基于太阳能电力系统的微型逆变器的介绍

当由多个太阳能电池板供电的系统连接到单个逆变器时，可以实现的效率水平与阵列中效率最低的面板一样好。这些传统设备被称为串式逆变器，其额定功率选择非常有限。实际上，如果想要通过添加更多模块来升级，则房主被限制为原始面板的额定功率。相反，微型逆变器没有这样的限制。

基于可再生能源的家庭能源系统，如太阳能和风能，在消费者中越来越受欢迎，并将获得政府机构越来越多的支持。

在本文中，将讨论功率逆变器将在太阳能背景下进行讨论，特别是因为它涉及最新的低功率微逆变器架构，这些架构在将光伏(PV)面板的DC输出转换为AC时最有意义。住宅用信号。

微型逆变器安装在每个单独的PV面板上，通常可以处理300 W。微型逆变器为那些想要从小规模起步但具有最大功率点跟踪(MPPT)的完整DC/AC转换的用户提供可扩展性的好处。许多人希望将多余的电力重新投入电网，这将加快投资回报(ROI)时间，最终可以避免电网依赖。在我们的屋顶上实现这种无处不在的架构的技术越来越近了。

微型逆变器可以最大限度地提高从每个面板收集的功率，并且不受特定太阳能电池板性能不佳的影响。串逆变器将被限制为串内最低效太阳能电池板产生的实际功率。如果单个面板有灰尘，有缺陷，对齐方式不同，或者太阳能电池板等不同型号，它会拖拽整个灯串。与串联逆变器配置相比，微型逆变器的个性化太阳能电池板收获量将提供5%至25%的电力输出增长。

固态逆变器已被证明是将光伏系统投入电网的支持技术。因此，每个逆变器瓦特的成本降低对于使光伏发电的电力更具吸引力非常重要(图1)。

 

 

图1：微型逆变器及其组件和外设支持功能(由Microchip提供)。

让我们跟踪从直流电源到交流电源输出的光伏信号，并检查系统的关键组件块。

逆变器的一般结构

基本上有三种类型的PV逆变器架构(图2)。图2a显示了一个典型的集中式逆变器，它可以自行处理所有任务，例如MPPT(通常由微控制器)，电网电流控制和电压放大(如果需要)，因为PV电源的低电压不能轻易地转换为电网电压水平有效。

图2b是双级逆变器。如果需要，DC/DC执行MPPT和电压放大。根据DC/AC逆变器的控制，DC/DC转换器的输出是纯DC电压(DC/DC转换器仅处理额定功率)或DC/DC转换器的输出电流被调制以遵循整流的正弦波(DC/DC转换器将处理标称功率的两倍的峰值功率)。前一种解决方案中的DC/AC逆变器通过脉冲宽度调制(PWM)或“bang-bang”操作来控制电网电流。在后者中，DC/AC逆变器以线路频率切换，将整流电流“展开”为全波正弦，并且DC/DC转换器负责电流控制。如果额定功率低，则后一解决方案可以达到高效率。另一方面，如果额定功率很高，建议在PWM模式下运行并网逆变器，在我们的情况下通常不会出现问题。

图2c是多串逆变器的解决方案。每个DC/DC转换器的唯一任务是MPPT和电压放大。 DC/DC转换器连接到公共DC/AC逆变器的DC链路，其负责电网电流控制。这是有益的，因为实现了对每个PV模块/串的更好控制。

 

 

图2：三种类型的光伏逆变器。 (a)单个功率处理级，处理MPPT，电压放大和电网电流控制。 (b)双功率处理逆变器，其中DC/DC转换器负责MPPT，DC/AC逆变器控制电网电流。两级都可以包括电压放大。 (c)双级逆变器，其中每个PV模块或串连接到专用DC/DC转换器，该转换器连接到公共DC/AC逆变器。 (由IEEE工业应用交易¹提供)

DC/DC升压转换器

我们将首先讨论DC/DC升压转换器(或某些情况下的降压/升压)，如图1所示.DC/DC转换升高或降低输入的PV电压，调节其输出以获得最高效率(MPPT)到DC/AC逆变器级。包含分立设计元件的原理图如图3所示，采用Maxim的MAX1605，但如果设计人员愿意，甚至可以使用功率模块。

 

 

