18、耐阴影光伏微转换器：技术解析与未来趋势

最新推荐文章于 2025-10-26 14:17:09 发布

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耐阴影光伏微转换器：技术解析与未来趋势

1 住宅光伏系统概述

住宅光伏系统根据光伏转换器的不同配置，大致可分为两类：带中央转换器的光伏系统和带模块级电力电子设备（MLPE）的光伏系统。

1.1 带中央转换器的光伏系统

在传统光伏系统中，太阳能电池板通常串联形成电池串，多个电池串再串联以提高额定功率。这些电池串的总电压由“中央转换器”（也称为“串式逆变器”）转换为交流电。这种系统成本较低，组件数量少，但存在一些明显缺点：
- 单个模块故障影响大 ：单个太阳能模块故障可能会影响整个电池串的运行。
- 阴影问题严重 ：部分阴影会导致整个电池串的发电能力大幅下降。例如，单个面板部分阴影，输出降至其产能的75%，则整个电池串可能只能达到其满容量的75%。
- 扩展困难 ：电池串的布局、模块方向、倾斜度和模块数量需保持一致，扩展较为困难。虽然旁路二极管有时可缓解阴影问题，但效果并不理想。

1.2 带模块级电力电子设备（MLPE）的光伏系统

与传统系统不同，MLPE系统通过减少光伏模块的损耗失配，提高了能源产量。根据处理的功率，可分为部分功率转换和全功率转换，全功率转换系统更具优势，主要包括光伏功率优化器（PVPO）和光伏微逆变器（PVMIC）。MLPE系统具有以下优点：
- 更高的系统可靠性 ：模块级集成和功率处理使其使用更安全。
- 设计灵活性 ：可根据需求轻松调整系统规模。
- 更高的发电量 ：减少了模块间的失配损耗。
- 耐阴影能力强 ：能更好地应对部分阴影问题。

1.2.1 光伏功率优化器（PVPO）

PVPO本质上是一种DC/DC转换器，通常为非隔离式降压 - 升压DC/DC转换器。它将优化后的直流电压发送到串式逆变器，最大化光伏模块的整体发电量。其主要优点是输入电压工作范围极宽，能与市场上大多数光伏模块兼容。然而，串式逆变器的存在可能成为转换系统的“瓶颈”，且串联模块产生的高直流电压可能导致电线产生电弧。

1.2.2 光伏微逆变器（PVMIC）

在PVMIC系统中，与光伏模块关联的微逆变器并联连接。它们能最大化光伏模块的能量收集，同时完成直流到交流的转换，直接与电网建立交流连接，无需串式逆变器。这种并联连接方式使系统易于扩展，且在出现故障时可进行模块级监控和关闭。但PVMIC也有一些缺点：
- 成本较高 ：多级功率转换以及嵌入式控制、保护和通信系统导致组件数量多，成本增加。
- 故障率可能较高 ：组件数量多可能导致故障率增加，尤其是在高温环境下。
- MPPT电压范围较窄 ：通常在成本、效率和可靠性之间进行权衡，导致MPPT电压范围较窄。

2 转换器效率评估

光伏逆变器是影响光伏系统整体能量产量和效率的关键组件之一。光伏转换器效率通常用加权转换器效率表示，因为光伏模块的输出会随光照强度变化。不同地区采用不同版本的加权转换器效率近似方法，常见的有欧洲加权转换器效率（ηEURO）和加利福尼亚能源委员会加权效率（ηCEC）。

2.1 加权转换器效率计算方法

欧洲加权转换器效率（ηEURO） ：
[
\eta_{EURO} = 0.03\eta_{5\%} + 0.06\eta_{10\%} + 0.13\eta_{20\%} + 0.10\eta_{30\%} + 0.48\eta_{50\%} + 0.20\eta_{100\%}
]
该公式基于六个预定的运行水平（5%、10%、20%、30%、50%和100%）以及相应的加权因子（0.03、0.06、0.13、0.10、0.48和0.20）计算得出。
加利福尼亚能源委员会加权效率（ηCEC） ：
[
\eta_{CEC} = 0.04\eta_{10\%} + 0.05\eta_{20\%} + 0.12\eta_{30\%} + 0.21\eta_{50\%} + 0.53\eta_{75\%} + 0.05\eta_{100\%}
]

