4.5.1.1 微型光伏并网逆变器产生的背景[36]
微型光伏并网逆变器，通常简称微型逆变器（Micro-Inverter，MI），是一种用于独立光伏组件并网发电系统（有时也称之为AC Module）的功率变换单元。由于传统的基于光伏组件串、并联的光伏并网系统，其结构缺乏系统的扩充性，且无法实现每块组件的最大功率点运行，若任一组件损坏，将会影响整个系统的正常工作，甚至瘫痪，另外，这种较高直流电压的系统还存在安全性和绝缘问题。于是，国外的专家学者于20世纪70年代提出了基于独立光伏组件的并网发电系统。然而由于当时技术的限制，这种思想没有在实际中应用。直到20世纪80年代末，美国ISET（International Solar Electric Technology）公司才真正对此做了深入研究，其中Kleinkauf教授在多篇论文中研究了基于AC Module的光伏并网发电思想，并强调其优点，当时称其为模块集成变换器（Module Integrated Converter），如图4-55所示。
20世纪90年代初，美国和欧洲就有几家公司开始研究此装置。第一台微型光伏并网逆变器是由德国的ZSW公司于1992年研制的，其功率只有50W，采用的是高频开关频率（500kHz）和隔离变压器。1994年，ZSW公司用同样的技术研制出100W的微型光伏并网逆变器。然而，由于这种小功率并网逆变器成本过高，以及电磁干扰等一系列问题，导致产品无法进入市场。在1994～1996年期间，欧洲的另外3个公司也开始研制并网逆变器，它们分别是Mastervolt（荷兰）、Alpha Real（瑞士）、OKE-Servics（荷兰）。在1997年，美国的AES公司研制出第一台投放市场的微型逆变器产品。近年来国内外的微型逆变器技术都取得了很大的进展。国外著名的Enphase公司生产的S280其功率等级为235～365W，最高效率可以达到96.8%。国内的昱能科技、山亿新能源、上海举胜电子等生产的微型逆变器产品最高效率均达到96%。
值得注意的是，不同的光伏组件对应的开路电压以及功率不同，故某一种型号的MI对应于各自独立的光伏组件，如：SHELL公司生产的Sunmaster-130S MI其功率为100W，对应模块的开路电压是24V；ASE公司生产的Sunsine 300 MI其功率为300W，对应模块的开路电压是36V；SOLAREX公司生产的MI250 MI其功率是240W，对应的模块开路电压是48V。由于光伏组件的型号不同，导致MI的产品系列也较多，其功率范围一般在80～250W之间，而功率大小则决定了MI的尺寸大小、价格高低以及所采用的技术。开关频率范围也从10k～500kHz不等。
在MI产品领域，Enphase Energy公司一直是这个行业的领先者。Enphase Mi-croinverters系统是第一个商业运行的MI系统，代表了目前最先进的MI系统技术，包括电力线通信和基于网页的监控与分析功能，Enphase Microinverters系统主要由图4-56所示的3部分组成。
图4-56 Enphase Microinverters系统3个组成部分
上述的Enphase Microinverters系统中：
微网并网逆变器（见图4-57）将直流转成交流，它从常规的一个大功率集中逆变器，变为一个紧凑的直接连接到电力系统中的每个太阳能模块的逆变单元。与传统的逆变器比较，它是一个将功率转换过程分配给每个模块，并使得整个太阳能光伏并网发电系统成为系统效率更高、更可靠、更智能、更安全的系统。
图4-57 Enphase Microinverters实物图
图4-58 Enphase EMU实物图
Enphase EMU（见图4-58）是一个通信网关，它收集每一个用户的太阳电池组件的性能信息，并将这些信息传输到Enlighten网站，用户可以通过Enlighten网站查看和管理他们各自太阳能发电系统的性能。
Enlighten网站（见图4-59）提供了很多关于太阳能系统和独立太阳能模块性能的信息。图形化的太阳能阵列提供了每个模块的基本信息。更多信息如电流和寿命性能等指标，展现给用户真实的信息，让他们知道安装太阳能的好处。另外，Enlighten还提供了移动设备接入支持，这使得用户任何时间任何地点都能够查看实时性能信息。
随着全球光伏市场的打开，未来的MI产品的市场也会迅速扩大，随着市场的激烈竞争，价格低、性能优、容易安装、监控精确、人机界面好的MI产品才是未来MI市场的主流。
随着技术进步和规模提高，微逆变器的成本有望进一步降低，效率也将进一步提高。随着分布式光伏特别是光伏建筑技术的应用与发展，未来微型逆变器的应用应该有着较好的发展前景。
图4-59 Enphase Enlighten网站实物图
4.5.1.2 微型光伏并网逆变器优缺点概述[37，38]
1.微型逆变器主要优点
1）对实际环境的适应性强，由于每一个光伏组件独立工作，对光伏板组件一致性要求降低，当实际应用中出现诸如阴影遮挡、云雾变化、污垢积累、组件温度不一致、组件安装倾斜角度不一致、组件安装方位不一致、组件细小裂缝和组件效率衰减不均等内外部不理想条件时，问题组件不会影响其他组件的工作，从而不会明显降低系统整体发电效率。
2）没有热斑问题。
3）采用模块化技术，容易扩容，即插即用式安装，快捷、简易、安全。另外，MI使光伏系统摆脱了危险的高压直流电路，具有组件切断能力，尤其是有利于防火。另外安装时组件不必完全一致，安装时间和成本将降低15%～25%，还可随时对系统做灵活变更和扩容。
