光伏发电逆变器拓扑及关键技术综述

摘要：世界光伏并网发电技术日新月异，己进入一个高速、稳定、成熟的增长期。随之出现了许多的逆变器厂家，面临激烈的市场竞争，各厂家在逆变器拓扑方面不断推陈出新。一些创新拓扑及超越传统多电平技术的多电平拓扑的出现，极大地推动了光伏逆变器行业乃至电力电子行业的发展。在此主要介绍了目前光伏行业不同应用场合下的逆变器拓扑，并指出了未来逆变器拓扑的发展趋势及面临的新挑战和问题。
关键词：光伏发电；逆变器；拓扑

1 引言
当今能源环境愈渐恶化，传统能源逐渐枯竭，使得可再生能源得到了开发和利用，太阳能光伏并网发电借此也得到了迅猛发展。SiC，JFET，GaN和多电平功率模块等新器件及创新拓扑的出现，新型多电平技术代替传统两电平及飞跨电容，二极管箝位的多电平拓扑结构，这些已成功应用在光伏逆变器产品中，并带动了光伏逆变器向可靠、高效、低成本、高功率密度等多方面综合发展。同时，新拓扑的应用也带来了一些新问题、需要不断探索解决方案。

2 光伏发电逆变拓扑现状
对于不同的应用场合，光伏发电逆变器从微型逆变器到单相小功率、三相中功率、大功率，其拓扑表现形式不尽相同，尤其是近几年，多电平技术的运用已有所突破，传统两电平拓扑为主导的市场在效率、器件应力等方面取得了飞速发展。对于严苛的并网标准要求，在针对漏电流、低电压穿越及无功等方面也出现了一些新型拓扑。同时对于不同区域、国家的特殊标准，也产生了一系列的拓扑变形形式。
2．1 单相小功率逆变拓扑
传统小功率逆变器主要在家用屋顶上应用，拓扑以图1a所示的H4单相全桥为主，但因其存在漏电流而受到一定限制。为减小漏电流需改变调制策略，增加一些RC吸收电路或输出加隔离变压器进行隔离，导致逆变器效率下降，体积、重量增大，成本增加。德国SMA公司采用如图1b所示的H5结构，从根本上解决了漏电流问题。随后一系列解决漏电流的拓扑相继出现，国内以格瑞特、昆兰为代表如图1c所示的H6拓扑及在此基础上的演变拓扑，相对H5更能提高效率；例如近两年STECA公司推出的如图1d所示的双Buck拓扑，效率最高达98．8％。SUNGROW在小功率方面针对H6拓扑及STECA的高效拓扑也做了大量研究，并申请了多项专利，其效率也接近世界顶尖STECA水平。可见，高效抑制漏电流的拓扑架构，满足低压电网指令，支持无功调节是小功率逆变器面临的技术难题。

2．2 三相中功率逆变拓扑
业界三相中功率逆变器主要在商业屋顶及地面电站上应用，拓扑主要有两电平、I型和T型三电平，随着SiC，JFET，GaN等新器件及功率器件模块的出现和应用，现在三相中功率逆变拓扑效率高达99％，但由于新器件成本相对传统IGBT高出很多，使其产品化应用受到一定限制，为了达到更加高效，多电平拓扑最近几年在中功率逆变器上得到应用，如图2所示为以REFU公司为代表的五电平拓扑。对于中功率段的逆变器，抑制中点电位偏移的三电平算法，消除共模电压问题，满足中压电网指令，支持低电压穿越及无功调节，多台并联时抑制振荡的算法等都是需要不断克服的关键技术。SUNGROW陆续开发了高效、高可靠性的三相中功率产品，率先通过了德国中压电网指令相关要求的测试。