光伏逆变器的研究现状综述(林志鸿)-电气开关2017
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最新光伏技术论文《光伏逆变器的研究现状综述(林志鸿)-电气开关2017》！
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10 《电气开关》(2017．No．5)
文章编号:1004 －289X(2017)05 －0010 －05
光伏逆变器的研究现状综述
林志鸿，李少纲
( 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)
摘 要:本文根据光伏逆变器所适用的功率等级，分为集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器，并对典型拓扑
结构进行了较为全面的介绍和分析，归纳和阐述了各类逆变器的优点和不足，还对光伏逆变器未来的发展趋势做
了展望，为进一步深入研究光伏逆变器，提供了借鉴和帮助。
关键词:光伏发电;光伏逆变器;拓扑结构;研究现状;发展趋势
中图分类号:TM464 文献标识码:B
A Ｒeview of the Current Ｒesearch Situation of Photovoltaic Inverters
LIN Zhi-hong，LI Shao-gang
( College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108)
Abstract: The photovoltaic inverters are divided into central inverter，string inverter and micro inverter by its power
grade．Describing and analyzing the typical topology comprehensively，summarizing and explaining the advantages and
disadvantages of various types of inverters，it makes the prospect for the future development trend of PV，which provides
reference and help for the further study of photovoltaic inverter．
Key words: photovoltaic power generation;photovoltaic inverter;topology structure;research present;developing trend
又可以分为单相逆变器和三相逆变器［1］。本文根据
1 引言
光伏逆变器所适用的功率等级分为集中式逆变器、组
能源是促进社会经济发展的重要物质基础，在当 串式逆变器和微型逆变器，下面对典型拓扑结构的光
今世界，能源的开发和利用是全人类共同关心的问题。 伏逆变器进行介绍和分析。
目前，大量使用的能源主要是煤、石油等传统化石能
3 光伏逆变器的拓扑结构
源，但由于其不可再生性和过快消耗所带来严重的环
境问题，导致能源危机日益加剧。而可再生能源发电 3.1 集中式逆变器
将是可行的能够替代传统发电的发电方式，其中很重 集中式逆变器的功率范围为100 ～1000kW，主要
要的一种发电方式便是太阳能发电。目前，光伏发电 是应用于大型并网光伏电站。大型集中式并网光伏电
主要通过并网发电，而光伏逆变器是光伏发电的关键 站拥有数量较多的光伏组件，这些光伏电池板首先进
设备之一，其性能的好坏能够直接影响整个发电系统 行分组串联，然后将串联后的光伏组串进行并联成为
的转换效率和成本高低，因此应该根据不同的系统需 光伏阵列［2］，最后利用汇流箱将光伏阵列与逆变器相
求，合理选择适用于该系统的光伏逆变器。 连，由其完成DC/AC转换后接入电网。
目前，集中式逆变器多采用三相两电平的拓扑结
2 光伏逆变器的分类
构［3］，主要是由直流支撑电容、三相逆变主电路和滤
