微型光伏逆变器拓扑及相关技术研究综述
微型逆变器研究报告
微型逆变器研究报告1. 引言微型逆变器是一种能够将直流电转换为交流电的装置，通常用于太阳能发电系统、风力发电系统等可再生能源系统中。
本研究旨在对微型逆变器的工作原理、性能及应用进行深入研究和分析，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
2. 工作原理微型逆变器的工作原理主要基于电力电子技术，通过将直流电源经过整流、滤波等处理后，通过逆变器电路将其转换为交流电。
逆变器电路一般采用高频开关器件（如MOSFET、IGBT等），通过高频开关操作使得直流电源产生相应的交流电信号。
具体而言，逆变器电路由多级变换单元组成，每个变换单元包含开关器件、滤波电容、电感等元件。
逆变器通过控制开关器件的导通与断开，来实现电压、电流等参数的调节。
3. 型号及特性微型逆变器的型号和特性会因不同厂家和应用而有所差异。
一般而言，微型逆变器可以根据其输出功率、输入电压范围、效率等参数进行分类。
在太阳能发电系统中，微型逆变器通常以不同的功率等级来满足不同的需求。
常见的型号包括100W、500W、1kW等。
此外，微型逆变器还具有宽输入电压范围、高效率转换等特点。
4. 应用领域微型逆变器主要用于可再生能源发电系统中，包括太阳能发电、风力发电、水力发电等。
其主要应用领域包括：•家庭光伏发电系统：通过安装太阳能光伏板将太阳能转化为电能，再通过微型逆变器转换为交流电以供家庭使用；•农村电网建设：通过微型逆变器将农村分散的太阳能发电系统接入电网，实现可再生能源的利用；•户外应急电源：在野外无电区域，通过微型逆变器将太阳能或风力发电转换为交流电，为户外设备供电。
5. 优势和挑战微型逆变器相比传统逆变器具有以下优势：•尺寸小巧：相对于传统逆变器，微型逆变器体积更小，便于安装和布置；•高效率：微型逆变器采用先进的电力电子技术和控制策略，能够提供高效率的转换；•多功能性：微型逆变器可以与其他设备和电力系统进行联动，实现智能控制和能量管理。
然而，微型逆变器也面临一些挑战：•热管理：由于微型逆变器功率密度较高，可能会产生较多的热量，热管理成为一个重要的问题；•可靠性和稳定性：微型逆变器的可靠性和稳定性对于能源系统的运行至关重要，需要进行严格的设计和测试。
微型光伏逆变器设计要素及拓扑结构
微型光伏逆变器设计要素及拓扑结构1.微型逆变器设计要素与整个系统使用一个逆变器相比，为系统内每个太阳能电池组件都配备一个微型逆变器会再次提升整个系统的转换效率。
微型逆变器拓扑的主要好处是，即便其中一个逆变器消失故障，能量转换仍能进行。
设计微型逆变器需要考虑的要素如下：1）变换效率高。
并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率，为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网微型逆变器具有较高的变换效率。
2）牢靠性高。
由于微型逆变器直接与太阳能电池组件集成，一般与太阳能电池组件一起放于室外，其工作环境恶劣，要求微型逆变器具有较高的牢靠性3）寿命长。
太阳能电池组件的寿命一般为二十年，微型逆变器的使用寿命应当与太阳能电池组件的寿命相当。
4）体积小。
微型逆变器直接与太阳能电池组件集成在一起，其体积越小越简单与太阳能电池组件集成。
5）成本低。
低成本是产品进展的必定趋势，也是微型逆变器市场化的需求。
认真权衡这些高层次要求是确定MCU需要哪些功能的最好方法，例如，当并联太阳能电池组件时需要负载平衡掌握。
所选MCU 必需能检测负载电流以及能通过开/关掌握MOSFET上升或降低输出电压，这需要一个高速片上ADC来采样电压和电流。
对于针对光伏逆变器应用所设计的MCU，一个极具价值的特性是双片上振荡器，可用于时钟故障检测以提高牢靠性。
能够同时运行两个系统时钟的力量也有助于削减太阳能电池组件安装时消失的问题。
由于在微型逆变器设计中分散了如此多的创新，对MCU来说，其最重要的特性或许就是软件编程力量，该特性使得在电源电路设计和掌握中拥有最高的敏捷性。
片上集成恰当的掌握外设以及高模拟集成度是保证系统低成本的两个基本要素，为执行针对优化转换、系统监控和能量存储各环节中的效率所开发出的算法，高性能也是必需的。
2.微型逆变器拓扑结构微型逆变器的特别应用需求，打算了其不能采纳传统的降压型逆变器拓扑结构，如全桥、半桥等拓扑，而应当选择能够同时实现升降压变换功能的变换器拓扑，除能够实现升降压变换功能外，还应实现电气隔离；另一方面，高效率、小体积的要求打算了其不能采纳工频变压器实现电气隔离，需要采纳高频变压器。
一种应用于单相光伏微型逆变器的电路拓扑分析
d. 桥式逆变负载电流波形图
e.原边电流i 1的波形图
f.副边电流i 2的波形图
图5 仿真各波形图
表1 不同占空比下的前级升压及逆变电路的整体效率
占空比D 桥式逆变输出电压 U O 有效值/V
0.8350.00.7222.70.6146.00.5120.00.495.0时间/ms
时间/ms
时间/ms
440
124801026-2
500
480460
231.90231.94231.92231.96231.91231.95231.93231.97
520
540
70.69
70.72
70.68
70.71
70.70和二极管反向恢复电流造成i 1的波形与理论存在误差，而图5f 中i 2的波形基本与理论分析一致。
另外，本次仿真实验改变占空比D ，得到不同的前级升压等级，由此得到后级逆变电路的不同输出电压、电流及该条件下升压电路和逆变电桥式逆变负载电流
位移/mm
图8 负风作用下位移分布
采用牛顿-拉普森计算方法和以离散化理论为基础的节点位移法[5]，进行几何非线性(大位移)分析，考察结构在变形后的再平衡，即确定荷载态构形和结构各单元的内力变化。
6 结语