2.2 总效率计算

加权转换器效率方法仅考虑了转换器效率，而未考虑最大功率点跟踪（MPPT）效率。MPPT效率是影响光伏转换器效率的重要因素，尤其是在阴影条件下。总效率或整体效率可表示为转换器效率和MPPT效率的乘积：
[
\eta_{TOTAL} = \eta_{CONV} \cdot \eta_{MPPT} = \frac{P_{AC}}{P_{DC}} \cdot \frac{P_{DC}}{P_{MPP}}
]
其中，$P_{AC}$为平均输出交流功率，$P_{DC}$为平均输入直流功率，$P_{MPP}$为最大可用光伏功率。

2.3 阴影对效率的影响

部分阴影会减少发电量，降低转换效率。阴影可能由附近的树木、烟囱、天线、电线杆等引起，树叶或鸟粪落在光伏电池上可能导致最严重的“不透明阴影”。即使单个模块被阴影遮挡，其他模块的能量生产也会受到影响，因为阴影模块通常会被集成的旁路二极管旁路，这会产生多个局部最大功率点（LMPPT），使转换器难以检测到全局最大功率点（GMPPT），从而影响整体效率。

3 光伏微转换器

光伏微转换器（PVMIC）可分为两类：DC/AC PVMIC（即光伏微逆变器）和DC/DC PVMIC。

3.1 DC/AC PVMIC

3.1.1 非隔离式升压转换器

这类转换器所需半导体器件少，成本低，但需在高升压模式下运行以实现高电压增益，导致半导体器件承受高电流应力，市场上不太受欢迎。例如，一种改进的Ćuk转换器，输入电压范围为40 - 100V，在特定条件下效率可达93.5%，CEC效率为94.55%，但其理论直流电压增益虽可达10V，但实际最大增益仅为3V，不足以在230V的交流电网下运行。

3.1.2 隔离式升压PVMIC

这类转换器更受市场欢迎，根据拓扑结构可分为单级、两级和三级转换器：
- 单级转换器 ：使用全桥展开电路进行电网连接，形成半正弦电压。其优点是组件数量少、成本低、控制简单，但输入侧存在双线频率电压纹波，需要大电容进行滤波，增加了成本、重量和尺寸。常见的拓扑是反激式微逆变器，可在连续电流模式（CCM）、不连续电流模式（DCM）或边界电流模式（BCM）下运行。为提高性能，可采用有源钳位电路或有源缓冲器回收泄漏能量，实现软开关；采用交错拓扑分散电流和热应力。
- 两级微逆变器 ：由升压DC/DC电路和高频逆变器组成，第一级形成直流电压并实现MPPT，第二级形成正弦电流注入电网。其优点是可缓冲双线频率电压纹波，但总效率较低，系统成本较高。不同的两级拓扑结构各有优缺点，如德州仪器的微逆变器采用带有源钳位电路和电压倍增整流器的反激式DC/DC转换器作为第一级，两个DC/AC降压转换器作为第二级；基于DC/DC推挽转换器的拓扑可扩展输入电压范围，但晶体管开关电流大，存在开关损耗和变压器漏电感能量问题。

3.2 DC/DC PV转换器

理论上，上述微逆变器的例子都可通过移除电网连接逆变器并改变控制方法，用于直流总线运行。此外，还有一些专门设计的DC/DC转换器，如Femtogrid Energy Solutions的非隔离式单级DC/DC转换器，该拓扑仅包含一个受控半导体器件，可实现软开关，功率损耗低，成本低，且能在高直流电压增益下运行，扩展了输入电压范围。

3.3 不同PVMIC的比较

PVMIC	输入电压范围（V）	最大功率（W）	输出电压范围（V）	峰值效率（%）	CEC效率（%）
非隔离式Ćuk转换器	40 - 100	300	110	94.43	94.55
M250 Enphase	16 - 60	250	189 - 264	96.5	96.5
Microchip微逆变器	25 - 45	250	90 - 140, 210 - 264	95	94.5
TI微逆变器	28 - 45	320	110 - 140, 220 - 280	93.34	92
基于推挽式的微逆变器	20 - 32.9	270	207 - 253	-	-
ST微逆变器	18 - 55	250	230 - 240	94.1	93.4
Enecsys微逆变器	20 - 44, 27 - 54	225, 340	230	94.8, 95.4	-
太阳能Optiverter	8 - 60	300	230	96.2	95.3
Femtogrid	8 - 42	310	360 - 400 DC	97	96.67
DC/DC QZS SR	8 - 60	300	400 DC	97.4	96.75

