和两流波.其中输入电压为30-45V，输出电压为220V，开关频率为50HZ，L=7.91uH，Lcx=7.91nH，Luk = 7.91 nH C = 470 nF C = 150 nF Ly = 5.6 mH Cy = 33 nF.
目前微型逆变器的升压部分多才用高痴变压器，能够实现光伏阵列与网侧的电气隔离，功率密度大，且效率高，基于高频变压器的拓扑结构，首先通过前级将直流电转换为高频交流电，通过次级将其整流 为直流电，最后经逆变环节转换为并网所需工频交流电.
文献[7提出了一种应用于微型逆变器的软开关单电感推挽式变换器（图6），通过变压器次级漏感和谐振电容的并联谐振，使初级侧开关在零电压条件下打开，零电流条件下关断.该拓扑可降低开关损耗，主开关采用了软开关技术，并实现了最大功率跟踪功能.此外，二次侧电压倍增器的加入，使得变压器μF，L=950μH，L=34μH，C =4.7nf，开关频率为50-100Hz.在应用该变换器和全桥逆变器的250 的匝数比可减至一半.其中输入电压为20-40V，输出电压为400V，输出功率为250W，升压电感为127W光伏逆变器仿真实验中，峰值效率可达96.6%.
多级式拓扑结构的明显缺点是尺寸大，可靠性低，器件数量过多，损耗大，使得制造成本更高.因此，最近的研究主要集中在如何减少功率变换等级，并在这样的系统上实现拓扑优化.最佳选择是在光伏阵列与电网系统之间采用单级式拓扑，使其兼具最大功率跟踪、升压以及逆变等功能.
3.2.单级式
当前光伏逆变器的研究趋势在于功率级数的减少，以达到提升整体效率和可靠性，以及减少成本增H桥逆变器、反激式逆变器等. 大功率密度的目的，单级式微型逆变器满足了这一目标.常见的单级式逆变器主要有buck-boost逆变器、
1)H桥逆变器
文献[8]提出了一种软开关电流模式控制下的半桥三相微型逆变器拓扑，如图7所示，具有控制简单，
Figure 4. Topology proposed in reference [5]图4.文献[5]提出的拓扑
Figure 5. Topology proposed in reference [6]图5.文献[6]提出的拓扑
Figure 3. Topology proposed in reference [4] 图3.文献[4]提出的拓扑
Figure 6. Topology proposed in reference [7]图6.文献[7]提出的拓扑