1)位移较大的单层悬索体系不适合光伏阵列直接悬挂。
2)索桁架的预应力的建立是其获得必要的结构刚度和形状稳定性的必要措施。
3)预应力结构要考虑零荷载态(构的加工状态)、预应力态(仅预应力或预力与自重共同作用)及荷载态(全部荷载，考虑多荷载组合)，并进行张拉全过程模分析及评价。
4)张拉过程分析是优选预应力张拉方案的基 (接第41页)
参考文献。
光伏微型逆变器研究综述
光伏微型逆变器研究综述摘要：主要对采用改进型功率解耦方案的微型逆变器拓扑进行了综述。
阐述了微型逆变器光伏并网方案的优势，说明了微型逆变器的设计要求。
通过对微型逆变器的拓扑结构和功率解耦环节进行分析，指出功率解耦环节是影响逆变器寿命的主要因素。
归纳了能有效提高微型逆变器寿命的三种改进型功率解耦方案，结合国内外研究现状，重点介绍了单级式与多级式微型逆变器拓扑，并说明了各类型拓扑的优点和不足之处。
根据微型逆变器的特点和发展前景，对今后的研究方向做了展望。
关键词：光伏并网系统；微型逆变器；功率解耦；寿命；可靠性；综述Abstract: Micro-inverter topologies with enhanced power decoupling circuit are reviewed in this paper．Firstly，according to the comparison of different photovoltaic grid-connected systems，this paper expounds the advantages of micro-inverter systemsand analyzes the design requirements of micro-inverter．By analyzing the structure and power de coupling link of micro-inverter it points out that the power decoupling link is the main factorthat affecting the lifetime of micro-inverter．Based on the existing research at home and abroad, t his paper summarizes three power decoupling schemes which can increase the lifetime of micro-in verter．Different topology types are discussed，includingsingle-stage and multi-stage micro-inverter topologies．Their merits anddrawbacks are described．Finally，considering the characteristics and future prospects of micro- inverter，the key points of the future research are discussed．Key words : PV grid-connected system；micro-inverter；power decoupling；life-time；reliability；review0 引言在全球性能源危机的影响下，寻求高效、持续、清洁的新能源成为当今国际发展的主题之一。
光伏并网逆变器拓扑结构的研究
光伏并网逆变器拓扑结构的研究刘 凯* 丁竹青 黄 勇 山东化工职业学院 潍坊 261108摘要 本文主要对光伏发电的核心部分——逆变器的拓扑结构进行介绍，在传统拓扑构造的基础上，分析几种新型的拓扑结构，对其工作原理进行理论分析，并通过仿真验证理论分析的合理性。
关键词 光伏并网 逆变器 拓扑结构 理论分析*刘 凯：讲师。
2013年毕业于中国石油大学（华东）动力工程及工程热物理专业获硕士学位。
现从事职业教育工作。
联系电话：133****7766， E-mail ：****************。
太阳能作为一种新能源，已经广泛应用于人类社会生活中，其中太阳能发电技术比较成熟，运营成本较低，更是解决能源短缺和环境污染的有效途径之一。
光伏并网发电系统中，光伏并网逆变器作为发电系统的核心部分，将太阳能组件与电网进行了有效的连接，对电力系统的安全稳定运行起着非常重要的作用。
1 传统电压逆变器光伏并网发电，是将光伏阵列产生的直流电转变为符合市电电网要求的工频交流电，并将其接入电网的过程。
逆变器则是可将直流电转换为交流电的电力变换设备，由于太阳能组件发出的是直流电，一般的负载多数为交流负载，因此，逆变器是太阳能发电技术中必不可少的一部分。
逆变器作为发电系统的重要组成，其太阳能发电的效率与逆变器的性能息息相关。
传统的光伏并网发电系统见图1，该系统是由太阳能组件、去耦大电容、传统逆变器、滤波电感部分和电网构成，其核心为传统电压源逆变器，通过驱动信号控制六个开关管的导通和关断而得到正弦规律变化的平均电压。
传统电压源逆变器结构简单，元器件少，但存在一些固有缺点：①由于直流侧并联大电容，相当于电压源，回路不允许短路，交流侧要求接感性负载或串接电感，以保证电压源逆变器可靠工作；②传统电压源型逆变器只可实现降压，其输出的交流电压低于直流母线上的电压，若希望得到较高的输出电压，需通过升压变换器将直流侧电压升高，从而满足电网电压的要求，增加升压变换器的发电系统可称为两级式并网发电系统，控制电路为级间控制，控制复杂，而且效率降低，成本较高；③逆变桥同一桥臂的上下两只开关管不允许同时导通，否则会工作在直通短路状态，为防止直通，需要加入死区时间，造成能量转换效率低，投入成本较高等。
光伏逆变器关键技术研究与设计