从比较结果可以看出，典型的输入电压范围约为20 - 45V，不足以应对部分阴影条件。只有太阳能Optiverter能提供在部分阴影条件下运行所需的输入电压范围，且效率较高。非隔离式微逆变器不适合作为模块级光伏转换器，工业上最流行的解决方案是带有源缓冲器或有源钳位器的交错反激式拓扑。DC/DC PVMIC的效率通常高于DC/AC转换器，因为其不包含有功率损耗的电网连接逆变器，但DC/DC PV系统需要一个集中式接口逆变器将直流电压总线连接到公用交流电网。

4 PV模块子串级解决方案

为解决模块级的失配问题，提出了子串级方法，主要包括以下三种结构：

4.1 差分功率处理（DPP）

DPP方法用于解决光伏元件的功率失配问题，只处理光伏模块总功率的一小部分，因此所需转换器的硬件实现紧凑且成本低。从架构上可分为子串到子串和子串到总线两类，采用多种降压 - 升压和反激式拓扑作为DPP转换器。以子串到子串配置为例，消除了接线盒中的嵌入式旁路二极管，通过双向降压 - 升压转换器处理子串之间的失配功率。

4.1.1 工作原理和设计

通过控制DPP转换器开关的占空比，处理相邻子串之间的失配功率，将每个子串的工作点调整到其最大功率点。电感的平均电流计算公式如下：
[
I_{L1} = I_{PV2} - I_{PV1} + (1 - D_2)I_{L2}
]
[
I_{L2} = I_{PV3} - I_{PV2} + D_1I_{L1}
]
其中，$I_{L}$为电感电流，$I_{PV}$为每个子串的电流，$D$为每个开关的占空比，取决于子串的电压，计算公式为：
[
D_i = \frac{V_{PV,i}}{V_{PV,i + 1} + V_{PV,i}}
]
DPP转换器处理的总功率为：
[
P_{DPP} = V_{PV1}I_{L1} + V_{PV2}I_{L2}
]
DPP方法处理的总功率占比定义为：
[
\alpha = \frac{P_{DPP}}{P_{PV}}
]
其中，$P_{PV}$为光伏模块子串产生的总功率。为实现MPPT算法，DPP转换器和微逆变器需同时测量模块电流，由于它们安装在光伏模块背面，测量过程较为准确，但对于带有中央逆变器的系统来说较为复杂。DPP转换器处理的功率低，电压和功率额定值也低，因此成本和尺寸降低，且可选择高开关频率，减小电感尺寸，使其能安装在接线盒中。

4.1.2 实验结果讨论

通过对100%和50%辐照度的失配条件进行实验测试，结果表明DPP概念能成功补偿失配问题。在失配条件下，旁路二极管的工作会导致不同的局部最大功率点，微逆变器在没有DPP转换器时只能跟踪局部MPP，而激活DPP转换器后，阴影子串限制的功率得到恢复，光伏模块可接近其最大可用功率输出。DPP方法功率额定值低，系统效率高，可集成到现有系统，但在高失配功率（如不透明阴影）下的性能有待进一步研究。

4.2 集成功率优化器（IPO）

IPO是一种被动结构，可与升压转换器集成，作为光伏模块和直流总线之间的接口，形成统一的光伏微转换器，解决子串级的失配问题。它无需反馈控制系统，自动处理子串之间的失配电流，通过升压DC/DC转换器实现MPP跟踪。

