光伏發電逆變器拓撲及關鍵技術綜述

摘要：世界光伏并網發電技術日新月異，己進入一個高速、穩定、成熟的增長期。隨之出現了許多的逆變器廠家，面臨激烈的市場競爭，各廠家在逆變器拓撲方面不斷推陳出新。一些創新拓撲及超越傳統多電平技術的多電平拓撲的出現，極大地推動了光伏逆變器行業乃至電力電子行業的發展。在此主要介紹了目前光伏行業不同應用場合下的逆變器拓撲，并指出了未來逆變器拓撲的發展趨勢及面臨的新挑戰和問題。
關鍵詞：光伏發電；逆變器；拓撲

1 引言
當今能源環境愈漸惡化，傳統能源逐漸枯竭，使得可再生能源得到了開發和利用，太陽能光伏并網發電借此也得到了迅猛發展。SiC，JFET，GaN和多電平功率模塊等新器件及創新拓撲的出現，新型多電平技術代替傳統兩電平及飛跨電容，二極管箝位的多電平拓撲結構，這些已成功應用在光伏逆變器產品中，并帶動了光伏逆變器向可靠、高效、低成本、高功率密度等多方面綜合發展。同時，新拓撲的應用也帶來了一些新問題、需要不斷探索解決方案。

2 光伏發電逆變拓撲現狀
對于不同的應用場合，光伏發電逆變器從微型逆變器到單相小功率、三相中功率、大功率，其拓撲表現形式不盡相同，尤其是近幾年，多電平技術的運用已有所突破，傳統兩電平拓撲為主導的市場在效率、器件應力等方面取得了飛速發展。對于嚴苛的并網標準要求，在針對漏電流、低電壓穿越及無功等方面也出現了一些新型拓撲。同時對于不同區域、國家的特殊標準，也產生了一系列的拓撲變形形式。
2．1 單相小功率逆變拓撲
傳統小功率逆變器主要在家用屋頂上應用，拓撲以圖1a所示的H4單相全橋為主，但因其存在漏電流而受到一定限制。為減小漏電流需改變調制策略，增加一些RC吸收電路或輸出加隔離變壓器進行隔離，導致逆變器效率下降，體積、重量增大，成本增加。德國SMA公司采用如圖1b所示的H5結構，從根本上解決了漏電流問題。隨后一系列解決漏電流的拓撲相繼出現，國內以格瑞特、昆蘭為代表如圖1c所示的H6拓撲及在此基礎上的演變拓撲，相對H5更能提高效率；例如近兩年STECA公司推出的如圖1d所示的雙Buck拓撲，效率最高達98．8％。SUNGROW在小功率方面針對H6拓撲及STECA的高效拓撲也做了大量研究，并申請了多項專利，其效率也接近世界頂尖STECA水平。可見，高效抑制漏電流的拓撲架構，滿足低壓電網指令，支持無功調節是小功率逆變器面臨的技術難題。

2．2 三相中功率逆變拓撲
業界三相中功率逆變器主要在商業屋頂及地面電站上應用，拓撲主要有兩電平、I型和T型三電平，隨著SiC，JFET，GaN等新器件及功率器件模塊的出現和應用，現在三相中功率逆變拓撲效率高達99％，但由于新器件成本相對傳統IGBT高出很多，使其產品化應用受到一定限制，為了達到更加高效，多電平拓撲最近幾年在中功率逆變器上得到應用，如圖2所示為以REFU公司為代表的五電平拓撲。對于中功率段的逆變器，抑制中點電位偏移的三電平算法，消除共模電壓問題，滿足中壓電網指令，支持低電壓穿越及無功調節，多臺并聯時抑制振蕩的算法等都是需要不斷克服的關鍵技術。SUNGROW陸續開發了高效、高可靠性的三相中功率產品，率先通過了德國中壓電網指令相關要求的測試。