光伏逆变器具有多种分类方式，根据有无变压器 波器三个部分组成，图1 是其并网系统的拓扑结构图。
这一装置，可以分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器; 该系统中光伏阵列的输出电压需要直流支撑电容进行
根据系统功率转换的级数，可以分为单级式逆变器、双 稳定，当前最为流行使用的是薄膜电容，因为与电解电
级式逆变器和多级式逆变器;根据逆变器输出的相数， 容相比，其介电常数和能量密度较大。三相逆变主电《电气开关》(2017．No．5) 11
路则通过控制开关管的通断，将直流电逆变为交流电， 差异的问题，从而满足不同光照区域的发电需求。
并跟踪光伏阵列的最大功率点，以保证整个系统的发 组串式逆变器通常由DC/DC升压变换器、直流支
电效率。相对于 L 型滤波器和 LC 型滤波器而言，在 撑电容、逆变电路和滤波器等组成，图2 是其并网系统
大容量的光伏并网系统中，LCL 型滤波器能够更为有 的拓扑结构图。第一级的 DC/DC 部分主要用于控制
效地抑制高频谐波，并且所需的总电感值较小，所以集 光伏组串输出电压的大小，从而对光伏组串进行最大
中式逆变器多采用 LCL 型滤波器［4］。最后并网发电 功率点跟踪。对于并联在逆变器直流侧的光伏组串，
系统可以通过变压器接入不同电压等级的电网，从而 组串式逆变器一般能保证1 ～2 串光伏组件拥有一路
满足系统不同的并网电压需求。 MPPT跟踪电路，这样便能使系统直流侧光伏组件的
一致性和匹配性大大提高。第二级的逆变电路和滤波
器则主要是将系统的直流电转换为交流电，同时滤除
谐波改善输出电流的电能质量。由于 LCL 型滤波器
对高频谐波的抑制能力强并且受并网阻抗的影响较
小，因此组串式逆变器一般也采用 LCL 型滤波器［10］。
而当光伏组串输出电压能够满足系统的并网要求时，
可以考虑省去DC/DC变换环节，从而改善逆变器的转
图1 集中式逆变器拓扑结构 换效率，同时节约了成本，但此时一定要在逆变电路的
集中式逆变器的主要优点有［5－6］: ( 1) 集中式逆 控制中加入MPPT的功能。
变器的集成度较高，成本较为低廉，功率密度较大，输
出功率因数也较为稳定; ( 2) 逆变器所需元器件的数
量较少，可靠性较高，并网控制技术较为成熟，转换效
率在98%以上; ( 3) 集中式逆变器输出的电能质量较
高，谐波畸变率能够控制在3%以下; ( 4) 当电网电压
波动时，能够在一定程度上适应其所带来的影响。
但是，目前集中式逆变器也正在暴露出一些问题。
其主要缺点是［6－8］: ( 1) 集中式光伏并网系统没有冗 图2 组串式逆变器拓扑结构
余能力，如果逆变器发生故障，那么系统将停止向电网 组串式逆变器的主要优点有［10－12］: ( 1) 组串式逆
输送电能，由于该发电系统的容量一般较大，因此造成 变器拥有多路 MPPT 跟踪电路，可以使每个光伏组串
的损失也较大; ( 2) 集中式逆变器的维修通常是由厂 工作在最大功率点，从而减少因光伏组串间不匹配导
家的专业人员到现场才能进行，维修所需的时间又较 致的发电损失; ( 2) 组串式逆变器一般采用模块化设
长，这使得逆变器故障后造成的发电量损失更加严重; 计，结构简单、小巧轻便，无需高级技工即可完成安装
(3) 由于各太阳能电池板之间存在模块差异和局部阴 和调试，降低了施工工艺难度; ( 3) 光伏组串能直接连
影等问题，导致光伏阵列实际输出呈现多峰值特性，而 接到逆变器，省去了汇流箱和直流柜，减少了直流回路
集中式逆变器只用一路MPPT对整个光伏阵列进行最 线损，也提高了系统可靠性; ( 4) 组串式逆变器的维修
大功率点跟踪，因此发电系统很可能工作在局部最优 较为简捷，当出现故障时，可以先让现场的运维人员直
点，造成系统的发电量受到损失。 接更换发生故障的逆变器，之后再对故障逆变器进行
3.2 组串式逆变器 检修，从而避免了设备故障期间的发电量损失。
组串式逆变器的功率范围一般在3 ～50kW 之间， 当然，组串式逆变器也存在一些缺点，主要
主要是应用于大中型的分布式光伏电站［9］。组串式 有［13－14］:(1) 逆变器所需电子元器件较多，而且功率