4.2.1 工作原理和设计

IPO通常是一个被动电压倍增器（VM）网络，由能量传输电容和二极管与隔离降压变压器耦合而成。消除旁路二极管后，VM网络的输出与每个子串并联。在正常情况下，子串电压相等，IPO不工作；在失配条件下，子串的失配电流导致性能不佳的子串电压下降，IPO通过向光伏模块注入电流来补偿电压降，使所有输出电压相等。为实现这一操作，需要在降压变压器的初级侧施加方波电压，可通过与升压转换器结合来提供该电压。以单开关准Z源DC/DC转换器（SSqZSC）为例，在正常运行时，qZS网络的电感上会产生方波电压，将IPO变压器的初级侧替换为qZS网络的输入电感，变压器的磁化电感作为SSqZSC的输入电感，IPO由qZS输入电感上的电压驱动，该电压等于SSqZSC的直流电压，计算公式为：
[
V_{dc} = \frac{V_{PV}}{1 - 2D_S}
]
其中，$V_{PV}$为输入电压，$D_S$为SSqZSC开关的占空比。在失配条件下，与阴影子串并联的IPO输出二极管导通，IPO提供电流以补偿失配电流。为评估IPO概念的性能，考虑不同的阴影场景，例如，当一个子串被阴影遮挡时，IPO在满足以下条件时会向光伏模块注入电流：
[
V_{dc} > \frac{nV_{PVS} + V_D}{2}
]
其中，$V_D$为二极管的正向电压降，$V_{PVS}$为阴影子串的电压。IPO的匝数比应根据该条件进行设计。

4.2.2 概念验证

对带有IPO的SSqZSC进行800/800/400W/m²的失配条件模拟，结果显示，在没有IPO时，SSqZSC只能跟踪局部MPP，功率为125.8W；启用IPO后，MPP移动到（28.8V，181.5W），能够收获约97%的可用串功率，而无IPO时仅能达到最大可用功率的67%。这表明IPO可补偿子串之间的失配功率，将转换器的最大收获功率提高约30%，且由简单的MPPT算法控制，失配功率由IPO自动处理。由于VM网络无磁化组件，可设计成紧凑的PCB安装在接线盒中，统一结构具有高升压电压和电气隔离的特点。

4.3 带并联和串联DC/DC转换器的子串级微逆变器

该方法将传统单输入微逆变器的DC/DC级复制为三个独立的DC/DC转换器，每个转换器的输入直接连接到子串，输出以串联或并联配置组合到DC/AC逆变器的输入。

4.3.1 并联反激式DC/DC与PWM全桥逆变器

采用三个并联的反激式转换器作为DC/DC级，DC/AC级由全桥逆变器组成。反激式转换器在边界电流模式（BCM）下运行，每个转换器独立控制，从其子串提取MPP并输送到直流母线，全桥逆变器将该功率馈入电网。设计时，电感应设计为在BCM下运行，所有半导体器件根据每个阶段的额定功率和电压进行选择。

4.3.2 串联反激式DC/DC与PWM全桥逆变器

输入连接与并联拓扑相同，每个子串与转换器单独连接，反激式转换器的输出串联并将功率输送到DC/AC级的直流母线。与并联配置相比，串联连接的电压升压比可较低，因为直流母线的电压是DC/DC转换器输出电压之和。两种配置都使用输出低通滤波器来消除输出电流的高频谐波。

4.3.3 拓扑比较

通过比较六种不同的基准因素（总安装半导体因素、总存储电容能量、总存储电感能量、变压器面积乘积、传导损耗因素和开关损耗因素）评估这两种概念的性能和可行性。结果显示，两种结构的基准因素相近，但串联连接的DC/DC转换器在开关损耗因素方面表现更好，差异系数为1.5。在实际应用中，串联方法控制复杂，需要更宽的电压升压范围；并联DC/DC配置在DC/AC级存在硬开关问题，导致开关损耗高，可通过用GaN器件进行优化来缓解，实现约94.5%的效率。与模块级微逆变器相比，子串级方法的DC/DC级升压比更高，但在失配条件下能提高能量产量，在深度失配条件下表现更好。

综上所述，三种子串级耐阴影概念都能解决子串之间的失配问题，DPP概念以子串到子串的方式缓解失配功率，IPO以串到子串的方式处理，最后一种概念通过每个转换器单独进行MPPT以收获每个子串的最大功率。从控制角度来看，第一种和最后一种方法采用闭环控制处理失配功率，而IPO自动完成。DPP和串联 - 并联概念通过DC/DC转换器实现，导致组件数量和成本增加，但三种方法都能显著改善失配功率的补偿，可收获光伏模块约97%的可用功率，是无此概念时的约1.5倍。不过，还需要详细研究该方法在不同失配条件下的能力。

