独立光伏逆变器研究进展

张佳祺，秦岭，王亚芳，胡茂，孔笑笑

(南通大学电气工程学院，江苏南通226019)

独立光伏逆变器研究进展

张佳祺，秦岭，王亚芳，胡茂，孔笑笑

(南通大学电气工程学院，江苏南通226019)

光伏逆变器是独立光伏发电系统的主体，其性能直接决定了整个系统能否长期、可靠、高效运行，因此成为各国学者的研究热点。主要从提高可靠性、简化拓扑以及优化控制策略等方面对独立光伏逆变器的研究现状和成果进行回顾。可为研究人员确定独立光伏逆变器的具体研究方向提供一定参考。

独立光伏发电；逆变器；高增益；多端口；控制策略

随着能源危机和环境污染的日渐加剧，光伏发电技术受到各国政府和企业的广泛关注。光伏发电系统按照是否与公共电网相联接，可分为独立运行和并网运行两种类型。其中，独立光伏发电系统在解决偏远山区和无电网地区的供电问题方面具有得天独厚的优势，因此应用非常广泛。

图1给出了独立光伏发电系统的结构。图1中，阴影部分为独立光伏逆变器。可见光伏逆变器是独立光伏发电系统的主体，其可靠性、效率、成本、体积和质量等因素直接决定了整个系统的性能，因此成为各国学者的研究热点。本文主要从提高可靠性、简化拓扑以及优化控制策略等方面对近年来独立光伏逆变器的研究现状和成果进行介绍。

1 提高蓄电池使用寿命

由于光伏电池的输出功率受光强和环境温度的影响变化很大，因此独立光伏发电系统必须配备蓄电池来储存和调节电能，如图1所示。蓄电池价格昂贵，其成本在整个独立光伏发电系统中占很大比重。为此，研究人员提出了各种控制策略和新型拓扑，来努力提高蓄电池的使用寿命。

众所周知，蓄电池的过充或者过放会导致使用寿命的急剧下降。在蓄电池充满电时，启用备用死负荷可以有效防止蓄电池过充，但是造成极大的能量浪费。文献[1]提出：在蓄电池没有充满时，光伏电池输出最大功率；蓄电池满电时，系统脱离MPPT模式，进入直流母线电压控制模式，这样可以有效防止蓄电池过充，提高蓄电池的寿命。

图1 独立光伏发电系统

此外，由于光强和负载需求的间歇性特性，独立光伏发电系统中的蓄电池需要在充电和放电两种状态下频繁的快速切换，以满足功率守恒的要求；而且，逆变器输出瞬时功率中含有二倍工频分量，而MPPT控制下光伏电池的输出功率恒定，这两者的瞬时功率不平衡，也会导致蓄电池频繁的充放电。频繁、快速的大电流充放电同样会缩短了蓄电池的使用寿命。

在逆变器直流侧并联大容量电解电容，可以缓解瞬时功率不匹配的问题，对蓄电池起到一定的保护作用。但是，电解电容寿命较短，这严重影响了逆变器的整体寿命。超级电容的出现带来了新的解决思路。超级电容能够在短时间内提供或吸纳很大的功率，且充放电次数可达50万次，非常适合频繁的充放电。因此，图2所示的蓄电池和超级电容混合储能独立光伏发电系统可以有效延长电池寿命。

2 多端口逆变器

由图2可见，独立光伏逆变器具有三个以上端口：光伏端口、储能装置端口(蓄电池和超级电容)、负载端口，每个端口都连接1个变换器，因此系统体积、质量较大，且存在开关元件多，效率低等缺点。

图2 蓄电池和超级电容混合储能独立光伏发电系统

为了提高系统集成度且能满足低花费、高可靠性的要求，文献[2]构建了以双绕组逆变电路和双向电池充放电电路为主体的新型三端口光伏逆变器。其具有元器件少、结构紧凑等优点，然而两个高频变压器的存在并没有实现负载端与电池端、光伏端的隔离，反而导致了系统效率降低。文献[3]提出的三端口光伏逆变器如图3所示。可见，其前级DC-DC环节为改进型PWM半桥变换器，而后级采用周波变换器。该逆变器通过不对称控制实现了S1-S3的ZVS，而周波变换器工作在工频下，因而整个系统效率很高。

