光伏并網微型逆變器中功率解耦技術概述

李 朵，蔣 晨，陳 敏，錢照明

（浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027）

引言

微型逆變器具有能量利用率高、可擴展性好、安裝成本低、易于維護等優點，也發展為光伏并網發電系統的熱點[1，2]。微型逆變器通常安裝在光伏組件（PV panels）的背面，或者與單個光伏組件集成為“AC 模塊”（AC-Module），這就希望逆變器能具有與太陽能電池板相匹配的壽命。

眾所周知，光伏組件在每一光照和穩定條件下都會產生特定的功率，而傳輸到電網的瞬時功率卻含有兩倍工頻的功率脈動。這是單相并網逆變器中普遍存在的瞬時功率不匹配的現象。通常，將大容量的電解電容并聯在光伏組件兩側，用于平緩逆變器輸入電壓和平衡逆變器的瞬時輸入輸出功率，也就是功率解耦。然而電解電容的壽命在105℃的工作條件下只有1000～7000 h，這遠遠低于光伏組件的使用壽命[1，2]。因此，電解電容極大地縮短了逆變器系統的整體壽命，也降低了光伏并網系統的可靠性。

如今，國內外研究發展了多種功率解耦技術，使得所需的電容容量大大減小，從而使用小容量、長壽命的電容如薄膜電容，來替代電解電容，以支撐逆變器的整體使用壽命。

1 功率解耦的原理

在微型逆變器系統中，在一定的溫度和光照條件下，光伏組件輸出恒定的功率，Ppv，記為：

其中Vpv和Ipv分別為光伏組件的輸出電壓和電流。注入電網的正弦電流為iac（t），電網電壓為vac(t)，則逆變器的瞬時輸出功率pac(t)為：

其中ω為電網的角頻率。考慮到單位功率因數的要求，令注入電流與電網電壓相位相同。

在理想無損耗的情況下，輸出功率pac（t）的平均值也是恒定的，并且等于光伏組件的輸出功率。這樣pac（t）中的另一個分量，兩倍工頻的功率脈動就是需要處理的解耦功率，pd(t)=Ppvcos(2ωt)。通常，電容被選為用作解耦元件。當 Ppv大于 pac(t)時，pd（t）為正，超出的這部分功率存儲在解耦電容中；而當Ppv小于 pac(t)時，pd（t）為負，解耦電容放電以補充輸出所需要的功率。解耦電容與解耦能量的關系為：

其中Vac和ΔV分別為電容上的平均電壓電壓紋波。可見，在一定的功率和電網頻率下，解耦電容的容值大小與電容電壓平均值及電壓紋波有關。如果刻意增加電容電壓平均值Vav和電容電壓紋波ΔV，那么電容容值會顯著減小。當電容容值減小到薄膜電容可以允許的范圍內時，電解電容就可以被長壽命的薄膜電容取代，消除了電解電容對逆變器的壽命影響，提高系統的穩定性。

2 功率解耦技術的分類

要實現功率解耦、降低電容容值的目的，目前已發展出一些特殊的電路拓撲及控制方法，主要有有源濾波（APF）法、解耦電路串聯法、單級反激逆變器變換法、多級逆變器解耦法、三端口解耦法等。

2.1 有源濾波（APF）法

有源濾波法是在光伏組件的輸出側并聯解耦電路，應用有源濾波技術，通過控制解耦電路注入直流母線的電流在保證光伏組件輸出電流的平滑性的同時使逆變器輸出所需的瞬時功率。一種應用buck/boost雙向變換器作為解耦電路的方法如圖1所示[3，4]，當 Ppv大于 pac(t)時，解耦電容充電，電路工作在boost模式；而當Ppv小于pac(t)時，解耦電容放電，電路工作在buck模式。在70 W的樣機上，解耦電容的平均電壓和電壓紋波分別提高到45 V和10 V，解耦電容由原來的2.78 mF降低到500 μF。其優點是解耦電路與逆變器電路分開工作，互不影響。但是，若使用薄膜電容需要將容值進一步降低，為保證解耦電路正常工作，從交流輸出側引入一個工頻變壓器給解耦電路提高能量，這樣必然會對逆變器輸出的交流電流質量受到影響。