5 全局最大功率点跟踪（GMPPT）

随着全球光伏安装量的快速增长，为解决光伏安装中的部分阴影条件（PSC）问题，对MPPT方法的研究不断深入。PSC会导致光伏阵列的P - V特性出现多个最大值点，传统MPPT方法可能无法捕获全局最大功率点（GMPP），因此需要能够找到最佳GMPP的算法，以提高光伏系统在硬阴影情况下的耐阴影能力。

5.1 GMPPT分类

GMPPT可分为硬件和软件方法两类：
- 修改的MPPT技术 ：采用模糊逻辑控制器、分割矩形和负载线等方法解决PSC问题，但由于在确定搜索范围时可能存在问题，该策略被认为不适用。
- P - V曲线扫描方法 ：是最常见的研究方法，无需额外硬件，但在功率损耗和扫描时间之间存在权衡，取决于P - V曲线在开路和短路边界处的工作点变化。
- 元启发式方法 ：如粒子群优化（PSO）和蚁群优化，将GMPP视为优化问题，但定位GMPP所需时间长，需要强大的实现软件。
- 硬件方法 ：使用额外电路扫描光伏的P - V曲线，简化功率转换器的操作，本文重点介绍此类方法。

5.2 硬件GMPPT

5.2.1 生成控制电路

这是一种小型转换器，作为有源旁路替代旁路二极管，但存在复杂性高和功率规模小的问题。

5.2.2 改变PV串阻抗的外部电路

这是一种更有前景的技术，可在单次P - V扫描中更快地跟踪GMPP。通过外部硬件电路进行P - V曲线扫描，起始点可以是开路（Voc, 0）或短路（0, Isc）边界，然后向GMPP移动。先将PV串设置为开路或短路状态一段时间$t_{set}$，然后算法开始扫描光伏功率和电压，在时间$t_{sweep}$内捕获GMPP。在确定GMPP窗口后，可应用传统MPPT方法（如增量电导法（INC）或扰动观察法（P&O））在剩余扫描时间$t_{scan}$内精确识别GMPP。通常使用三级升压转换器（TLB）作为接口拓扑，因其电压额定值低于传统升压转换器，功率损耗低。扫描PV曲线的硬件方法包括：
- MOSFET沟道电阻 ：向PV端子施加短路电流脉冲（ISC），通过将ISC乘以参数$k$获得最佳工作电流，$k$值可通过扫描P - I曲线确定。先关闭DC/DC转换器，使PV端子呈开路状态，当PV端子电压低于直流母线电压时，在扫描时间$t_{sweep}$内线性增加MOSFET开关的栅源电压，使其在截止、饱和和欧姆区域之间切换。扫描完成后，确定GMPP，转换器恢复正常运行。
- 升压转换器电感 ：基于包含升压转换器电感的开关阻抗电路扫描PV串的P - V特性，仅适用于能使PV端子短路的有源转换器。先关闭转换器，使PV端子开路，然后将PV和升压电感串联并短路，输入电容$C_{con}$应尽可能小以避免测量误差。扫描时间计算公式为：
[
t_{sweep} = 2\frac{L_{boost}I_{sc}}{V_{oc}}
]
其中，$L_{boost}$为升压转换器电感，$I_{sc}$为PV短路电流，$V_{oc}$为PV开路电压。
- 额外开关电感 ：与升压转换器电感方法类似，但使用额外的电感$L_{sweep}$、开关$T_{sweep1}$和二极管$D_{sweep}$，实现TLB转换器和MPPT的解耦。先实现开路状态$t_{set}$，然后通过开关$T_{sweep2}$将PV端子短路$t_{sweep}$时间，识别GMPP后，外部电感$L_{sweep}$在正常运行时与主升压电感$L_{boost}$相加。

5.3 扫描GMPP

找到GMPP的扫描时间至关重要，应尽可能短以提高整体效率。扫描过程可能需要多次迭代，应尽量减少光伏模块结电容的影响，因为高扫描步长会产生更多功率振荡，导致转换器功率器件的热循环增加，从而增加转换器损坏的概率，违反光伏系统25年的保证。加速GMPP是收敛速度和准确性之间的权衡，GMPP算法在数字平台上执行，数字平台的速度会影响扫描时间的选择，在时间$t_{sweep}$内，数字控制器的采样间隔为$T_s$，采样点数$N$计算公式为：
[
N = \frac{t_{sweep}}{T_s}
]