逆变器的直流侧通常是并联若干串的光伏组件，一般 器件和信号电路在同一块板上，这使得逆变器的设计
为3 串以上，每个光伏组串则通常由几块或十几块光 和制造难度加大，逆变器的可靠性也稍差; ( 2) 组串式
伏电池板串联而成。而这些光伏组串的占地面积相对 光伏发电系统经过滤波器后直接并入电网，没有经过
于集中式逆变器所并联的光伏阵列会小很多，这使得 隔离变压器环节，易形成共模漏电流，电气安全性稍
组串式逆变器能够更好地解决不同区域光照条件存在 差;(3) 由于组串式逆变器的单机容量相对较小，当应12 《电气开关》(2017．No．5)
用于一个较为大型的光伏电站时，往往需要几十台甚 由于单级式微型逆变器的电路拓扑较为简单，所
至上百台逆变器并联运行，而当多台逆变器并联运行 用功率器件的数目较少，降低了成本，而且只有 DC/
时，势必会在系统内部产生一定的环流，而环流会导致 DC环节高频工作，效率较高，因此高效率低成本的单
各逆变器的功率器件承受的电流应力不均衡，降低其 级式微型逆变器将更有利于分布式光伏电站的推广。
使用寿命，也在一定程度上降低了系统的有效容量，限 单级式微型逆变器的电路拓扑结构有很多，目前针对
制了系统容量的增加，还造成了电路额外的损耗。 其研究主要是集中在反激式电路的拓扑结构上，以反
3.3 微型逆变器 激式微型逆变器的应用也最为广泛［15］。下面简要介
微型逆变器的功率范围在200 ～500W之间，主要 绍一种微型逆变器，即交错反激式微逆变器，图5 是其
是应用于小型分布式光伏电站［9］。微型逆变器的直 拓扑结构图。该电路拓扑属于单级式拓扑，拓扑结构
流侧只并联一块太阳能电池板，因此可以对每块电池 是两路反激变换器的输入侧与输出侧并联，再经工频
板进行单独的 DC/AC 变换和 MPPT 跟踪。这种结构 极性反转桥和滤波器与电网相连，采用两路反激交错
特点使得微型逆变器能够适用于存在阴影等光照条件 并联提高了逆变器的功率等级，并通过交错控制减小
复杂的地区。 其输入侧与输出侧的电流纹波。
由于单块光伏组件的输出电压较低，为了使其满
足并网要求，微型逆变器就必须对其进行升压处理，当
前多利用高频变压器来进行升压。微型逆变器的电路
拓扑有很多种，根据功率变换方式的不同，主要有单级
文章编号:1004 －289X(2017)05 －0010 －05
光伏逆变器的研究现状综述
林志鸿，李少纲
( 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)
摘 要:本文根据光伏逆变器所适用的功率等级，分为集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器，并对典型拓扑
结构进行了较为全面的介绍和分析，归纳和阐述了各类逆变器的优点和不足，还对光伏逆变器未来的发展趋势做
了展望，为进一步深入研究光伏逆变器，提供了借鉴和帮助。
关键词:光伏发电;光伏逆变器;拓扑结构;研究现状;发展趋势
中图分类号:TM464 文献标识码:B
A Ｒeview of the Current Ｒesearch Situation of Photovoltaic Inverters
LIN Zhi-hong，LI Shao-gang
( College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108)
Abstract: The photovoltaic inverters are divided into central inverter，string inverter and micro inverter by its power
grade．Describing and analyzing the typical topology comprehensively，summarizing and explaining the advantages and
disadvantages of various types of inverters，it makes the prospect for the future development trend of PV，which provides