图3 基于改进型半桥变换器的三端口独立光伏逆变器

七开关混合储能单相独立光伏逆变器，如图4所示。图4中，DC-AC部分和DC-DC部分共享开关管S2和S5，相较于传统的光伏系统，变换器级数和开关管数目都大为减少。

图4 四端口独立光伏逆变器

3 高增益逆变器

3.1 多级式高增益逆变器

交流用电设备供电电压为220 V市电，这就要求逆变环节直流侧电压在360～400 V之间，而光伏电池模块和蓄电池的输出电压均较低(<48 V)。将太阳电池模块或者蓄电池多个串联，可以抬高直流电压，但这带来了系统安全性降低、多峰效应、蓄电池组均压控制难以实现等诸多问题。较为合理的方案是设计高增益逆变器来获得较高的直流电压。

高增益逆变器可分为多级式和单级式两类。多级式高增益逆变器可以分为两个组成部分：前级为高增益DC-DC变换器，其完成光伏电池电压到直流链电压的泵升；后级为逆变桥，其实现传统的无源逆变器功能。

已见报道的高增益DC-DC变换技术主要分为：(1)多个Boost变换器级联或交错并联[4]；(2)采用升压式高频隔离变压器[5]；(3)采用二极管和电容的电压举升单元、开关电容或电压乘法单元[6]；(4)采用耦合电感[7]。采用多变换器级联或升压式高频隔离变压器，可有效提高直流增益，但增加了系统的级数，导致效率严重下降。基于二极管和电容的倍压电路增益有限，需要采用多个开关电容单元才能获得更高升压增益，这增加了电路复杂度和成本。而基于耦合电感的高升压增益DC-DC变换器的输入电流纹波较大，且耦合电感的漏感导致很大的电压尖峰。

3.2 单级式高增益逆变器

多级逆变器结构清晰，控制简单，但元器件数量较多，且效率随着变换级数的增加迅速降低。为了降低成本并提高效率，众多学者把研究目光投向单级式高增益逆变器。

Z源逆变器的交流输出电压幅值可高于直流输入电压，因此可归为单级式高增益逆变器[8]。然而，Z源逆变器通过控制桥臂直通零矢量来调节母线电压，升压范围有限，过大的直通占空比会减小调制比和输出电压幅值。文献[9]提出一种耦合电感单级升压逆变器，其在常规逆变器的输入端引入一个耦合电感升压网络，如图5所示。该逆变器通过设计合理的耦合电感匝比和控制逆变桥臂直通占空比来实现高升压，且输出电压变化范围大。

图5 耦合电感单级升压逆变器

此外，将升压变换器与全桥型逆变器进行集成，也可以得到单级式高增益逆变器。Buck-Boost集成全桥型逆变器，如图6所示。该逆变器同样可以显著提高电压增益，且具有效率高和结构简洁的特点。进一步总结单相集成逆变器的5种拓扑：Boost、Buck-Boost、Cuk、Zeta、Sepic逆变器。

图6 Buck-Boost集成全桥型逆变器

Slobodan Cuk和R.W.Erickson依据推挽电路的原理，提出了双Cuk组合式逆变器[10]。与此类似，研究人员还相继提出了双Buck-Boost逆变器[11]、双Boost逆变器[12]。这类逆变器的结构如图7所示，其输出电压是由两个相差180°含直流偏置正弦电压叠加而成，且具有升压特性，非常适合光伏发电系统。