5.4 案例研究

以建筑集成光伏（BIPV）为例，对市场上的商业微逆变器（包括低端微逆变器（LoMI）、高端微逆变器（HiMI）和耐阴影微逆变器（STMI））在不同阴影和非阴影条件下进行实验验证，并评估其最大功率点效率和功率转换效率。实验中，微逆变器连接到单相230V公用电网，额定频率为50Hz，使用横河WT1800数字功率分析仪测量效率，使用安捷伦E4360A光伏模拟器。考虑三种屋顶BIPV模块微串：
- 8 × Gaia GS Integra Line SP 595微串
- 3 × SunTegra® Shingle微串
- 6 × GB - Sol PV Slate微串

根据EN 50530（2010）标准，光伏转换系统效率计算公式为：
[
\eta_{PV} = \eta_{MPPT} \cdot \eta_{MI}
]
其中，$\eta_{MPPT}$为MPPT效率，$\eta_{MI}$为微逆变器效率。实验测量了六种PV功率曲线，结果表明，在部分阴影场景下，STMI在BIPV微串中的光伏能量转换效率表现最佳。由于使用可变MPPT步长，HiMI偶尔能捕获GMPP，LoMI则通过更基本的控制系统实现。STMI的效率查找表为控制系统提供整体效率优化，例如，在ST - 1 P - V曲线中，STMI选择MPP2而非MPP3，因为MPP2电压是MPP3的两倍，且长期可靠性略高，智能控制可提高能量产量，减少STMI的热循环，增强长期可靠性。此外，对三种BIPV模块的不同配置进行测量，结果显示STMI（PV Optiverter）具有良好的可扩展性，即使在BIPV微串电压水平比现有微逆变器最低MPPT电压低三倍的情况下，仍能以超过80%的效率将光伏功率传输到配电网。

6 未来趋势

6.1 与不同光伏模块（BIPV）的兼容性

光伏模块在材料、形状和尺寸上各不相同，电压范围也多种多样。目前，硅基光伏模块已趋于成熟，成本降低速度放缓，而薄膜技术正不断发展以降低成本，如碲化镉（CdTe）和铜铟（镓）技术。传统的将光伏模块串联到串式逆变器或使用多电平逆变器的方法存在可靠性低、阴影性能差和可扩展性受限等问题。新推出的耐阴影微逆变器（STMI）Optiverter具有超宽的输入电压调节范围，可应用于具有不同特性的模块。通过比较两种传统微逆变器（LoMI和HoMI）和Optiverter在13种不同BIPV模块上的能量转换能力，发现STMI由于其宽输入电压范围，在选择不同模块时具有更大的自由度，能更灵活地实现屋顶BIPV系统。

6.2 与电池操作兼容的微转换器

住宅电池储能系统（RBESS）对于能源性能和近零能耗建筑（NZEB）法规至关重要。在建筑配电系统中使用直流总线时，可通过微转换器以与光伏源相同的模块化方式将RBESS连接到总线。模块化储能系统可提高灵活性，减少重量和空间占用，适用于住宅建筑应用。理想的微转换器应具有宽输入电压和输出负载调节范围的通用转换器拓扑。为实现电池的充放电功能，可在用于PV - 总线连接的拓扑基础上增加双向功率流能力，结合拓扑变形控制方法和可重构转换器，以及在充放电操作模式下分别应用多模式控制（MMC）方法以获得最佳性能。例如，具有可重构qZS网络的qZS DC/DC转换器是一种有前途的RBESS接口候选方案。此外，三端口微转换器也是一种趋势，可同时支持PV - 电池与总线/电网的连接，但与双端口微转换器相比，其复杂度高、可靠性低，作为模块化系统实现难度大。

6.3 为电网提供辅助服务（无功功率支持）

随着光伏微逆变器的广泛应用，人们开始关注利用它们为配电网提供支持。微逆变器可通过系统级控制和与配电系统运营商（DSO）的通信，为配电网提供无功功率，调节电网的电压和频率，改善配电馈线的电压分布，并用于单户家庭的功率因数校正（PFC）。控制无功功率的算法与串式逆变器相同，两级微逆变器更适合提供无功功率支持，因为DC/DC级可完全控制PV电压和MPPT，DC/AC级可通过不同控制方法更自由地控制有功和无功功率注入。例如，AP Systems YC600是一款具有多种电网支持特性的双模块微逆变器，采用独立MPPT（两级）拓扑，每个通道可提供300VA峰值功率，输入电压范围为22 - 48V，功率因数可在0.8超前到0.8滞后之间调节。