光伏逆变器关键技术研究与设计光伏逆变器是光伏系统中至关重要的组件，它将直流光伏电能转化为交流电能，以满足电网接入或直接供电的需求。
在光伏逆变器的设计与研究过程中，存在着许多关键的技术问题需要解决。
本文将重点探讨与光伏逆变器关键技术相关的问题，包括功率拓扑结构选择、智能控制技术、提高效率与可靠性等方面的内容，并提出相应的解决方法。
1. 功率拓扑结构选择光伏逆变器的功率拓扑结构直接影响着其性能和效率。
常见的功率拓扑结构包括单相桥式逆变器、全桥逆变器、多电平逆变器等。
在选择功率拓扑结构时，需要综合考虑系统的效率、成本、可靠性等因素。
单相桥式逆变器成本较低，但效率较低；全桥逆变器效率高，但成本较高；多电平逆变器能够提高系统效率和减小谐波，但造价昂贵。
因此，在设计光伏逆变器时，需要根据实际需求综合评估各种拓扑结构的特点，并选择最适合的拓扑结构。
2. 智能控制技术光伏逆变器的智能控制技术是实现其高效稳定运行的关键。
智能控制技术包括最大功率点追踪（MPPT）算法、电流闭环控制、电压闭环控制等。
其中，MPPT算法能够实时调整光伏阵列的工作点，使其始终工作在最大功率点，从而最大限度地提高光伏系统的输出功率。
电流和电压闭环控制能够实现光伏逆变器的稳定运行和系统保护。
因此，在光伏逆变器的设计过程中，应结合实际需求，选择合适的智能控制技术，并进行合理、精确的参数设计。
3. 提高效率与可靠性光伏逆变器的效率和可靠性是影响其运行质量的关键因素。
在提高效率方面，可以从两个方面进行优化。
首先，通过优化功率器件的选择和设计，减少开关损耗，提高转换效率。
其次，通过优化MPPT算法和智能控制技术，确保光伏阵列始终工作在最大功率点，充分利用太阳能资源。
在提高可靠性方面，可以采取多级保护措施，如过压、欠压、过流、过热等保护机制，以应对各种异常工作情况，减少故障率。
此外，光伏逆变器的设计还应考虑到实际应用环境的特点，如气候条件、电网要求等。
微型光伏逆变器拓扑及相关技术研究综述
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. 微型光伏逆变器拓扑及相关技术研究综述[J]. 电气工程, 2017, 5(1): 12-24. https:///10.12677/jee.2017.51003
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 2.1 GW。
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。而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。
Journal of Electrical Engineering 电气工程, 2017, 5(1), 12-24 Published Online March 2017 in Hans. /journal/jee https:///10.12677/jee.2017.51003
升压半桥型光伏并网微型逆变器升压变换拓扑的研究
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・
分布式 电源及并 网技术 ・
低压 电器 （ ２ ０ １ ３ Ｎ ｏ ． １ １ ）
升 压 半 桥 型 光 伏 并 网微 型 逆 变 器 升 压 变 换 拓 扑 的 研 究
刘骏 亚 ， 苏建徽 ， 秦 拮 ２ ３ ０ ０ ０ ９ ） （ 合肥 工业 大学 教 育部 光伏 系统工程研 究 中心 ， 安徽 合 肥
ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｔ ｏ ｐｏ ｌ ｏ ｙ ｇ ｗａ ｓ ｖ ｅ ｉｆ ｒ ｉ ｅ ｄ ｔ ｈｒ ｏ ｕｇ ｈ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｔｈｅ ｔ ｏ ｐ ｏ ｌ ｏ ｙ ｇ ｈ ａ ｓ ａ ｓ ｉ ｍｐｌ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｗｈｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｅ ａ ｓ ｙ ｔ ｏ
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韩雪，高圣伟
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). /licenses/by/4.0/
Journal of Electrical Engineering 电气工程, 2017, 5(1), 12-24 Published Online March 2017 in Hans. /journal/jee https:///10.12677/jee.2017.51003
韩雪，高圣伟
集中式逆 变器
组串式逆 变器
多组串式逆 变器
DC AC
DC AC
DC AC
DC DC
DC DC
DC AC
微型逆变 器
DC AC
DC AC
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
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 300 W 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 被遮挡的情况下，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]。
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。而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。
