无隔离变压器光伏逆变器的技术关键

无论采用何种技术，逆变器的基本设计都很明确，且非常相似。其核心就是将直流电压（光伏组件）转换成交流电压（可并网）的过程。在转变的过程中，不停地转换直流电的正负极连接，从而形成方向变化的交流电。所以，逆变器的关键部件是桥接开关（晶体管元件，见图1：a）），这个开关桥的一侧连接输入的直流电源，在另一侧连接交流电网。在工作过程中，只有两个相对的开关可以同时关闭。　
　　

并网光伏逆变器的基本设计
　　

无论采用何种技术，逆变器的基本设计都很明确，且非常相似。其核心就是将直流电压（光伏组件）转换成交流电压（可并网）的过程。在转变的过程中，不停地转换直流电的正负极连接，从而形成方向变化的交流电。所以，逆变器的关键部件是桥接开关（晶体管元件，见图1：a）），这个开关桥的一侧连接输入的直流电源，在另一侧连接交流电网。在工作过程中，只有两个相对的开关可以同时关闭。
　　

如果将此开关桥的开关速度设置成与电网频率相同，则在理论上可以将桥的输出侧与电网连接。但是，由于这样输出的电流是方波，且强度没有变化，因此需要在输出端安装一个具有铁芯的电感器，用以将输出电流控制成为正弦波形状。桥的断开采用脉冲过程进行，从而形成与脉冲相关的较小电流分量。这样的电流分量可以对电感器的电流进行控制。脉冲的频率一般为20KHz ， 这样就完全可以形成50Hz的电流，见图1：b）。
　　

对于光伏逆变器来说，还有一个非常重要的设备不能遗漏：输入端的电容器，见图1： c ） 。电容器的作用是储存电能，确保来自发电侧的电流持续一致供给桥接开关，并通过与电网频率同步变化的桥进入电网。只有在输入电容器的容量足够大的情况下，才能够保证光伏发电系统的持续、正常运行。

图1：光伏逆变器的基本设计
　　

图2描述了可用于直接并网的逆变器的基本功能。但在实际应用中，输入电压的范围具有一定的局限性。对于并网发电应用，其输入电压必须在任何时刻都高于电网的峰值电压。当电网电压的有效值为250V时，达到正常并网要求的发电源侧的最低电压应为354V。
　　

与标准逆变器的基本设计不同，直接并网逆变器有很多方法来调整或提升输入电压范围。常用的逆变器技术方案与结构都各不相同：

图2：最常用的逆变器电路图表一览
　　

上面提到的逆变器拓朴结构不仅在电气隔离方面不同，在可达到的效率、对电压的依赖性等方面也各不相同。因此，没有统一的公式来界定何种逆变器设计是最优秀的设计，用户必须要考虑到具体使用的逆变器特性。
　　

无隔离变压器光伏逆变器的技术关键
　　

目前，只要光伏发电站设计合理，完全可以经济运行。直接并入电网的无变压器型逆变器因为其低成本、高效率而日益受到重视。但是，该技术仍然被认为是“有问题的”。这一点将在下面进行检验和说明。 

变压器将电能转化成磁能，再将磁能转化成电能。在输入与输出端之间安装的电气隔离装置导致的能量损失可达到1%，甚至高达2%。因此，无变压器型逆变器的运行效率要比变压器型逆变器高。这种技术还有很多其它的优点，例如材料消耗少、重量轻等。
　　

总而言之，无变压器型逆变器相对体积较小、重量较轻、价格也比较便宜，在很多方面都比变压器型逆变器更具优势。虽然光伏发电站的运行和安全性都不需要采用电气隔离措施，在设计直接并网的逆变器时还是应该考虑到以下几个方面。 

图5：外观相同，内部电路不同：变压器型和无变压器型两种Sunny Boy效率特性。
　　

正常运行状态下的漏电电流
　　

将来自光伏组件的电压采用高频率（20kHz）转换过程中，高频电压应等同于电网电压峰值；这些电压在逆变器内部被认为是干扰，滤波器可以阻断这些干扰，防止其进入电网。但在理论上，阻止来自发电电源侧的直流分量进入交流电网是不可能绝对实现的。 

这样，根据所采用逆变器结构的不同，在交流输出中也将存在不同的对地直流电压分量。如果太阳能电池组和/或者其接线端对地存在交流电压，将产生“漏电电流”，通过寄生电容流向电池组接地点。 

图6：Sunny Boy 2100TL逆变器光伏电池组对地电压

图7：Sunny Boy 5000TL HC多组串逆变器光伏电池组对地电压
　　

下面我们以Sunny Boy 2100TL和Sunny Boy 5000TL HC两种逆变器为例。如上图所示。这两种逆变器的运行会在其电子部分产生与时间相关的电势，它们的光伏组件对地电压也不相同。Sunny Boy 2100TL采用H型桥结构，加在光伏组件上的电压为电网电压有效值的一半。
　　

多组串逆变器SB5000TL HC则采用电容半桥结构。桥的中线直接连接在电网的中线上。这样的结果就是产生的对地电压只是50Hz的低电压值，其分量只是电网电压很小的一部分，只相当于变压器拓扑结构中的电压纹波量。
　　

除了电网电压提升方面的考虑，漏电电流的大小还取决于光伏组件寄生电容的大小，该电容值大小与电池面积及组件与边框之间的距离相关。因此，关于漏电电流情况，应该在设计系统时就仔细考虑逆变器的结构和光伏组件尺寸。面积越大、电池与光伏组件边框之间的距离越小，产生的漏电电流就越大。无边框结构光伏组件的漏电电流值很低。然而，安装在不锈钢箔上的非晶电池会产生很大的漏电电流。
　　

外部条件也会对漏电电流产生影响，因此不可避免会产生一定的波动。如果沉淀物或者清洁液弄湿了光伏组件，漏电电流就会增加；这些液体中的电子物质成分缩短电池与电池间的距离，造成漏电电流升高。 

总之，光伏组件在运行时的漏电电流（正常情况下）取决于很多运行条件，没有定值来衡量。以H型桥逆变器（如Sunny Boy 2100TL）为例，在运行过程中光伏组件的漏电电流值在1-30mA/KWp范围内。