6.4 智能电网就绪（DSO远程控制）

智能逆变器应具备数字架构、双向通信能力和强大的软件基础设施，能够发送和接收消息与命令，为DSO提供所需的电网支持选项，如斜坡率控制、功率削减、故障穿越和通过电压 - 无功功率支持电压分布。夏威夷的一家公用事业公司与Enphase Energy合作实施了智能电网就绪逆变器，为解决该地区太阳能安装量增加导致的电压波动问题，要求逆变器将频率跳闸限制从59.6Hz扩展到57Hz。为促进逆变器公司、公用事业公司和其他第三方之间的合作，正在进行各种文档记录和研究工作。UL/ANSI 1741、IEEE 1547和IEC 61850是发布的重要标准，涵盖了实现逆变器通信接口的要求。

综上所述，光伏微转换器技术在不断发展，未来将朝着更高效、更兼容、更智能的方向发展，以满足不同光伏系统的需求，提高能源利用效率，为电网提供更稳定的支持。

7 总结与展望

7.1 技术总结

本文围绕光伏微转换器展开了全面的探讨，涵盖了住宅光伏系统的不同架构、转换器效率评估、各类光伏微转换器的特点、PV模块子串级解决方案、全局最大功率点跟踪（GMPPT）方法以及未来发展趋势等多个方面。

住宅光伏系统架构 ：分为带中央转换器和带模块级电力电子设备（MLPE）两类。中央转换器系统成本低但存在阴影问题和扩展困难；MLPE系统包括光伏功率优化器（PVPO）和光伏微逆变器（PVMIC），具有更高的可靠性、设计灵活性和耐阴影能力。
转换器效率评估 ：通过加权转换器效率（如欧洲加权效率和加利福尼亚能源委员会加权效率）评估转换器效率，同时考虑最大功率点跟踪（MPPT）效率，总效率为转换器效率和MPPT效率的乘积。部分阴影会显著影响效率，导致局部最大功率点（LMPPT）出现，增加了追踪全局最大功率点（GMPPT）的难度。
光伏微转换器 ：包括DC/AC PVMIC和DC/DC PVMIC。DC/AC PVMIC又分为非隔离式升压转换器和隔离式升压PVMIC，后者更受欢迎，有单级、两级和三级转换器等不同拓扑；DC/DC PVMIC效率通常较高，但需要集中式接口逆变器连接到交流电网。
PV模块子串级解决方案 ：提出了差分功率处理（DPP）、集成功率优化器（IPO）和带并联和串联DC/DC转换器的子串级微逆变器三种子串级耐阴影概念，都能解决子串间的失配问题，可收获约97%的可用功率。
全局最大功率点跟踪（GMPPT） ：分为硬件和软件方法，硬件方法包括生成控制电路、改变PV串阻抗的外部电路等，能更快地跟踪GMPP。扫描GMPP的时间对整体效率至关重要，需要在收敛速度和准确性之间进行权衡。
未来趋势 ：包括与不同光伏模块（BIPV）的兼容性、与电池操作兼容的微转换器、为电网提供辅助服务（无功功率支持）以及智能电网就绪（DSO远程控制）等方面，体现了光伏微转换器技术向更高效、更智能方向发展的趋势。

7.2 技术对比

7.3 未来挑战与机遇

尽管光伏微转换器技术取得了显著进展，但仍面临一些挑战：
- 成本问题 ：部分技术（如PVMIC）成本较高，限制了其大规模应用。未来需要进一步优化设计和制造工艺，降低成本。
- 阴影应对能力 ：虽然提出了多种耐阴影解决方案，但在极端阴影条件下的性能仍有待提高。需要开发更高效的GMPPT算法和耐阴影技术。
- 兼容性问题 ：随着光伏模块技术的不断发展，需要确保微转换器与不同类型和规格的模块兼容，提高系统的通用性。

同时，也存在许多机遇：
- 市场增长 ：全球对清洁能源的需求不断增加，光伏市场前景广阔，为光伏微转换器技术的发展提供了巨大的市场空间。
- 技术创新 ：新材料、新拓扑和新控制算法的不断涌现，为提高光伏微转换器的性能和效率提供了可能。
- 智能电网融合 ：随着智能电网的发展，光伏微转换器可以与电网更好地融合，为电网提供更多的辅助服务，实现能源的高效利用和优化配置。

