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微型逆变器的功率解耦技术的回顾 摘要：本篇文章回顾了应用在单相并网光伏系统中的微型逆变器的功率解耦技术。功率解耦技术包括三部分：（1）光伏输出端解耦、（2）直流母线解耦 和（3）交流输出侧解耦。由于电容的大小、效率和控制电路的复杂性等因素，不同的拓扑结构和技术被提出、比较和证明。最终，由很大潜力的拓扑结构技术成为功率解耦实现的最佳选择。 关键词：功率解耦 单相逆变器 光伏 微型逆变器 Ⅰ简介 在过去的15年中，太阳能发电产业已经增长了30%。在2009年，全球太阳能光伏市场安装量已经达到了一个高峰，7.2GW，代表着比去年同期增加了130%，其中光伏并网系统占据了大部分的市场。光伏并网系统的一个关键技术就是并网逆变器。 当前，光伏系统的并网逆变可以分为三个部分：集中式逆变器、串联式逆变器和微型逆变器。微型逆变器的输出功率从150W至300W不等，已经成为未来光伏发电系统发展的趋势，这归结为很多因素：（1）能量利用率高（2）易于扩展（3）低安装成本（4）“即插即用”的实现和（5）潜在的大规模高经济效益的模块化设计。但是在如何获得低成本、高效率和长寿命的方法上很多问题仍然存在。由于微型逆变器一般安装在光伏组件的背面，或者集成在光伏组件的表面上，因此，逆变器的寿命能够与光伏系统的寿命相匹配是一个非常重要的设计依据。 对于功率级别小于几千瓦的应用，单相连接最为常用。但是单相连接有一个弱点，即流入电网的功率是随时间变化的，然而光伏组件由于最大功率跟踪因素起其功必须是持续恒定，导致瞬时输入功率和流入电网的瞬时输出功率不匹配。因此，为了瞬时输出和输入功率的不同，应在输入和输出之间放置能量存储元件。经常地，电容器件被用于功率解耦器件。但是不同材质的电容的寿命差别很大。例如电解电容有一个工作寿命范围，即在105摄氏度的工作温度下能够工作的时间约为1000~7000小时。由于电解电容的电容很大并且易于实现，目前绝大多数用商业性的微型逆变器利用电解电容作为功率解耦储能元件，但是也同时限制了这些微型逆变器的寿命。一些研究着已经开发很多方法来降低所需电容的大小，希望能够使用其它材质的寿命更长的电容，例如已经被使用的薄膜电容。本文回顾了现今已经被发现的不同的功率解耦技术，并且从功率、成本和控制电路复杂性等方面来对它们进行比较。本论文的结构如下，第二部分陈述了功率解耦的原理，第三部分回顾了不同的功率解耦技术，第四部分对它们做了比较，第五部分讨论了第四部分的问题并得出了结论。 Ⅱ功率解耦原理 图一展示了一个光伏并网的单相逆变系统，电网的注入电流i（t）和电网输入电压u（t）由以下公式表示： 其中ω0是指电网角频率，Φ指注入电流和电网电压的相位差，由于单位功率因数的原因Φ越小越好。瞬时输出功率P0（t）由下式表示： 当相位差为零时，此公式可转化为 （3）式中的瞬时功率包括两部分：平均输出功率，Poav =1/2UI是恒定的；第二部分， Poac =，它是随时间变化的（脉冲功率），并且变化频率是两倍工频。至于光伏系统输入终端，来自光伏组件的输入功率PPV是恒定的。忽略逆变系统阶段的损耗，光伏组件输出功率应与平均输出功率相同，如下图所示。 被解耦电容处理过的最终功率 为了保持功率平衡，脉冲功率Poac应该被一个能量储存器件控制。在光伏组件中，一般使用一个电容（电解电容）来缓和脉冲功率的影响。这个解耦电容一般被集成在逆变器之中或者仅仅与光伏组件并联。解耦电容的重要性在于这个电容能够储存大量的能量。电容的大小可以由下式（4）计算得来： 其中f是工频频率，Pdc是光伏组件的额定功率，Udc是电容两端的平均电压，是允许的纹波电压峰峰值。正如式（4）之描述，对于一个额定功率和额定工频的逆变器，电容的大小由直流电压和允许的最大纹波电压决定。 Ⅲ 功率解耦技术 功率解耦技术的实现要依靠特别的微型逆变拓扑电路结构。微型逆变器的拓扑可以分为单级微型逆变拓扑和多级微型逆变拓扑。正如图3所示的单级逆变系统，在一个功率级中实现了升压变换和正弦或被矫正过的正弦波的调制。 在这种情况下，功率解耦电容不得不被安置在光伏组件的输出端口。至于多级逆变器，如图（4）所示，被进一步的分类为DC-DC-AC、DC-AC-DC-AC和DC-AC-AC。 对于DC-DC-AC的拓扑结构，第一个功率级的作用是将光伏输出的低电压提高至能够与电网相匹配的高DC电压。在这种情况下，解耦电容放置在高DC输出之后比放在光伏电压输出之后更有意义，因为前者需要的电解电容的容量更小。对于DC-AC-DC-AC结构，在初功率级中使用一个高频率的变压器用以提升光伏输出电压，同时隔离光伏网络与电网。解耦电容可以被放置在高输出DC或者在输出AC之后。依托于解耦电容在电路中的位置，解耦技术可以被分成三类：（1）光伏端解耦（2）