业界技术发展趋势逆变器拓扑结构发展趋势

业界技术发展趋势逆变器拓扑结构发展趋势

The document was prepared on January 2, 2021

业界技术发展趋势——逆变器拓扑结构发展趋势

1 光伏并网逆变器拓扑结构发展趋势

在光伏并网发电系统中，逆变器作为光伏阵列与电网的接口设备，其拓扑结构决定着整个系统的效率和成本，是影响系统经济可靠运行的关键因素．由于光伏并网逆变器的结构拓扑种类众多、性能特点各异，其原理分析和性能比较，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．

五种常见拓扑结构类型

目前，市场上常见的逆变器拓扑结构按照频率及有无变压器分，可简单分为以下五种类型：

（1）直接逆变型

优点：没有工频变压器，重量轻，效率高（>97%），结构简单，成本低。

缺点：交、直流之间无电气隔离，太阳能电池板两极有电网电压，对人体安全不利；

MPPT直流输入电压，即太阳能电池板输出电压要大于350V，提高了系统的绝缘要求，容易出现漏电现象。

（2）工频隔离型

优点：工频变压器隔离，安全性能良好；结构简单，可靠性高，抗冲击性能好；直流侧MPPT输入电压一般在200V~800V。

缺点：系统效率低，笨重。

（3）高频隔离型

优点：高频电气隔离，重量轻，效率在93%左右。

缺点：由于高频隔离环节（DC-AC-DC）功率等级较小，此结构适合于5kW以下机型；EMC设计难度高；系统抗冲击性差。

（4）高频升压不隔离型

优点：效率高，重量轻，太阳能电池直流输入范围宽（150V~500V）。

缺点：无电气隔离，太阳能电池板两极有电网电压，对人体安全不利；EMC设计难度高。

（5）多MPPT单逆变型

优点：效率高，重量轻，太阳能电池直流输入范围宽（150V~500V）；多路MPPT输入，适用于更多场合。

缺点：无电气隔离，太阳能电池板两极有电网电压，对人体安全不利；EMC设计难度高。

逆变器厂家采用的拓扑结构

从以上表格数据看，厂家为了提高效率和降低成本都普遍采用高频无隔离型拓扑结构，市场需求两比较大；受少数国家地区政策限制，还有少量的工频隔离型逆变器存在，市场需求量小；但是，兼顾了提高效率、降低成本和电气隔离的，部分厂家采用拓扑结构，只是产品还不够丰富，说明市场需求不大。工频隔离型逆变器是传统型逆变器，市场份额目前暂时大于高频隔离型逆变器。

从效率高低看：高频无隔离型>高频隔离型>工频隔离型

从安全角度看：工频隔离型≈高频隔离型>高频无隔离型

从市场需求看：高频无隔离型>工频隔离型>高频隔离型

经以上分析，从市场需求和产品发展的角度看，高频无隔离型拓扑结构将是光伏并网逆变器的主流拓扑结构（事实上已经是主流了）。

为了克服高频无隔离型拓扑结构逆变器可能出现漏电流现象等一些弱点，在传统的无隔离型拓扑结构基础上又衍生出一些新的拓扑结构，最具代表性的是专利权归属SMA 的H5 逆变桥技术。H5 逆变桥技术拓扑结构简图如下：

如上图所示的带直流旁路的全桥拓扑中，S4、S2在电网电流的正负半周分别以开关频率进行调制。该拓扑是由德国SMA 有限公司提出且已在中国申请了技术专利。SMA 公司的Sunny Mini Central系列并网逆变器采用该拓扑结构，其最高效率达到%，欧洲效率达到%。该拓扑中，S1、S3 在电网电流的正负半周各自导通，S4、S5 在电网正半周期以开关频率调制，而S2、S5 在电网负半周期以开关频率调制。现以电网正半周期为例对其共模电压进行分析。

H5拓扑在电网电流正半周期S1 始终导通，当正弦调制波大于三角载波时，S5、S4 导通，共模电压Vcm为：

当正弦调制波小于三角载波时S5、S4 关断，电流经S3 的反并联二极管、S1 续流

负半周期的换流过程及共模电压分析与正半周期类似。可见在开关过程中，若Vpv 保持不变则共模电压恒定，即能够抑制共模电流。

总结

能够有效抑制共模电流，即减小漏电流的方法很多，且基本上都有很成熟的理论基础——对高频无变压器隔离的逆变器发展来说，这是很有利的方面。随着市场化对逆变器的高效率、低成本和更高的安全可靠性的要求日益强烈，市场对高频无隔离型拓扑结构逆变器的需求也将日益壮大。故，利用具有最新技术的高频无隔离型光伏并网逆变器构建光伏并网系统将是的光伏领域的发展趋势。

需要解决的问题之一，是找到更易实现且不受专利限制，或者研发拥有自己专利的较少或消除漏电流的技术。

注：此文的不足之处是没有各个厂家针对各个市场的出货量数据，只是分析网络评论和相关论文得到的结果，若是辅之于市场数据则更具说服力。