3.1 光伏逆变器的结构

逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力等再生能源发电系统中的一个重要部件。随着电力电子技术和功率电子器件的发展，逆变技术有了长足的发展。从20世纪六七十年代的晶闸管逆变技术，到21世纪的MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT逆变技术，控制电路从模拟电路发展到单片机和数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔程度，从瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的太阳能光伏电站，从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空航天领域的机载设备，从常规化石能源的火力发电设备到可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。随着计算机技术和新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。

光伏逆变器可分为独立和并网型两种，它们又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器和正弦波逆变器。逆变器根据是否使用变压器可以划分成有变压器型逆变器和无变压器型逆变器。逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力，一般含有升压电路和逆变桥电路。升压电路将光伏电池板的不规则输出电压升高到所需的稳定直流电压，为后级逆变电路提供稳定的直流母线电压。

在介绍光伏逆变器的工作原理之前，首先应该了解光伏逆变器的基本构成。

3.1.1 光伏发电系统的基本构成

光伏发电系统的结构如图3-1所示，该系统主要由光伏阵列、充/放电控制器、储能系统、逆变器与负载系统5个部分组成。

1.光伏电池阵列

光伏电池是组成光伏发电系统的电源，单个光伏电池功率较小，为满足不同负载的供电需要，将光伏电池串、并联后统一封装构成光伏电池模块（Photovoltaic Module，PVM），这是目前光伏电池的主要存在及应用形式，用户可根据需要构建任意功率的光伏电池模块。如果光伏发电系统中所需功率超过光伏电池模块功率，需将同规格的光伏模块串联或并联起来构成光伏阵列（PV Array），以便为系统提供更大的输出功率。

2.充/放电控制器

充/放电控制器主要是把光伏阵列输出的电压存入储能系统和释放给逆变器。由于光伏阵列输出的功率是日照强度和模块温度的非线性函数，存在着最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）问题，如果不加以控制就直接给负载提供能量，则不能把光伏电池模块转换的能量最大限度地存储在储能系统中，因此还需要增加MPPT控制功能。

3.逆变器

光伏电池输出的是准直流电，而包括电网在内的许多用电场合是交流电，因此逆变器是光伏发电系统中的一个关键环节。它的主要功能是将直流电转变为与交流电网或本地交流负载相匹配的交流电。该环节的主要指标是高可靠性和高转换效率。

4.储能系统

光伏电池只有在白天有阳光时才能发电，而人们的一般用电时间是在晚上，所以储能单元（主要是蓄电池）可以在白天将太阳能储存起来以供人们夜间使用，同时也可起交流电网断电时不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的功能，为本地重要交流负载供电。这种以蓄电池作为储能环节的光伏发电系统称为“可调度式光伏并网发电系统”。尽管这种系统在功能上有很多的优点，如作为UPS、可根据运行需要控制并网输出功率以实现一定的电网调峰功能等，但增加了储能环节后，系统成本增加，而且蓄电池的寿命短、体积笨重及存在污染等缺点极大地制约了可调度光伏并网发电系统的广泛应用。所以目前这种形式应用较少，而用得较多的是“不可调度式光伏并网发电系统”，其结构框图如图3-2所示，与“可调度式光伏并网发电系统”不同的是它不含蓄电池组储能环节。

不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。白天，当光伏系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分馈送给电网。当光伏系统产生的电能不能满足本地负载时，电网自动向负载提供补充电能。当电网故障或维修时，出于安全考虑，逆变器应停止工作，而且必须使逆变器、电网和负载三者电气断开，光伏并网系统不再向电网和负载提供电能。

不可调度式光伏并网发电系统和可调度式光伏并网发电系统相比，最大的不同处是系统中不再配有储能环节。可调度式光伏并网发电系统的主要优点表现在以下几方面：

1）逆变器一般由并网逆变器和蓄电池充/放电器两部分组成。其功能不仅是将光伏电池阵列产生的直流电能逆变后输向电网，同时还向蓄电池充电。

2）逆变器配备有主开关和负载开关。正常情况下，两者均闭合，当交流电网断电时，逆变器断开其本身的并网发电主开关，但本地负载开关仍保持闭合，以便光伏电池阵列和蓄电池组提供的直流电仍能通过逆变器向交流负载供电，对交流负载而言，系统兼具不间断电源（UPS）的作用。这对于诸如银行、医院、公共场所等重要负荷甚至某些家庭用户来说是十分具有吸引力的。

3）系统不仅能向电网馈送同频、同相的正弦波电能，而且还可作为电网终端的有源功率调节器，用于补偿电网终端缺乏的无功分量以稳定电网电压，同时亦可抵消有害的高次谐波分量，对提高电能质量极为有益。

4）大功率可调度式光伏并网发电装置可以根据运行需要自由确定并网电流的大小，这有益于电网调峰。电网负荷增加时，可以调度增加光伏并网发电装置的上网电流，有助于电网的运行质量。

