微型逆变器的基本拓扑结构优化方案

4.5.2.1 微型逆变器拓扑结构概述

微型逆变器（MI）已经进入商业化应用阶段，但是相比于组串式和集中式逆变器仍然是一个较新的应用领域。而电力电子技术是微型逆变器的核心，对提高微型逆变器的性能，推动微型逆变器的持续快速发展具有很重要的作用。MI要求先将输入的低直流电压升压后再转化为交流电并入电网，故其拓扑结构要求由DC/DC变换电路和DC/AC变换电路组合而成。而每一类变换器的主电路拓扑结构又存在多种形式，比如DC/DC变换电路，它可以分为BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、SEPIC、ZETE变换电路以及正激、反激、推挽、半桥、全桥变换电路，而DC/AC逆变电路可以分为推挽逆变、半桥逆变和全桥逆变电路，因而MI拓扑结构类型十分繁多。

目前微型光伏并网逆变器常见的分类方式如图4-60所示。

4.5.2.2 按功率变换级数分类的微型逆变器拓扑

如果按逆变器的功率变换级数分类可以将微型逆变器分为单级式微型逆变器和两级式微型逆变器。

（1）单级式微型逆变器

单级式MI的典型拓扑结构如图4-61所示，该结构采用DC/DC变换器和工频变换器串联的MI结构。由于工频变换器不存在高频调制，因此通常将这种DC/DC变换器和工频变换器的串联结构归为单级变换器结构。目前针对单级式微型逆变器的研究多集中在反激式电路结构上，该类型逆变器所用器件少、成本低、可靠性高，适合应用于小功率场合。

图4-60 MI分类

图4-61 单级式结构的MI

以Enphase等公司产品为代表的单级式微逆原理结构如图4-62所示，该电路采用反激变换器在实现MPPT控制的同时，使高频变压器二次侧输出双正弦半波的直流电，再经过晶闸管工频变换器逆变后实行并网。

（2）两级式微型逆变器

两级式MI的典型拓扑结构如图4-63所示，该结构采用DC/DC变换器和DC/AC逆变器串联结构，其DC/DC变换器和DC/AC逆变器均采用高频PWM调制，因此是典型的两级变换器结构。其中前级DC/DC变换器在实现对光伏组件最大功率点跟踪控制的同时，实现光伏组件输出电压的升压功能，以满足后级DC/AC逆变器的并网逆变控制要求。而后级DC/AC逆变器在完成并网控制的同时，实现直流稳压控制。两级式MI应对功率平衡问题具有先天优势，可以实现输入功率与输出功率解耦，然而相对于单级式MI而言，其损耗相应增加。

图4-62 采用准谐振反激变换器的单级式MI电路

图4-63 两级式结构的MI

图4-64所示为典型的两级式微型逆变器电路拓扑，该电路采用推挽式电压型高频链拓扑结构：前级采用推挽升压电路，适用于低压大电流的场合，正好满足微型光伏发电系统的要求；后级采用单相全桥逆变电路，采用SPWM控制，再通过滤波电感得到220V、50Hz交流输出接入电网。

图4-64 采用推挽式电压型高频链结构的两级式MI电路

4.5.2.3 按直流母线结构分类的微型逆变器拓扑

如果按逆变器的直流母线结构分类可以将微型逆变器分为含直流母线结构、含伪直流母线结构和不含直流母线结构的微型逆变器。

（1）含直流母线结构的微型逆变器

含直流母线结构的MI一般拓扑结构如图4-65所示，主电路可以分为DC/DC和DC/AC两级。第一级DC/DC电路主要有两个功能：一是实现MPPT算法；二是把光伏组件较低的输出电压升到并网逆变所需要的直流母线电压。第二级DC/AC电路主要用来实现并网功率控制和锁相功能。显然，这是一种典型的两级式MI拓扑结构。

图4-65 含直流母线结构的MI一般拓扑结构

根据输入级的DC/DC电路一般采用隔离式电路拓扑，为了实现较高的增益，可以用反激、推挽、半桥和全桥等常见拓扑。由于在相同的输入电压条件下，全桥逆变器的输出电压是半桥式的两倍，也就是在相同输出功率的条件下，全桥逆变器的输出电流仅为半桥的一半，因此若考虑较高功率应用场合，一般需采用全桥逆变器。利用变压器可以容易实现较高的电压增益，但是这些拓扑的共同特点是变压器匝数比过大，较大的一次电流导致漏感损耗较大，隔离电路的效率往往并不高。