图3：三种拓扑中的这些高压DC/DC转换器用于从PV器件的低输入电压产生高输出电压(由Maxim Semiconductor提供)。

德州仪器/美国国家半导体SM72442是这一前端级的集成解决方案。 SM72442是一款可编程MPPT控制器，能够控制四开关降压/升压转换器的四个脉冲宽度调制(PWM)栅极驱动信号。

DC/AC逆变器

下一阶段是实际的逆变器本身，由具有多个PWM输出的DSP或微控制器驱动，以驱动功率IGBT或MOSFET。根据PV板和公用电网之间的电气隔离，逆变器可以是隔离的或非隔离的。这种电流隔离通常通过变压器实现，该变压器对并网光伏系统的DC/AC效率具有重大影响。

大多数单相H桥逆变器使用单极性PWM，以改善逆变器的注入电流质量，这是通过将输出电压调制为具有两倍开关频率的三个电平来完成的。此外，这种类型的调制可降低输出滤波器的压力，并降低逆变器的损耗(图4)。

 

 

图4：采用单极性PWM的H桥拓扑，应用于负载的有源矢量(由TamásKerekes论文提供)。

在效率方面，可以使用无变压器拓扑结构改进光伏逆变器系统，但需要处理与漏电流相关的新问题。必须注意可能损坏太阳能电池板并造成安全问题的漏电流现象。在使用这种拓扑和调制的无变压器光伏系统中(图4)，高频共模电压将导致非常高的漏电接地电流，使其对于无变压器光伏应用而言不安全，因此无法使用。最好在基于变压器的逆变器设计中使用该技术。

另一项获得专利的逆变器拓扑结构再次成为H桥混合动力。 SMA Solar将其称为H5拓扑结构。如图5所示，它由标准H桥拓扑结构组成，在DC侧增加了第五个开关(So)。使用此电路配置，根据输入电压，已报告最高转换效率高达98%。 H桥通过非对称单极调制工作。非对称H桥的高压侧应由50 Hz(欧洲)或60 Hz(美国)半波驱动，具体取决于主电源的极性，而相反的低压侧则采用PWM调制以形成电源正弦形状。这里将进行一些重滤波，如图5所示，电感器作为交流输出滤波器的一部分，包括EMI抑制电容器，以提供可在电网上接受或在家中使用的平滑AC。

 

 

图5：SMA Solar使用的专利H-5桥接技术(由飞思卡尔半导体公司提供)。

还有许多其他更复杂的拓扑结构，它们是多个升压或降压 - 升压单级逆变器的组合。²

微控制器或DSP

微控制器或DSP可以像德州仪器这样的设备TMS320F2812，飞思卡尔的56F8036或Microchip的dsPIC DSPIC33FJ16GS504。图6显示了桥接器的微控制器PWM控制以及板载模数转换器(ADC)，用于监控系统的关键参数。

 

 

图6：包括微控制器的并网太阳能微型逆变器框图(由Microchip Semiconductor提供)。

住宅规模的并网系统是当今最常见的系统。它们通常提供3至10 kW的输出功率，通常不配备备用电池。输出交流电源必须在相位，频率和电压方面与电网同步，并且总谐波失真较小。串联逆变器控制一个或多个单独的PV模块串，是用于住宅应用的最常见类型的逆变器。飞思卡尔56F83xx系列数字信号控制器(DSC)为MPPT和DC/AC转换提供单芯片控制解决方案。有关DC/DC升压器，DC/AC逆变器和DSC/微控制器的典型内部工作原理的更详细视图，请参见图7。

 

 

图7：住宅太阳能逆变器细节(由飞思卡尔半导体公司提供)。

隔离

现在让我们看看逆变器设计中的隔离。无论逆变器是基于变压器还是无变压器，都需要某种隔离(图8)。

 

 

图8：需要隔离(红线)来保护敏感的微控制器和相关的低压支持设备和高压电源电路(由Avago提供)。

系统控制器在与其控制的元件不同的电压域中运行。电源工作在几十伏特，DC链路工作在几百伏特，但系统控制器的逻辑电路通常工作在3到5伏左右。为了最大限度地减少在故障情况下损坏控制器的可能性，那里必须是电源和逻辑电压域之间的某种隔离。这种隔离不仅用于保护控制器逻辑免受高DC链路电压的影响，还有助于保护用户，用户通常通过控制器的接口与系统交互。

Avago Technologies的光耦合器提供增强的电流隔离，可提高安全性和系统可靠性。 Avago的HCPL-316J等器件是栅极驱动光耦合器，具有集成保护功能，可隔离H桥中的MOSFET或IGBT。