摘要：  光伏并网逆变器是光伏发电系统的核心设备，其主电路拓扑与变换效率和安全性等主要指标密切相关。本文讨论了光伏并网逆变器主电路拓扑的分类，重点介绍了作者所在实验室使用的三种拓扑。

关键字：  太阳能光伏，  并网系统，  光伏并网发电系统

1 引言

跨入21世纪之后，全球正在面临能源危机，新能源已经成为世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能光伏发电技术作为新能源的重要一员得到了持续的发展。

太阳能光伏发电系统可区分为两大类：一是独立系统，二是并网系统。独立系统是由太阳能电池直接给负载提供功率，多用于偏远的电网未到达地区的局部供电，易受到诸如时间和季节的影响。独立系统结构图如图1所示。其中，PV表示由光伏电池组成的光伏组件或光伏组件阵列。

光伏并网发电系统已经成为太阳能利用的主要形式。并网发电系统的特点是通过控制逆变器，直接将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，输向电网，如图2所示。其中，us表示电网电压。寻求高性能、低造价的光伏材料和器件以减小光伏发电系统的自身损耗是其研究热点之一。作为光伏阵列与电网系统间进行能量变换的并网逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的作用。因此，对于拓扑结构的合理选择、提高系统效率和降低生产成本有着极其重要的意义。

2 光伏并网逆变器主电路拓分类

并网逆变器的电路拓扑很多。根据直流侧电源性质的不同可分为电压型逆变器和电流型逆变器，结构如图3。当前，光伏并网逆变器主要采用直流侧以电压源形式的电压型逆变器。

根据逆变器的输入端和输出端是否隔离，可将逆变器分为隔离型和非隔离型。隔离型逆变器又可分为高频变压器型和工频变压器型[4]。工频变压器隔离型逆变器的变压器置于逆变器与电网之间，如图4所示。这种方式可有效阻止逆变器输出波形中的直流分量注入电网，减小对电网的污染，并提高系统的安全性。但是工频变压器会使系统成本明显升高。

高频变压器隔离型逆变器采用两级或多级变换，图5是一个例子。前级将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器后整流，然后通过逆变器并网。

高频变压器与工频变压器相比，体积小、重量轻，大大减小了投资成本;但是多级变换会使系统效率降低。为了尽可能提高效率和降低成本，并网逆变器向无变压器的非隔离型发展。但是，但由于输出与输入之间没有隔离，光伏模块对地的寄生电容会导致较大的对地漏电流。此漏电流会影响逆变器工作模式，也可能降低系统的安全性。

也可以根据功率变换的级数将逆变器分为单级式和多级式。单级式并网逆变器的一个例子如图6所示，由于直接将太阳能光伏组件发出的直流电通过逆变器并入电网，因此结构简单，体积小，效率高，成本较低，是一个研究热点。但是要一级变换中同时实现最大功率点跟踪(MPPT)、光伏组件电压匹配以及孤岛检测等全部功能，使得设计上较为复杂。

多级式并网逆变器前级具有升降压或隔离的功能，用以实现电压匹配和最大功率点跟踪(MPPT);后级实现单位功率因数并网、孤岛检测等功能，如图7所示。此类拓扑结构简化了各级的控制方法，提高了各级控制方法的效率。

按照光伏并网逆变器的功率大小，可分为中大型(百kW以上)和中小型(kW及10kW数量级)。成百上千个光伏组件先接成光伏阵列，再向并网逆变器供电。这种结构存在两个技术问题：一是如果一块光伏组件出现问题会影响一大片(串联的)组件效率下降;二是并网逆变器的可靠性变得至关重要。

微型光伏并网逆变器是一个新的发展趋势为每块光伏组件配置一个单独的微型并网逆变器：一是可以使得每块光伏组件均工作在最大功率点(MPPT)，从而提高总发电量;二是个别微型逆变器的故障不会影响整个发电系统。目前，市场上光伏组件的额定功率大都在200~300W左右，本实验室研制的微型逆变器为250W。在当前技术条件下，微型光伏逆变器的缺点是转换效率稍低，成本较高，但是其综合优势会越来越显现出来。

3 三种主电路拓扑

下面简要介绍作者所在实验室使用的三种主电路拓扑。

3.1 单相两级非隔离型7kW逆变器拓扑

图8为两级式非隔离并网逆变器的典型应用。该拓扑由前级Boost升压电路和后级单相全桥逆变电路组成。前级变换器实现对光伏阵列的电压匹配，并且实现MPPT功能。后级变换器采用SPWM控制方式以单位功率因数并网，同时通过调节并网功率保持直流母线电压(Cd)相对稳定，并实现孤岛检测等功能。该拓扑应用两种典型电路，简单可靠，并且前后级控制目标分离，分别独立控制，大大简化了控制算法，易于实现。但该拓扑没有变压器，在有电气隔离要求的场合不适用。

3.2 三相单级工频隔离型20kW逆变器拓扑

三相逆变桥是光伏并网系统的核心。三相并网逆变器的逆变桥主要有两电平逆变桥、三电平逆变桥、H桥并联等几种典型拓扑[6]。作者所在实验室采用的是最为通用的两电平拓扑结构，如图9所示。

光伏组串输出的电压Udc经三相逆变桥逆变后将电能馈入三相电网。控制系统包括电网电压同步锁相、三相指令电流生成、并网电流闭环跟踪控制、以及最大功率点跟踪(MPPT)和孤岛检测。MPPT是通过直接调节并网电流的幅值来实现的。由于只有一级变换，没有电压控制环，MPPT控制会使直流电压Udc大幅度变化。这一点会使得PV组串和逆变器开关之间的电压匹配更为复杂一些。工频隔离变压器可以实现电气隔离，并且缓解电压匹配上的矛盾。电气隔离大幅提高了系统的安全性，但是工频变压器会显著增大逆变器的成本。

3.3 单相高频隔离型250W微型逆变器拓扑

图10为一个单相高频隔离型逆变器的例子，采用DC-AC-DC-AC拓扑结构，该拓扑通过高频逆变器、高频变压器、整流器和电流源型工频逆变器，最终使后级逆变器输出50Hz的正弦并网电流。

前级逆变器开关管V1、V2、V3和V4工作在高频状态，当V1和V4导通时，uab为正，D1和D4导通，upq为正，电感L的电流逐渐上升;当V2和V3导通时，uab为负，D2和D3导通，upq仍为正，电感L的电流也上升。当V1和V3导通，或V2和V4导通时，uab为零，四个二极管均导通，upq为零，电感L的电流逐渐下降。控制得当即可在电感L上得到正弦全波整流电流。后级逆变器工作在工频状态，当电网在正半周期时，V5和V8导通;当电网在负半周期时，V6和V7导通，使电感L上的电流还原为正弦工频电流。图11为相关各点的波形示意图。

一般来说，多级逆变器拓扑的效率会降低。但是本拓扑的前级逆变桥工作在高频对称开关状态下，可以实现零电压开关，后级逆变桥开关频率很低(工频)且在零电压、零电流状态下开关，因此该拓扑的变换效率并没有降低很多。使用高频隔离变压器，可以大幅减小逆变器体积。

4 结束语

本文首先介绍了光伏并网逆变器主电路拓扑的分类及其各自的优缺点。然后着重给出了作者所在实验室使用的三种主电路拓扑。其控制策略及其他相关技术会在后面的专题论文中分别讨论。