光伏逆變器與直流變換器的典型拓撲與控制策略綜述

包西勇，范魯濤，趙 航，薛 瑋，馬樹亮，楊 凱

（山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

為應對日益嚴重的能源短缺、生態破壞和環境污染問題，國家在2020 年9 月提出了“雙碳”戰略目標，在2021 年3 月提出了構建以新能源為主體的新型電力系統。在政策的引導下，光伏發電技術得到快速發展和應用。在光伏發電系統中，將直流電轉變為交流電的光伏逆變器和對電能起調控作用的直流變換器是整個光伏發電系統中的關鍵設備，其性能的好壞將影響光伏發電系統能否高效、可靠及安全地并網運行。

本文介紹了光伏逆變器的工作原理，并根據功率等級進行分類，分析逆變器的拓撲結構，著重對逆變技術和控制策略的研究進展進行論述。針對直流變換器，在闡述其工作原理和分類的基礎上對拓撲結構方案的可行性和控制策略的有效性進行分析。最后，對兩種設備在光伏發電系統中的應用進行了展望。

1 光伏逆變器

1.1 光伏逆變器的工作原理

光伏逆變器的工作原理如圖1 所示，光伏組件產生的直流電首先通過濾波電路，以消除電流波動和電磁干擾。然后，電流進入逆變橋，在逆變橋中使用全控功率開關器件把直流電變成交流電。按照特定的控制邏輯，交流電通過變壓器進行升壓或降壓，然后經過整形濾波，最后成為所需的交流電［1］。

圖1 逆變器工作原理圖

逆變器的核心元件為功率半導體器件，如功率場效應管（metal oxide semicoductor field effect transistor，MOSFET）、絕緣柵晶體管器件（insulated gate bipolar transistor，IGBT）以及新型的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等第三代半導體。

1.2 光伏逆變器分類

目前市場上常見的逆變器按照能量等級不同可以分為3 種類型：集中式逆變器、組串式逆變器及微型逆變器［2］。集中逆變技術是將多個光伏組件串聯連接到同一個集中逆變器的直流輸入端，通過使用三相IGBT 功率模塊和數字信號處理轉換控制器來提升電能質量，通常用于總功率達兆瓦級以上的大型發電系統。組串式逆變器則是每個光伏串聯組件（1?5 kW 范圍內）都通過一個逆變器實現并網，主要應用于中小型光伏電站。微型逆變器可配置于每塊光伏面板中，組件間并聯連接，可以有效解決陰影遮擋對發電量產生影響的問題，多用于住宅屋頂、庭院等光伏發電系統。

新一代微型逆變器的拓撲結構目前正從傳統單級式無直流母線結構向兩級式直流母線結構發展［3］。為了替代微型逆變器電路中的電解電容，目前研究主要集中在如何進一步改進功率解耦電路［4-6］，以緩解母線電壓對電容的依賴，從而降低器件的體積和重量，改進拓撲結構［7］，優化元器件參數［8］，以提高逆變器的轉換效率。

1.3 光伏逆變器拓撲結構

目前主流的光伏逆變器輸入側電源性質為電壓源型。根據有無隔離變壓器，此類逆變器的拓撲結構可分為隔離型和非隔離型，按能量變換級數不同，拓撲結構可分為單級式和多級式。

1.3.1 隔離型光伏并網逆變器

工頻隔離型并網逆變器通過變壓器實現了輸入、輸出間的電氣隔離，可以有效防止因負載短路或其他故障對輸入端產生的影響，具有較高的安全性和可靠性，市場應用廣泛。逆變器按波形調制方式不同可分為方波合成、階梯波合成、脈寬調制等。

高頻隔離型并網逆變器采用高頻變壓器，具有體積小、噪音低的特點。軟開關技術、模塊化電源技術是目前研究的熱點［9］。高頻隔離型并網逆變器拓撲族包括推挽式、推挽正激式、半橋式、全橋式、單管正激式、雙管正激式等。

1.3.2 非隔離型光伏并網逆變器

單級非隔離型光伏并網逆變器結構簡單，只需要通過一級DC-AC變換即可實現并網。Buck-Boost電路逆變器采用斬波器代替變壓器，能夠適應較寬的光伏陣列輸出電壓，滿足并網要求，市場應用廣泛。多級非隔離型光伏并網逆變器的變換電路采用前后多級結構，實現了最大功率點跟蹤技術（maximum power point tracking，MPPT）和并網逆變技術。