reference and help for the further study of photovoltaic inverter．
Key words: photovoltaic power generation;photovoltaic inverter;topology structure;research present;developing trend
又可以分为单相逆变器和三相逆变器［1］。本文根据
1 引言
光伏逆变器所适用的功率等级分为集中式逆变器、组
能源是促进社会经济发展的重要物质基础，在当 串式逆变器和微型逆变器，下面对典型拓扑结构的光
今世界，能源的开发和利用是全人类共同关心的问题。 伏逆变器进行介绍和分析。
目前，大量使用的能源主要是煤、石油等传统化石能
3 光伏逆变器的拓扑结构
源，但由于其不可再生性和过快消耗所带来严重的环
境问题，导致能源危机日益加剧。而可再生能源发电 3.1 集中式逆变器
将是可行的能够替代传统发电的发电方式，其中很重 集中式逆变器的功率范围为100 ～1000kW，主要
要的一种发电方式便是太阳能发电。目前，光伏发电 是应用于大型并网光伏电站。大型集中式并网光伏电
主要通过并网发电，而光伏逆变器是光伏发电的关键 站拥有数量较多的光伏组件，这些光伏电池板首先进
设备之一，其性能的好坏能够直接影响整个发电系统 行分组串联，然后将串联后的光伏组串进行并联成为
的转换效率和成本高低，因此应该根据不同的系统需 光伏阵列［2］，最后利用汇流箱将光伏阵列与逆变器相
求，合理选择适用于该系统的光伏逆变器。 连，由其完成DC/AC转换后接入电网。
目前，集中式逆变器多采用三相两电平的拓扑结
2 光伏逆变器的分类
构［3］，主要是由直流支撑电容、三相逆变主电路和滤
光伏逆变器具有多种分类方式，根据有无变压器 波器三个部分组成，图1 是其并网系统的拓扑结构图。
这一装置，可以分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器; 该系统中光伏阵列的输出电压需要直流支撑电容进行
根据系统功率转换的级数，可以分为单级式逆变器、双 稳定，当前最为流行使用的是薄膜电容，因为与电解电
级式逆变器和多级式逆变器;根据逆变器输出的相数， 容相比，其介电常数和能量密度较大。三相逆变主电《电气开关》(2017．No．5) 11
路则通过控制开关管的通断，将直流电逆变为交流电， 差异的问题，从而满足不同光照区域的发电需求。
并跟踪光伏阵列的最大功率点，以保证整个系统的发 组串式逆变器通常由DC/DC升压变换器、直流支
电效率。相对于 L 型滤波器和 LC 型滤波器而言，在 撑电容、逆变电路和滤波器等组成，图2 是其并网系统
大容量的光伏并网系统中，LCL 型滤波器能够更为有 的拓扑结构图。第一级的 DC/DC 部分主要用于控制
效地抑制高频谐波，并且所需的总电感值较小，所以集 光伏组串输出电压的大小，从而对光伏组串进行最大
中式逆变器多采用 LCL 型滤波器［4］。最后并网发电 功率点跟踪。对于并联在逆变器直流侧的光伏组串，
系统可以通过变压器接入不同电压等级的电网，从而 组串式逆变器一般能保证1 ～2 串光伏组件拥有一路
满足系统不同的并网电压需求。 MPPT跟踪电路，这样便能使系统直流侧光伏组件的
一致性和匹配性大大提高。第二级的逆变电路和滤波
器则主要是将系统的直流电转换为交流电，同时滤除
谐波改善输出电流的电能质量。由于 LCL 型滤波器
对高频谐波的抑制能力强并且受并网阻抗的影响较
小，因此组串式逆变器一般也采用 LCL 型滤波器［10］。
而当光伏组串输出电压能够满足系统的并网要求时，
可以考虑省去DC/DC变换环节，从而改善逆变器的转
图1 集中式逆变器拓扑结构 换效率，同时节约了成本，但此时一定要在逆变电路的
集中式逆变器的主要优点有［5－6］: ( 1) 集中式逆 控制中加入MPPT的功能。
变器的集成度较高，成本较为低廉，功率密度较大，输
出功率因数也较为稳定; ( 2) 逆变器所需元器件的数
量较少，可靠性较高，并网控制技术较为成熟，转换效
率在98%以上; ( 3) 集中式逆变器输出的电能质量较