图7 组合DC/DC逆变器结构

4 多电平逆变器

与传统的二电平逆变器相比，多电平逆变器降低了开关管电压应力，提高了输出波形质量，具有THD小、EM I低、效率高的特点，能够很好地满足光伏发电的要求，因此成为国内外学者和工业界研究和应用的热点。目前，多电平逆变器有二极管钳位(NPC)[13]、飞跨电容、H桥级联[14]等结构，其普遍存在使用器件过多，控制和驱动电路复杂等问题。

5 控制策略

5.1 蓄电池充电

常用的蓄电池充电方法有恒流充电、恒压充电、3阶段充电等方法。其中，3阶段充电方法综合恒流充电法与恒压充电法的优点，更适合于独立光伏发电系统。但是，该充电方法下系统长时间工作在欠充状态，导致蓄电池的活性降低，直接影响蓄电池的充电效率与工作寿命[15]。

文献[16]提出一种基于放电脉冲的3阶段充电法。这种方法能够与光伏电池MPPT控制有效的协调，使两者处于最佳工作状态，有利于提高光伏发电系统的工作效率，而且能够提高蓄电池的充电速度。此外，在充电过程中实时地采集电池电压、电流、温度等信号，实时监控电池荷电状态，应用智能控制算法(如模糊控制)进行优化控制，使充电电流始终保持在可接受电流附近，可以大大缩短充电时间而不对蓄电池本体造成损害。

5.2 逆变器控制

独立光伏逆变器通常采用输出电压平均值(或有效值)、输出电压瞬时值和电感电流瞬时值多环控制结构，且一般采用PID控制器进行校正。该控制方法易于实现具有较强的抗短路能力，但是带宽有限，难以同时满足稳态精度和快速性要求，导致在非线性负载下输出电压波形容易畸变。电容电流控制技术具有良好的外特性和非线性负载能力，能够很好地解决上述缺点，但是短路保护能力不足[17]。为了使逆变器获得更快的响应速度和跟踪精度，有必要进一步优化控制策略。近些年来，随着数字技术的快速发展，复合控制、滑膜控制、模糊控制等非线性控制技术在独立光伏逆变器中得到应用。研究表明，基于这些控制方法的独立光伏发电系统可以具有稳暂态性能好、可靠性高的优点。

5.3 能量管理

独立光伏发电系统使用蓄电池和超级电容来存放和调节电能。为了维持发电与用电平衡，保证系统工作正常，系统需要在MPPT模式、稳压模式、限流模式之间频繁地切换[18]。由于各工作模式的控制方式有所区别，就需要能量管理控制器对各工作模式分别控制。协调控制以及能量管理是目前应用中的热点问题，直接影响独立光伏发电系统的成本、寿命周期和效率等，但目前还没有较成熟的方法。文献[19]提出一种集PV输出功率、蓄电池充放电与负载功率获取控制于一体的统一能量控制策略，实现系统能量平滑流动，简化了控制算法，降低了控制器的成本。文献[20]提出一种将储能系统总负荷功率滤波后，采用电流滞环控制蓄电池的充放电、超级电容提供差值功率的新型能量管理方案，以优化对混合储能系统的管理。文献[21]提出了一种混合储能功率控制方法，其基于二级低通滤波，并根据频谱图确定滤波时间常数，结合超级电容和电池各自的储能特点，设置电池充放电功率限值，对滤波输出功率进行修正。

6 结论

本文从简化系统拓扑、优化系统控制、提高系统可靠性的角度，对独立光伏逆变器的研究现状进行了简单介绍。本文有助于研究人员大致了解独立光伏逆变器的研究热点和进展，为确定科研方向提供一定参考。

[1]DURYEA S，ISLAM S，LAWRANCE W.A battery management system for stand-alone photovoltaic energy systems[J].IEEE Ind. Appl.Mag，2001，7(3)：67-72.

[2]高志强，纪延超，谭光慧，等.新型光伏三端口逆变器[J].电工技术学报，2011，26(S1)：113-117.

[3]QIAN Z J，ABDEL RAHMAN O，HU H B，et al.An integrated three-port inverter for stand-alone PV applications[C]//IEEEConference on Energy Conversion Congress&Expo，Atlant：IEEE，2010：1471-1478.