文獻［10］總結了第一代非隔離型光伏并網系統（transformerless photovoltaic grid-connected inverter，TLI）的發展，并對其兩大關鍵技術進行了討論，對以寬禁帶器件為基礎的第二代TLI 技術的挑戰及發展方向進行展望。文獻［11］描述了不同的簡化開關多電平逆變器結構，分析了不同的性能參數，以挖掘多電平逆變器拓撲的潛力。文獻［12］采用3 個級聯控制回路來改善逆變器的穩態和動態性能。文獻［13］提出了一種基于模塊級聯雙H 橋拓撲結構的短期存儲光伏逆變器。

光伏并網逆變器在拓撲結構優化設計方面存在的改進空間較大。隨著新型半導體技術的發展以及光伏板絕緣等級的升高，新拓撲的設計和應用也會帶來一些新問題，需要不斷探索解決方案。

1.4 逆變器逆變技術及控制策略

1.4.1 最大功率點跟蹤技術

光伏電池的輸出功率易受到外界環境因素的影響，MPPT 技術可以最大化電池的輸出功率，從而提高光伏發電系統的效率。目前的研究主要集中在跟蹤速度和精度的提升，眾多學者對傳統擾動觀察法、電導增量法等進行了改進［14］。

1.4.2 孤島效應的檢測及控制技術

孤島檢測是保證光伏并網系統安全性和可靠性的重要功能。當前，對孤島效應的檢測方法可分為被動式無源檢測和主動式有源檢測兩種。被動檢測方法包括電壓檢測、頻率檢測、相位檢測及諧波檢測。主動檢測方法包括逆變器輸出功率擾動法、逆變器輸出電壓頻率擾動法和滑模頻率偏移檢測法。文獻［15］提出一種組合式有源孤島檢測方法，能夠改善傳統方法無法檢測某些并聯電路負載的問題。

1.4.3 逆變器控制策略

近年來對逆變器性能的優化主要包括如何提高并網效率、減少電磁輻射、提高電能質量等，逆變器的控制策略選擇十分關鍵。根據控制理論的不同，逆變器的控制策略分為6 種類型：線性控制、非線性控制、魯棒控制、自適應控制、預測控制和智能控制［16］。

文獻［17］提出了一種基于Routh 數組枚舉規則的穩定性分析方法，得到控制參數的穩定范圍。文獻［18］針對電能質量問題，提出諧波抑制和無功補償策略。文獻［19］設計了一種逆變器并聯控制器，以消除逆變器之間的環流。文獻［20］提出一種電壓/無功控制方法，優化逆變器基極無功輸出和各下垂控制函數的電壓截距，使功率損耗最小。文獻［21］設計了一種智能控制器，將差分退火動態優化和徑向基函數神經網絡進行結合，用來識別工作狀態和故障。

非線性控制方法中的脈寬調制控制能夠實現高效率的電能轉換，適用于連接電網，但需要復雜的控制電路；MPPT 控制可實時跟蹤光伏陣列最大功率點，適用于不同光照下的光伏系統，但其可能導致高頻率現象，對電網有一定的影響；滯環控制可提高魯棒性，從而降低電網電壓及頻率的波動，適用于條件較為惡劣的電網，但可能會造成一定的功率損失。

因此，控制策略的選擇取決于應用需求，需要考慮電網條件、性能要求及可靠性等因素來選擇合適的控制策略。

2 光伏直流變換器

2.1 光伏直流變換器的工作原理

光伏直流變換器是一種開關型DC-DC 變換電路，被安置在光伏組件和負載之間，通過調整變換電路中功率開關器件的占空比，改變輸出電壓的平均值，使外接負載獲取最大功率［22］。

光伏直流變換器的工作原理是直流電輸入濾波電路后，經DC-DC 變換電路先逆變為交流電，然后經整流變換得到另一電壓的直流電，最后經濾波電路輸出［23］。

2.2 直流變換器拓撲結構

在傳統拓撲結構的基礎上，各專家學者提出了一些具有一定優勢且適用于不同場合的新型直流變換拓撲結構，例如在Boost 拓撲和Flyback 拓撲基礎上改進的升壓反激式變換器［24］，帶有源緩沖電路的軟開關雙向直流變換器［25］，基于Boost全橋升壓隔離變換拓撲的直流并網變換器［26］等。