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. 微型光伏逆变器拓扑及相关技术研究综述[J]. 电气工程, 2017, 5(1): 12-24. https:///10.12677/jee.2017.51003
Keywords
Micro-Inverter, Photovoltaic System, Power Decoupling, Leakage Current, SiC Power Device
微型光伏逆变Biblioteka 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
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
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 10 kW 以上的三相高压场合，其体积大，安装复杂，逆变器一旦出现故障，将会涉及大量能量传输被 打断；组串式逆变器应用在低于 10 kW 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；多组串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串进行，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]。
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。
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 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，混合桥由两个晶闸管和两 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 流波。其中输入电压为 30~45 V，输出电压为 220 V，开关频率为 50 HZ，Lm1 = 7.91 uH，LLK1 = 7.91 nH， LLK2 = 7.91 nH，Cr = 470 nF，Co = 150 nF，Lf = 5.6 mH，Cf = 33 nF。
Review of Photovoltaic Micro-Inverter Topology and Related Technologies
Xue Han, Shengwei Gao
School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin Polytechnic University, Tianjin
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 2.1 GW。
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 20~40 V 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 Lr = 2.2 uH，Cr = 510 nf，Lm = 10 mH，Lf = 300 uH，Lo = 1 mH，Co = 1 uF， 峰值效率可达 98.5%。
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 竞争，应尽量减少不必要的损耗。
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。
13
Received: Mar. 2nd, 2017; accepted: Mar. 20th, 2017; published: Mar. 24th, 2017
Abstract
In order to find the best solution to reduce costs and improve efficiency and reliability of micro-inverter, topologies of micro-inverter in photovoltaic power generation system are reviewed in this paper. Firstly, the advantages of grid-connected micro-inverter and its design objectives are introduced. Combined with the research status at home and abroad, this paper analyzed the typical single-stage and multi-stage micro-inverter topologies, and their advantages and disadvantages are discussed. Aiming at problems existing in micro-inverter, power decoupling technique, elimination 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 of all kinds of inverter topology, the research direction and future prospects of development are expected in this paper.
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。