含直流母线结构的MI中间存在直流环节，从而实现了DC/DC变换和DC/AC逆变器之间的解耦，前后级可以独立控制，控制相对较灵活，可靠性高，从而得到了广泛的应用，但是这种结构还存在一些缺点：

1）DC/DC和DC/AC两级功率变换降低了系统的可靠性和效率；

2）需要更大的直流滤波环节，从而增加了系统的体积和损耗；

3）DC/AC电路工作在高频PWM模式，开关损耗较大。

含直流母线结构的MI主要有反激式、推挽式、半桥式和全桥式几种典型的拓扑结构，相应的电路拓扑如图4-66所示。

图4-66a是由反激变换器和全桥逆变器组成的反激式含直流母线的微型逆变器结构。其中输出级的全桥逆变器采用高频PWM控制，并且桥路中增加了两个辅助二极管，一方面防止逆变器初始连接电网时的电流冲击，另一方面防止电网电流向直流侧回馈，以下系统的辅助二极管也可起同样的作用。

反激式含直流母线的微型逆变器其电路结构简单，但由于反激式变换器的功率受到限制，且变压器铁心磁状态工作在最大的直流成分下，需要铁心开较大的气隙，并使铁心体积较大，因此这种拓扑并不常用。

图4-66b是由推挽变换器和全桥逆变器组成的推挽式含直流母线的微型逆变器结构。其输入级采用推挽升压电路，适用于低压大电流的场合，正好满足交流模块（AC Module）光伏系统的要求；而后级的单相全桥逆变器采用高频PWM控制，并通过滤波电感接入220V、50Hz工频电网。推挽式含直流母线的微型逆变器结构十分适合应用于独立光伏组件的并网发电，也是最常用和最有效的拓扑。此电路的最大缺点是变压器绕组利用率低，功率开关管耐压应力为输入电压的两倍，同时会出现偏磁现象，且推挽式变换器的效率还有待进一步改善。(www.xing528.com)

图4-66 几种含直流母线的MI典型电路拓扑

a）反激式 b）推挽式 c）半桥式 d）全桥式

图4-66c结构是由半桥式变换器和全桥逆变器组成的半桥式含直流母线的微型逆变器结构。由于输入级半桥式变换器的电压利用率低，功率开关管的电流应力较大，不适合于MI系统输入电压低、输入电流大的应用特点，因此一般不采用此拓扑结构。

图4-66d是由全桥式变换器和全桥逆变器组成的全桥式含直流母线的微型逆变器结构。由于全桥式变换器功率开关管较多，一般用于较大功率的场合，显然，这种拓扑结构也不适用于输入电压低、小功率的MI场合。

针对前面介绍的推挽式含直流母线的微型逆变器的DC/DC变换器效率低，且可能出现磁偏等问题，参考文献提出了一种改进的MI拓扑，其系统结构如图4-67所示。该拓扑采用了一种新型的ZVCS串联谐振推挽DC/DC变换器和全桥并网逆变器串联的结构。串联谐振DC/DC变换器是利用变压器的漏感和主电路中电容以及开关管的寄生电容形成谐振电路，使得变换器开关工作在ZVCS软开关状态，从而有效地提高了DC/DC变换器的效率，并利用变压器二次侧的串联谐振电容有效抑制了偏磁。

图4-67 含直流母线的ZVCS串联谐振推挽式MI拓扑

以上所述的含直流母线的微型逆变器拓扑结构均含有直流环节，因此，前级直流升压变换器和后级逆变器可实现解耦控制。

（2）含伪直流母线结构的微型逆变器

含伪直流母线结构的MI一般拓扑结构如图4-68所示，该拓扑实际上就是上述的单级式微型逆变器结构。该拓扑类型控制简单，仅对前级控制即可，后级电路工作在工频状态，能有效降低开关管的损耗。

图4-68 含伪直流母线结构的MI一般拓扑结构

含伪直流母线结构的MI拓扑常采用一种交错反激式MI拓扑，该拓扑由两路并联的交错反激电路和工频变换电路组成，如图4-69所示。采用两路交错并联的反激变换器，相当于开关频率倍增，能够减小输出电流的脉动，减小滤波元件的尺寸，减小输出电流的THD。美国Microchip公司在2010年发布的一款微逆产品方案就采样该拓扑形式，在国内外市场上具有竞争力的公司如APS（浙江昱能）和En-phase，其产品也是基于类似的拓扑结构。