7.4 展望未来

未来，光伏微转换器技术将朝着以下方向发展：
- 高效化 ：通过优化拓扑结构、采用新型材料和先进的控制算法，进一步提高转换器的效率，降低功率损耗。
- 智能化 ：具备更强的智能控制和通信能力，能够实时监测和调整系统运行状态，实现与电网的智能交互。
- 集成化 ：将光伏微转换器与电池储能系统、其他分布式能源设备集成，形成更加高效、稳定的分布式能源系统。
- 标准化 ：建立统一的标准和规范，提高产品的兼容性和互换性，促进市场的健康发展。

总之，光伏微转换器技术在可再生能源领域具有重要的应用前景，通过不断的技术创新和发展，将为实现可持续能源目标做出更大的贡献。

8 附录：技术流程与算法

8.1 加权转换器效率计算流程

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    A[确定运行水平和加权因子] --> B[测量不同运行水平下的转换器效率]
    B --> C[根据公式计算加权转换器效率]
    C --> D[输出加权转换器效率结果]

具体步骤如下：
1. 确定运行水平和加权因子：根据不同地区的标准（如欧洲加权效率或加利福尼亚能源委员会加权效率），确定预定的运行水平（如5%、10%等）和相应的加权因子。
2. 测量不同运行水平下的转换器效率：在实际运行中，测量转换器在各个预定运行水平下的效率。
3. 根据公式计算加权转换器效率：使用相应的公式（如$\eta_{EURO} = 0.03\eta_{5\%} + 0.06\eta_{10\%} + 0.13\eta_{20\%} + 0.10\eta_{30\%} + 0.48\eta_{50\%} + 0.20\eta_{100\%}$）计算加权转换器效率。
4. 输出加权转换器效率结果：将计算得到的加权转换器效率作为最终结果输出。

8.2 GMPPT硬件扫描流程

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    A[设置PV串为开路或短路状态] --> B[等待t_set时间]
    B --> C[开始扫描PV功率和电压]
    C --> D[在t_sweep时间内捕获GMPP]
    D --> E[应用传统MPPT方法精确识别GMPP]
    E --> F[转换器恢复正常运行]

具体步骤如下：
1. 设置PV串为开路或短路状态：通过控制开关，将PV串设置为开路（Voc, 0）或短路（0, Isc）状态。
2. 等待$t_{set}$时间：保持PV串在开路或短路状态一段时间$t_{set}$。
3. 开始扫描PV功率和电压：启动扫描程序，开始扫描PV的功率和电压。
4. 在$t_{sweep}$时间内捕获GMPP：在扫描过程中，在$t_{sweep}$时间内找到全局最大功率点（GMPP）。
5. 应用传统MPPT方法精确识别GMPP：在确定GMPP窗口后，应用传统MPPT方法（如增量电导法（INC）或扰动观察法（P&O））在剩余扫描时间$t_{scan}$内精确识别GMPP。
6. 转换器恢复正常运行：识别出GMPP后，转换器恢复正常运行，按照GMPP进行功率输出。

8.3 DPP工作流程

graph LR
    A[测量子串电流和电压] --> B[计算开关占空比]
    B --> C[控制DPP转换器开关]
    C --> D[处理子串失配功率]
    D --> E[调整子串工作点到最大功率点]

具体步骤如下：
1. 测量子串电流和电压：通过传感器测量每个子串的电流和电压。
2. 计算开关占空比：根据子串的电流和电压，使用公式$D_i = \frac{V_{PV,i}}{V_{PV,i + 1} + V_{PV,i}}$计算DPP转换器开关的占空比。
3. 控制DPP转换器开关：根据计算得到的占空比，控制DPP转换器的开关动作。
4. 处理子串失配功率：通过开关的控制，处理相邻子串之间的失配功率。
5. 调整子串工作点到最大功率点：不断调整子串的工作点，使其达到最大功率点。

通过以上流程和算法的描述，希望能帮助读者更好地理解光伏微转换器技术的工作原理和操作方法。在实际应用中，可以根据具体需求和场景进行适当的调整和优化。