可调度式光伏并网系统在功能上虽优于不可调度式光伏并网系统，也有若干严重的弱点，正是这些弱点使可调度式并网系统的应用规模还难与不可调度式相比较，这是因为：

1）蓄电池组的寿命较短。目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常为3年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在25～30年左右，因此只有为数较少的场合使用可调度式光伏并网系统。

2）蓄电池组的价格目前仍较高。

3）蓄电池组较为笨重，需占用较大空间，如有漏液，则会泄漏出腐蚀性液体。此外，报废的蓄电池必须进行后处理，否则将会造成“铅污染”。

4）不可调度式光伏并网发电系统的集成度高，安装和调试相对方便，可靠性也高。

根据以上的比较，选用哪种结构需根据具体情况来决定，没有哪种结构绝对优劣。

另外，由于光伏电池模块输出电压和系统的功率等级有关，为发挥光伏电池模块的效能，需根据光伏阵列的输出电压选择合适的光伏发电系统的结构。根据光伏系统功率情况，逆变器主要有集中式逆变器、集成式逆变器、串型逆变器以及多重串型逆变器4种结构，其结构原理框图分别如图3-3a～d所示。

表3-1给出了这4种逆变器结构的特性比较。

3.1.2 光伏发电系统的运行模式

光伏并网发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，可工作于独立运行模式、并网发电运行模式和混合运行模式3种。

1.独立运行模式

独立运行光伏发电系统的电能来源于光伏阵列。为了保证整个系统连续稳定运行，必须要使用蓄电池来调节电能。因天气等原因照度不足时，可由蓄电池提供能量；当太阳能充足时，可以将多余的能量存储于蓄电池中。充/放电控制器中通常都有一个保护和调节环节对太阳能充/放电的速率进行控制，以延长蓄电池的使用寿命。

虽然独立系统的构成分类有许多，但其基本原理都是将太阳能通过光伏器件转换成电能，再经过能量储存、控制、保护和能量变换等环节，最终提供以直流或交流形式的电能提供给负载，满足不同负载用户的要求。

2.并网运行模式

在公用电网的场合，光伏发电系统可直接与电网连接，在系统容量足够大而日照强度较大时，可将多余的电能馈送给电网，所以该系统对应的逆变器所输出的交流电要求满足并网的条件。

3.混合型运行模式

所谓混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的发电不足，或电池容量不足等因素带来的供电不连续。较为常见的混合系统是风光互补系统，系统结构框图如图3-4所示。

通常情况下，白天日照强，夜间风多。风能发电与太阳能发电具有很好的互补性，利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出，提高系统供电的稳定性和可靠性；在保证供电情况下，可以大大减少储能蓄电池的容量；对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风/光系统供电，无须起动备用电源和备用发电机，以此获得较好的经济效益。当然，风光互补联合发电系统存在一次性投资较大是一大缺点。

3.1.3 光伏逆变器的电路结构

光伏逆变器的电路结构根据有无变压器隔离主要分为隔离型和非隔离型，下面对这两种类型分别讨论。

1.隔离型光伏逆变器的结构

工频隔离型是光伏逆变器最常用的结构之一，其结构形式如图3-5所示。光伏电池输出的电能首先通过DC/AC变换器变为工频频率的交流电能，然后再经过工频变压器将这个交流电能变换成具有一定幅值的交流电能，该工频变压器同时完成电压匹配和隔离的作用。采用工频变压器的优点是主电路和控制电路简单，而且光伏阵列与DC/AC变换器输入电压的匹配范围较大。使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，具有结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好等优点。然而，工频变压器体积大的缺点，使得逆变器的外形笨重；此外，工频变压器系统效率较低，损耗了很多电能，不符合节能的要求。早期的逆变器主要采用的就是这种形式，随着电力电子技术的发展，高频隔离型逆变器已经逐渐取代了工频隔离型逆变器。

高频隔离型逆变器与工频隔离型逆压器的主要不同点在于前者在前级升压电路使用了高频变压器，取代了后级的工频变压器，其逆变效率大大提高，从而使逆变器的体积和重量大大减小。由于非晶材料、纳米材料等技术的发展，采用这些新材料制作的高频变压器的工作频率可以做得很高，如图3-6所示是一种高频光伏逆变器的结构形式。光伏电池输出的准直流电能通过DC/AC变换器转化为高频电能，再通过高频变压器转化为较高电压的交流电能，然后经过AC/DC变换和整流滤波，变换为具有较高电压的直流电能，最后再通过DC/AC变换为符合一定频率和电压要求的交流电能。高频变压器既有隔离作用又有升压作用，同时提高了逆变器的效率、减小了体积，是逆变器的发展趋势。这种结构同时具有电气隔离和重量轻的优点，而且效率得到了提高。其缺点是功率等级一般较小，所以这种结构集中在5kW以下；高频工作的工作频率较高，一般为几十kHz或更高，系统存在EMI问题；系统的抗冲击性能差。

逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。因此，隔离型的两种结构中，高频隔离型是逆变器的发展趋势。

2.非隔离型逆变器的结构

相对于隔离型光伏逆变器，非隔离型光伏逆变器中没有了变压器，避免了变压器电磁转化环节上的能量损耗，进一步提高了光伏发电系统的转化效率。在非隔离系统中，系统的结构变简单、重量变轻，成本也就降低了。非隔离型光伏逆变器又可以分为单级和多级两类，如图3-7所示。