圖1 CPS-PAF拓撲[4]

2.2 解耦電路串聯法

解耦電路與光伏組件串聯，不僅可以實現功率解耦的目的，控制方法較簡單，同時光伏并網逆變器中的MPPT功能也可以由解耦電路完成。圖2為ZEPIC電路與反激逆變器串聯的拓撲[5]，可以將其視為兩級電路，光伏組件輸出的功率先經過DC級的功率解耦，再經過逆變器輸出到電網。通過DC變換器，可以將解耦電容上的平均電壓和電壓紋波加大，從而減小電容容值。文獻[6]提出了buck-boost電路與反激逆變器串聯的拓撲，除解耦外，buckboost電路還用于實現MPPT功能。

圖2 解耦電路串聯法應用拓撲6[5]

2.3 單級反激逆變器變換法

基于單級反激逆變器開發出的解耦技術大都是在光伏組件輸出側的解耦。在傳統單級式反激逆變器原邊加入解耦電路，結合控制方法，既能完成傳統光伏并網逆變器的功能，還能減小解耦電容所需的容值。圖3為日本東京都立大學提出的帶功率解耦電路的反激型光伏并網逆變器[7]，在100 W的樣機中，解耦電容僅需40 μF。此拓撲中，每個開關周期光伏組件輸出相同的功率給原邊勵磁電感充磁，再通過勵磁電感存儲到解耦電容中，隨后解耦電容再按正弦電流基準給勵磁電感反向充磁，最后能量傳遞到副邊直至電網。文獻[8]提出一種改進后的反激逆變器，“雙管反激變換器”的引入實現了漏感能量吸收。這兩個拓撲中，解耦電路的控制方法都比較簡單。但都存在二次充磁的問題，即光伏組件輸出的能量先存儲在解耦電容中，再輸出至電網，解耦電容上處理了光伏組件輸出的全部能量，會降低逆變器效率，二者效率分別為70%和86.7%。文獻[9]中提出的反激逆變器，在原邊增加了一組輔助繞組，這樣解耦電路只需要處理脈動的功率，但是效率仍然不高。

圖3 單級反激逆變器變換法應用拓撲1[7]

圖4[10]為另一種基于反激逆變器的解耦電路，當逆變器輸入功率大于輸出功率時，解耦電容通過變壓器原邊勵磁電感充電，當逆變器輸入功率大于輸出功率時，解耦電容放電給勵磁電感補充能量。該拓撲所用元件少，且一定程度上解決了漏感吸收的問題，但是為滿足光伏組件輸出電流平均值的平滑性，原邊電流的峰值基準計算復雜，在控制上較難實現。

圖4 單級反激逆變器變換法應用拓撲2[10]

2.4 多級逆變器解耦法

在多級微型逆變器中，可以將解耦電容并聯在DC母線上。DC母線上電壓可以很高，也允許較大的紋波，使減小解耦電容容值更為方便。一種三級結構的光伏并網微型逆變器如圖5所示[11]，由移相全橋電路、buck電路及全橋逆變器組成。移相全橋電路將光伏組件的輸出電壓升高至475 V，buck電路產生正弦半波電流，最后進行工頻逆變產生正弦電流注入電網。值得注意的是，母線前后兩個不同的電路分別控制輸入功率和輸出功率，若功率不平衡將會使電容電壓無限升高造成永久性破壞，所以兩個電路在功率控制上需要很好的同步，以保證能量守恒和穩定的母線電壓。

圖5 直流母線上的解耦應用拓撲[11]