[4]罗全明，闫欢，孙明坤，等.基于拓扑组合的高增益Boost变换器[J].电工技术学报，2012，27(6)：96-102.

[5]赵国言，黄勤，凌睿，等.一种新型交错并联Boost-Flyback直流升压变换器[J].电网技术，2014，38(10)：2779-2783.

[6]PRUDENTE M，PFITSCHER L L，EMMENDOERFER G，et al. Voltage multiplier cells applied to non-isolated DC-DC converters[J].IEEE Transon Power Electronics，2008，23(2)：871-887.

[7]WAIR J，WANG W H，LIN C Y.High-performance stand-alone photovoltaic generation system[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics，2008，55(1)：240-250.

[8]汤雨，谢少军，张超华.改进型Z源逆变器[J].中国电机工程学报，2009，29(30)：61-67.

[9]周玉斐，黄文新.耦合电感单级升压逆变器[J].中国电机工程学报，2011，31(33)：61-67.

[10]DARW ISH A，HOLLIDAY D，AHMED S，et al.A single-stage three-phase inverter based on Cuk converters for PV applications [J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2014，4(2)：797-804.

[11]嵇保健，洪峰.半周控制双Buck-Boost单级逆变器[J].电工技术学报，2011，26(10)：53-60.

[12]徐飞，汤雨，何耀华.双Boost逆变器半周期调制策略研究[J].中国电机工程学报，2014，34：1-8.

[13]张建功，刘邦银，段善旭，等.基于独立光伏系统的三相三电平逆变器[J].高电压技术，2006，32(11)：103-106.

[14]DAHER S，SCHM ID J，FERNANDO L M A.Multilevel inverter topologies for stand-alone PV systems[J].Industrial Electronics，IEEETransactionson，2008，55(7)：2703-2712.

[15]KOUT R E，KALAIT Z K.Novel battery charging regulation system for photovoltaic applications[J].IEE Proceedings of Electric Power Applications，2004，151(2)：191-197.

[16]曹卫华，李明杨，陈鑫，等．独立光伏发电系统高效充电控制器设计[J].浙江大学学报：工学版，2010，44(7)：1260-1265．

[17]许爱国，谢少军．电容电流瞬时值反馈控制逆变器的数字控制技术研究[J].中国电机工程学报，2005，25(1)：49-53．

[18]廖志凌，阮新波.独立光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报，2009，29(21)：46-52．

[19]袁建华，高峰，高厚磊，等.独立光伏发电系统统一能量控制策略[J].电工技术学报，2011，26(1)：247-252.

[20]王海波，杨秀，张美霞.平抑光伏系统波动的混合储能控制策略[J].电网技术，2013，37(9)：2452-2458.

[21]桑丙玉，陶以彬，郑高，等.超级电容-蓄电池混合储能拓扑结构和控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2014，42(2)：1-6.

Review of stand-alone photovoltaic inverter

ZHANG Jia-qi，QIN Ling，WANG Ya-fang，HU Mao，KONG Xiao-xiao
(SchoolofElectrical Engineering，Nantong University，Nantong Jiangsu 226019，China)

Photovoltaic(PV)inverter is the main part of stand-alone PV generation system，and its performance directly determ ine the reliability，efficiency and lifetime of the whole system.Therefore，itbecomes hotspotwhich scholars research on.From the aspects of im proving reliability，simp lifying topology and optim izing control strategy，the difficulties in the research area of stand-alone PV inverters were introduced，and the progresses were reviewed. Itprovides a guideline for researchers to selectpossible research orientation in future.

stand-alone photovoltaic generation;inverter;high gain;multiple ports;controlstrategy

TM 914

A

1002-087X(2016)07-1532-04

2015-12-05

国家自然科学基金项目(51207075)；南通市应用基础研究项目(GY12015007)

张佳祺(1989—)，男，江苏省人，硕士生，主要研究方向为高增益独立光伏逆变技术。