高，谐波畸变率能够控制在3%以下; ( 4) 当电网电压
波动时，能够在一定程度上适应其所带来的影响。
但是，目前集中式逆变器也正在暴露出一些问题。
其主要缺点是［6－8］: ( 1) 集中式光伏并网系统没有冗 图2 组串式逆变器拓扑结构
余能力，如果逆变器发生故障，那么系统将停止向电网 组串式逆变器的主要优点有［10－12］: ( 1) 组串式逆
输送电能，由于该发电系统的容量一般较大，因此造成 变器拥有多路 MPPT 跟踪电路，可以使每个光伏组串
的损失也较大; ( 2) 集中式逆变器的维修通常是由厂 工作在最大功率点，从而减少因光伏组串间不匹配导
家的专业人员到现场才能进行，维修所需的时间又较 致的发电损失; ( 2) 组串式逆变器一般采用模块化设
长，这使得逆变器故障后造成的发电量损失更加严重; 计，结构简单、小巧轻便，无需高级技工即可完成安装
(3) 由于各太阳能电池板之间存在模块差异和局部阴 和调试，降低了施工工艺难度; ( 3) 光伏组串能直接连
影等问题，导致光伏阵列实际输出呈现多峰值特性，而 接到逆变器，省去了汇流箱和直流柜，减少了直流回路
集中式逆变器只用一路MPPT对整个光伏阵列进行最 线损，也提高了系统可靠性; ( 4) 组串式逆变器的维修
大功率点跟踪，因此发电系统很可能工作在局部最优 较为简捷，当出现故障时，可以先让现场的运维人员直
点，造成系统的发电量受到损失。 接更换发生故障的逆变器，之后再对故障逆变器进行
3.2 组串式逆变器 检修，从而避免了设备故障期间的发电量损失。
组串式逆变器的功率范围一般在3 ～50kW 之间， 当然，组串式逆变器也存在一些缺点，主要
主要是应用于大中型的分布式光伏电站［9］。组串式 有［13－14］:(1) 逆变器所需电子元器件较多，而且功率
逆变器的直流侧通常是并联若干串的光伏组件，一般 器件和信号电路在同一块板上，这使得逆变器的设计
为3 串以上，每个光伏组串则通常由几块或十几块光 和制造难度加大，逆变器的可靠性也稍差; ( 2) 组串式
伏电池板串联而成。而这些光伏组串的占地面积相对 光伏发电系统经过滤波器后直接并入电网，没有经过
于集中式逆变器所并联的光伏阵列会小很多，这使得 隔离变压器环节，易形成共模漏电流，电气安全性稍
组串式逆变器能够更好地解决不同区域光照条件存在 差;(3) 由于组串式逆变器的单机容量相对较小，当应12 《电气开关》(2017．No．5)
用于一个较为大型的光伏电站时，往往需要几十台甚 由于单级式微型逆变器的电路拓扑较为简单，所
至上百台逆变器并联运行，而当多台逆变器并联运行 用功率器件的数目较少，降低了成本，而且只有 DC/
时，势必会在系统内部产生一定的环流，而环流会导致 DC环节高频工作，效率较高，因此高效率低成本的单
各逆变器的功率器件承受的电流应力不均衡，降低其 级式微型逆变器将更有利于分布式光伏电站的推广。
使用寿命，也在一定程度上降低了系统的有效容量，限 单级式微型逆变器的电路拓扑结构有很多，目前针对
制了系统容量的增加，还造成了电路额外的损耗。 其研究主要是集中在反激式电路的拓扑结构上，以反
3.3 微型逆变器 激式微型逆变器的应用也最为广泛［15］。下面简要介
微型逆变器的功率范围在200 ～500W之间，主要 绍一种微型逆变器，即交错反激式微逆变器，图5 是其
是应用于小型分布式光伏电站［9］。微型逆变器的直 拓扑结构图。该电路拓扑属于单级式拓扑，拓扑结构
流侧只并联一块太阳能电池板，因此可以对每块电池 是两路反激变换器的输入侧与输出侧并联，再经工频
板进行单独的 DC/AC 变换和 MPPT 跟踪。这种结构 极性反转桥和滤波器与电网相连，采用两路反激交错
特点使得微型逆变器能够适用于存在阴影等光照条件 并联提高了逆变器的功率等级，并通过交错控制减小
复杂的地区。 其输入侧与输出侧的电流纹波。
由于单块光伏组件的输出电压较低，为了使其满
足并网要求，微型逆变器就必须对其进行升压处理，当
前多利用高频变压器来进行升压。微型逆变器的电路
拓扑有很多种，根据功率变换方式的不同，主要有单级
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