单级非隔离型光伏逆变器的结构如图3-7a所示，逆变器直接将直流电能转化为交流电能。为了使直流侧电压满足逆变交流输出的电压等级，一般是将多个光伏阵列串联，使其具有较高的输出电压，省去了笨重的工频变压器。其特点是效率高、重量轻、结构简单，成本低。但光伏电池板与电网没有电气隔离，光伏电池板两极有电网电压，对人身安全不利，这对于光伏电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象。

多级非隔离型光伏逆变器的结构如图3-7b所示，光伏电池输出的准直流电先经过DC/DC转化为较高电压的直流电，再经过DC/AC将直流电转化为符合用电设备要求的交流电能。整个系统由DC/DC和DC/AC两（或多）级功率变换部分组成。由于系统中包含多级功率变换部分，不需要刻意将多个光伏阵列串联在一起，也不需要变换比很高的DC/AC变换器，所以在实际应用中多采用多级非隔离型光伏逆变器的结构。由于加入了Boost或Buck/Boost电路用于DC/DC直流输入电压的提升，所以光伏电池阵列的直流输入电压范围可以很宽，这种结构越来越成为市场的主流。同样，光伏电池板与电网没有电气隔离，光伏电池板两极有电网电压。由于电路中使用了高频DC/DC，EMC难度加大。

除了以上两种非隔离型的结构，多DC/DC（MPPT）、单逆变系统也比较常见。结构如图3-8所示。这种结构主要区别于以上两种结构的特点是每一路光伏阵列采用单独DC/DC结构。由于具有多个DC/DC电路，适合多个不同倾斜面阵列接入，即阵列1～n可以具有不同的MPPT电压，十分适合应用于分布式光伏发电系统。由于每路光伏阵列单独工作，系统整体的可靠性得到了提高。

3.1.4 光伏逆变器的主要技术指标

合格的逆变器需要有许多重要指标，主要的技术指标如下。

1.输出电压的稳定度

在独立型光伏系统中，光伏电池发出的电能先由蓄电池储存起来，然后经过逆变器逆变成交流电。但是蓄电池受自身充放电的影响，其输出电压的变化范围较大，如标称12V的蓄电池，其电压值可在10.8～14.4V之间变动（超出这个范围可能对蓄电池造成损坏）。对于一个合格的逆变器，输入端电压在这个范围内变化时，其稳态输出电压的变化量应不超过额定值的±5%；同时当负载发生突变时，其输出电压偏差不应超过额定值的±10%。

在并网型光伏发电系统中，光伏电池输出的电压受环境的影响而发生变化，此时同样要求逆变器要输出稳定的交流电能。

2.输出电压的波形失真度

对正弦波逆变器，应规定允许的最大波形失真度（或谐波含量）。通常以输出电压的总波形失真度表示，其值应不超过5%（单相输出允许10%）。由于逆变器输出的高次谐波会在感性负载上产生涡流等附加损耗，如果逆变器波形失真度过大，会导致负载部件严重发热，不利于电气设备的安全，并且严重影响系统的运行效率。

3.额定输出频率

对于包含电动机之类的负载，如洗衣机、电冰箱等，由于其电动机最佳频率工作点为50Hz，频率过高或者过低都会造成设备发热，降低系统运行效率和使用寿命，所以逆变器的输出频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50Hz，正常工作条件下其偏差应在±l%以内。

4.负载功率因数

负载功率因数表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。在负载功率一定的情况下，如果逆变器的功率因数较低，则所需逆变器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同时光伏系统交流回路的视在功率增大，回路电流增大，损耗必然增加，系统效率也会降低。

5.逆变器效率

逆变器的效率是指在规定的工作条件下，其输出功率与输入功率之比，以百分数表示。一般情况下，光伏逆变器的标称效率是指纯阻负载，80%负载情况下的效率。由于光伏系统总体成本较高，因此应该最大限度地提高光伏逆变器的效率，降低系统成本，提高光伏系统的性价比。目前主流逆变器标称效率在85%～96%之间，对小功率逆变器，要求其效率不低于90%。在实际的光伏发电系统中，不但要选择高效率的逆变器，同时还应通过系统合理配置，尽量使光伏系统负载工作在最佳效率点附近。

6.额定输出电流

额定输出电流表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的输出电流。有些逆变器产品给出的是额定输出容量，其单位以V·A或kV·A表示。逆变器的额定容量是当输出功率因数为1（即纯阻性负载）时，额定输出电压与额定输出电流的乘积。

7.保护措施

一款性能优良的逆变器，应具有完备的保护功能或措施，以应对在实际使用过程中出现的各种异常情况，使逆变器本身及系统其他部件免受损伤。

8.起动特性

起动特性表征逆变器带负载起动的能力和动态工作时的性能，逆变器应保证在额定负载下可靠起动。

9.噪声

电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过80dB，小型逆变器的噪声应不超过65dB。