图4-69 含伪直流母线结构的交错反激式MI拓扑

虽然交错并联反激变换器改善了反激变换器的性能，但是变换器工作在硬开关状态，效率较低。为此参考文献[40]提出了一种基于LLC谐振的微型逆变器方案，该方案采用LLC谐振变换器作为微型逆变器的DC/DC级，将光伏电池输出的直流电流转换为正弦半波直流电，通过后级的工频变换器电路变换成为与电网电压同频同相的交流电，如图4-70所示。LLC谐振变换器可使功率器件在全负载范围实现软开关，从而提高系统的效率。同时谐振元件L_r和L_m可以用变压器的漏感和励磁电感替代，从而提高了功率密度。对于LLC变换器而言，由于需要控制变压器二次侧输出正弦半波直流电，如果采用变频控制，则频率范围变化太宽，从而不利于磁性元件设计。因此，可以考虑定频与变频相结合的混合控制。

图4-70 基于LLC变换器的含伪直流母线结构的MI拓扑

（3）不含直流母线结构的微型逆变器

不含直流母线结构的MI一般拓扑结构如图4-71所示。该拓扑前级采用全桥逆变、推挽等电路形式，将光伏组件的直流输入电压转换为高频交流电压，经过变压器升压后，通过变压器二次侧的交-交变换器，将高频交流电直接变换成工频交流电实现并网控制。显然，这类MI实际上就是一种周波变换型高频链光伏并网逆变器。该类拓扑最大的优点在于没有直流母线，不需要耐高压、大容量的功率解耦电容，因此能够增加微型逆变器的寿命，减小微型逆变器的体积。

图4-71 不含直流母线结构的MI一般拓扑结构

针对上述设想，有学者提出了一种基于串联谐振电路的微型逆变器结构，如图4-72所示。变压器一次侧开关具有零电压开通的特性，因此该电路理论上具有较高的效率。但是变频控制频率变化范围宽，滤波器设计困难。当然，也可以在该拓扑结构的基础上考虑LLC谐振变换器，采用定频与变频混合控制策略，满足变换器功能的前提下减小开关频率的范围。该变换器为高频开关逆变器，把输入的直流电压逆变为SPWPM（正弦脉宽脉位调制）波，通过高频隔离变压器后，利用同步工作的交-交变换器把SPWPM波变换成SPWM波。由于电能变换没有经过整流环节，并且交-交变换器采用双向开关，因此该电路拓扑原理上可以实现功率双向流动。

图4-72 无直流母线的串联谐振式MI拓扑

采用无直流母线结构的MI，由于后级变换器使用双向开关元件，导致器件数目增多，控制相对较复杂，目前用于商业产品开发的实例比较少。但是该拓扑能够获得很高的功率密度和使用寿命，因此是未来MI拓扑研究的一个探索方向。

另外，为了消除电解电容，有学者提出在逆变器输入端增加一个功率解耦电路，将功率脉动转移到解耦电路，但效率非常低，只有70%。为此，美国SolarBridge公司应用Illinois大学香槟分校Krein教授提出了三端口微型逆变器方案^[41]，其电路拓扑如图4-73所示。该方案将脉动功率转移至变压器附加的第三方纹波绕组，并且其100W样机仅需不到10μF薄膜电容，但大量开关尤其是双向开关的引入，使得电路及其控制过于复杂，工程应用还需进一步改进。

图4-73 具有解耦电路的无直流母线三端口MI拓扑

（4）三类直流母线MI拓扑对比

表4-1对三类直流母线MI拓扑结构进行了对比。对于额定功率为200W左右的模块化光伏系统并网应用场合，微型逆变器的拓扑选择不仅要考虑效率的提高，还要兼顾电路的可靠性以及成本等因素。在众多的拓扑中，采用伪直流母线结构的反激式逆变电路具有结构简单、元件数量少等优点，得到了业界MI产品的广泛应用。

表4-1 三类直流母线MI拓扑结构对比

总之，从太阳能光伏发电系统角度来看，电池板的阴影问题依然具有一定的挑战性。阴影的变化、太阳电池板上的污垢和面板老化，都会对各个面板的电压构成影响，从而引起串联面板的输出电压发生变化。而光伏微型逆变器作为解决这一问题的有效方案，不仅能够实现组件级的最大功率点跟踪控制，而且能实现组件级的故障保护，同时可以简化线路设计。国内外专家一致认为，随着分布式光伏发电技术的推广应用，尤其是与建筑相结合的光伏发电系统的应用，微型逆变器在未来光伏并网系统中将具有广阔的应用前景。