文獻［27］針對直流變換器串聯系統可靠性低的問題，提出一種N-M 光伏發電單元直流變換器的串聯方案。文獻［28］提出一種Boost 全橋隔離功率模塊，該模塊采用并聯輸入、串聯輸出的級聯型拓撲設計，能夠實現大功率、高電壓及大升壓比的功率變換功能。文獻［29］提出了一種隔離型Buck-Boost 直流變換拓撲模塊，適用于串聯系統，通過調節占空比實現升壓、降壓模式切換。

文獻［30］分析了隔離型和非隔離型直流變換器的拓撲結構。文獻［31］提出一種改進型ZVT SEPIC-Boost 直流變換器。文獻［32］提出一種的高增益的DC-DC 變換器，該變換器采用可擴展開關電容單元，以便在具有更高電壓增益的開關元件上獲得較小的電壓應力。文獻［33］介紹了一種用于光伏發電系統的Boost 半橋DC-DC 變換器，該變換器采用1∶1變壓器和輔助電容來減小輸入電壓和電流紋波。

2.3 直流變換器的控制策略

直流變換器的控制策略一般分為移相控制、均流控制和預測控制。預測控制是電力電子器件智能控制方面的進一步發展，如今已成為研究熱點。為提高直流變換器的控制性能，國內外專家進行了許多相關的研究工作，并取得了較多成果。

文獻［34］提出了一種相對于直接功率控制的方法，即將負載電流值作為反饋信號用于調整相移控制參數，以提高對負載突變的響應速度。文獻［35］提出了一種優化相移量控制的方法，通過在擴展的相移控制參數中增加電壓分量，從而提高變換器的效率，并進一步提升其響應速度。文獻［36］提出了一種雙重移相控制策略，使傳輸功率可調范圍增大，該方法的缺點是周期內工作模態比較復雜。文獻［37］提出一種輸入電壓反饋給輸出電流的控制方法，提升器件在負載突變時的響應速度。

文獻［38］提出一種模糊PI（proprotional-integral，PI）控制算法，通過對傳統PI控制的參數進行實時調整，改善Boost 電路的輸出電壓，增強系統的抗干擾能力。文獻［39］提出環形功率均衡拓撲方案與效率優化算法，解決了功率失配及電壓失衡的問題。根據非線性系統的特點和負載模式，需要對功率變換器進行更魯棒的控制設計，文獻［40］提供了一種獨特的技術，即通過使用超扭曲滑模來避免反激變換器的抖振。文獻［41］針對用于光伏組件MPPT 控制的DC-DC 降壓變換器，設計了一種連續控制集模型預測控制方法。

在控制功能研究中，移相控制簡單且易實現，在部分應用中能夠提供良好的性能，但對非線性負載的魯棒性較差；均流控制可提高系統的可靠性及壽命，適用于高功率、高電壓應用，但控制策略較復雜；預測控制可實現高精度、高性能的控制，在非線性系統中的魯棒性較好，但控制算法復雜并需要準確的系統模型。綜上所述，控制策略都有其適用的情境，使用者要根據應用需求考慮性能、控制精度及系統復雜性，以選擇合適的控制策略。

3 結語

隨著光伏發電的快速發展，裝機容量不斷上升，逆變器將向組件級微型逆變及大型集中式逆變兩個方向發展，微型逆變器將會在分布式電站、光伏建筑一體化等領域得到廣泛應用。光伏逆變器的拓撲結構以降低成本、減少體積和輸出穩定波形為目的，從電力電子技術中的新器件和原理結構等方面進行改進?？刂萍夹g結合控制理論的新方案設計應注重與場景的結合。同時，濾波器技術和最大功率點跟蹤技術也對逆變器的性能產生一定影響，具有較大的發展空間。

在未來的研究中可以改進MPPT算法，提高能源轉換效率，降低系統功耗，實現高性能與高精度的控制，重點考慮系統的魯棒性及可靠性。光伏陣列通過直流變換器實現就地升壓并接入直流電網，有效提高光伏變換效率，是未來光伏發電技術發展的重要方向之一。