4）体积较小，且单个MI的价格较便宜，所以一般的工业单位和家庭都可有自己的光伏发电基地。
5）使用标准的MI安装材料，可大大减少安装材料和系统设计的成本。
6）传导损耗降低，传输线价格也减少。
7）不同于传统集中式逆变器，每一个光伏组件有独立的MPPT，不存在光伏组件之间的不匹配损耗，可以实现发电量最大化。
8）无须串联二极管和旁路二极管。
9）系统布局紧凑，浪涌电压小。(www.xing528.com)
10）避免了单点故障，传统集中式逆变器是光伏系统的故障高发单元，而使用微逆变器不但消除了这一薄弱环节，而且其分布式架构可以保证不会因单点故障而导致整个系统的失灵。
2.微型逆变器的主要缺点
1）系统应用可靠性和寿命还不能与太阳电池模块相比。一旦损坏，更换比较麻烦。
2）与集中式逆变器相比，效率相对较低。但随着电力电子功率器件、磁性器件技术的发展，微型逆变器的效率将进一步提高，例如Enphase公司生产的S280其效率已达到96.8%，这样的效率已经接近普通逆变器的效率。
3）相对成本比较高。
4）集中控制困难。
4.5.1.3 微型光伏并网逆变器关键性技术[39]
微型逆变器不同于传统集中式光伏逆变器，其主要区别在于：
（1）微型逆变器输入电压低、输出电压高
单块光伏组件的输出电压范围一般为20～50V，而电网的电压峰值约为311V（AC 220V）或156V（AC 110V）。因此，微逆变器的输出峰值电压远高于输入电压，这要求微型逆变器需要采用具备升降压变换功能的逆变器拓扑；而集中式逆变器一般为降压型变换器，其通常采用桥式拓扑结构，逆变器输出交流侧电压峰值低于输入直流侧电压。
（2）功率小
单块光伏组件的功率一般在100～300W，微型逆变器直接与单块光伏组件相匹配，其功率等级即为100～300W，而传统集中式逆变器功率通过多个光伏组件串并联组合产生足够高的功率，其功率等级一般在1kW以上。
由于上述微型逆变器自身的这些特点，使微型逆变器的研发存在以下关键性技术。
（1）微型逆变器拓扑
微型逆变器的特殊应用需求决定了其不能采用传统的降压型逆变器拓扑结构，如全桥、半桥等拓扑，而应该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，还应该实现电气隔离。另一方面，高效率、小体积的要求决定了其不能采用工频变压器实现电气隔离，需要采用高频变压器。
可选的拓扑方案包括：高频链逆变器、升压变换器与传统逆变器相组合的两级式变换、基于隔离式升降压变换器的Flyback逆变器等几种，其中Flyback变换器拓扑结构简洁，控制简单、可靠性高，是一种较好的拓扑方案，目前Enphase等公司开发的微逆变器产品均是基于Flyback变换器，这在下一小节中将详细讨论。
（2）高效率变换技术
为了减小微型逆变器的体积，要求提高逆变器的开关频率。而开关频率的提高必然导致开关损耗升高、变换效率下降，因此小体积与高效率两者之间存在一定的矛盾。因此，高频软开关技术是解决两者矛盾的有效方法，因为软开关技术可以在不增加开关损耗的前提下提高开关频率。显然，研发简单而有效的软开关技术并将软开关技术与具体的微型逆变器拓扑相结合是微逆变器开发需要解决的关键问题之一。
（3）并网电流控制技术
传统的集中式并网逆变器中，一般采用电流闭环控制技术来确保进网电流与电网电压的同频同相，从而实现高质量的并网电流控制，如采用PI控制、重复控制、预测电流控制、滞环控制、单周期控制、比例谐振控制等控制方法，上述方法都需要采用电流霍尔等元件采样进网电流，进而实现并网电流的控制。
由于微型逆变器的小功率特色，为了降低单位发电功率的成本，且考虑到体积要求，开发新型的高可靠性、低成本小功率并网电流检测与控制技术是微型逆变器研发需要解决的另一个关键性问题。
（4）高效率、低成本最大功率点跟踪（MPPT）技术
光伏发电系统的效率为电池板的光电转换效率、MPPT效率和逆变器效率三部分乘积，高效率MPPT技术对光伏发电系统的效率提高和成本降低有十分重要的意义。常见的MPPT算法包括开路电压法、短路电流法、爬山法、扰动观察法、增量电导法以及基于模糊和神经网络理论的智能跟踪算法等，上述MPPT方法中一般需要同时检测光伏输出侧电压和电流，进而计算出并网功率。
微型逆变器的光伏侧输入电压低，因此光伏侧的电流较大。如果采用电阻检测输入侧电流，对微逆变器的整机效率影响较大，而采用霍尔元件采样光伏侧电流则会增加系统成本及逆变器体积。因此针对微型逆变器的特殊要求，需要开发新型的无需电流检测的高效率MPPT技术。
（5）孤岛检测技术
孤岛检测是光伏并网发电系统必备的功能，是人员和设备安全的重要保证。针对微型逆变器的特殊应用需求，开发简单、有效、零检测盲区、不影响进网电流质量的孤岛检测技术是微逆变器开发需要解决的一个重要课题。
（6）无电解电容变换技术
光伏组件的寿命一般为20～25年，要求微型逆变器的寿命必须接近光伏组件。然而电解电容是功率变换器寿命的瓶颈，要使微逆变器达到光伏组件的寿命，必须减少或避免电解电容的使用。因此研究和开发无电解电容功率变换技术是微型逆变器开发需要解决的另一个课题。
（7）信息通信技术
当多个微型逆变器组成分布式发电系统时，系统需要实时收集每个微型逆变器的信息，以实现有效的监测与管理，因此需要研究低成本、高效、高可靠性的信息通信技术。
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