2.5 三端口解耦法

三端口解耦方法中，三個端口分別用來處理的MPPT，完成DC/AC的逆變，實現功率解耦。一個典型的三端口網絡如圖6所示[12]，反激變壓器含有兩個輸出繞組L2和L3，L2的輸出經過濾波和全橋工頻逆變至電網，L3與一個全橋電路構成解耦電路。在此拓撲中，光伏組件先輸出恒定的能量給原邊勵磁電感，當Ppv大于pac(t)時，電網所需的功率由L2輸出，其余的能量則通過L3儲存在解耦電容CD中；當Ppv小于pac(t)時，原邊勵磁電感的能量全部傳遞到副邊，解耦電容也要釋放能量以補充負載的需要。解耦電路采用全橋變換器滿足了解耦電容上能量雙向傳輸的需要。文獻[13]、[14]也分別提出了應用三端口網路解耦的光伏并網微型逆變器拓撲及控制方法。

圖6 三端口網絡解耦應用拓撲[12]

3 比較與討論

上述幾類解耦方法在電路拓撲及控制方法上各有利弊，表1對這些解耦方法的應用拓撲從樣機功率、解耦電容容值、效率、結構、控制方法的難易程度等進行了比較。有源濾波法結構簡單，控制簡單，但解耦電容容值減小不多；解耦電路串聯法中，解耦電路的控制較獨立，容易實現，但是光伏組件輸出的所有功率都會經過解耦電路，這會增加損耗和開關管的電壓電流應力；單級反激逆變器變換法所用元件少，電容電壓較低，各開關管電壓應力小，但解耦電路與光伏組件不隔離，在控制方法的設計上需要考慮減少解耦電路對光伏組件輸出特性的影響，所以控制較復雜；多級逆變器解耦法中，通過一級DC/DC將直流母線電壓升高，從而使降低電容更加方便，但母線高電壓以及電壓紋波會引起的逆變器輸出電流的畸變，所以在逆變器的控制方法上需要進行修正，以減小影響；三端口解耦法中，解耦電路與光伏組件隔離，在解耦電容上的大電壓紋波不會影響光伏組件的輸出特性，利用變壓器變比使電容電壓及電壓紋波有很大的提高，電容更小，但電路中開關管的電壓應力也進一步增大，會引起損耗增加，且考慮到隔離的因素，副邊開關管的控制也會比較復雜。

此外在功率因數校正（PFC）應用中，同樣存在功率解耦的問題。所不同的是PFC中輸入功率為兩倍工頻的正弦脈動，而輸出功率恒定，所以解耦電容通常位于輸出端。文獻[15]、[16]中提出了在正弦電流基準中注入三次諧波的方法以減小解耦電容。通過注入三次諧波電流分量，使得功率脈動也含有三次工頻的分量，減小了脈動功率的能量，所以需要的儲能電容也減小了。這種獨特的方法不局限于提高電容電壓，而直接從能量入手，是一種非常新穎的解耦技術，可以考慮在逆變器電路中應用。諧波注入可能會影響到逆變器輸出的電流質量、總諧波失真度（THD）和功率因數，所以實際應用還有待研究。

表1 不同解耦技術的比較

4 結論

在光伏并網微型逆變器中，為平衡輸入輸出瞬時功率，解耦元件必不可少。傳統方法中應用大容量電解電容作為解耦元件雖簡單，但嚴重制約了微型逆變器的使用壽命。應用功率解耦技術減小解耦電容的容值，就可以用長壽命的薄膜電容替代解耦電容，從而延長逆變器的壽命，也增強了系統的可靠性。本文回顧了在光伏并網微型逆變器中使用的功率解耦技術，對每種類型的解耦技術列舉了應用實例加以說明并比較總結。每種解耦技術在成本、效率及控制復雜度上均各有利弊，在使用過程中也需要綜合考慮。討論結果將有助于未來對光伏并網微型逆變器中功率解耦技術的進一步研究。

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