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摘要：在光伏并网微型逆变器中，输出功率含有两倍工频的功率脉动，而光伏组件根据 MPPT算法控制输出为恒定的功率，这两者的瞬时功率不平衡通常由并联在光伏组件两端的大电解电容来解决。然而电解电容寿命有限，远低于光伏组件的寿命要求，成为影响微型逆变器寿命和稳定性的决定性因素。回顾了国内外应用于光伏并网微型逆变器中的功率解耦技术，进行分类介绍并列举了不同的电路拓扑及控制方法，最后对其进行比较并指出各种方法的优缺点。
引言
微型逆变器具有能量利用率高、可扩展性好、安装成本低、易于维护等优点，也发展为光伏并网发电系统的热点。微型逆变器通常安装在光伏组件（PV panels）的背面，或者与单个光伏组件集成为“AC模块”（AC-Module），这就希望逆变器能具有与太阳能电池板相匹配的寿命。
众所周知，光伏组件在每一光照和稳定条件下都会产生特定的功率，而传输到电网的瞬时功率却含有两倍工频的功率脉动。这是单相并网逆变器中普遍存在的瞬时功率不匹配的现象。通常，将大容量的电解电容并联在光伏组件两侧，用于平缓逆变器输入电压和平衡逆变器的瞬时输入输出功率，也就是功率解耦。然而电解电容的寿命在105°C的工作条件下只有1 000~7 000 h，这远远低于光伏组件的使用寿命。因此，电解电容极大地缩短了逆变器系统的整体寿命，也降低了光伏并网系统的可靠性。
如今，国内外研究发展了多种功率解耦技术，使得所需的电容容量大大减小，从而使用小容量、长寿命的电容如薄膜电容，来替代电解电容，以支撑逆变器的整体使用寿命。
1 功率解耦的原理
在微型逆变器系统中，在一定的温度和光照条件下，光伏组件输出恒定的功率，Ppv，记为：
Ppv=Vpv x Ipv （1）
其中 Vpv和 Ipv分别为光伏组件的输出电压和电流。注入电网的正弦电流为 ia c（t），电网电压为vac(t)，则逆变器的瞬时输出功率 pac(t)为：
vac(t)=Vacsin(wt )（2）
ia c(t)=Ia csin(wt )（3）
pac(t)=vac(t)x ia c(t)= Vac2 Ia c -Vac2 Ia c cos(2wt )（4）
其中w为电网的角频率。考虑到单位功率因数的要求，令注入电流与电网电压相位相同。
在理想无损耗的情况下，输出功率 pa c（t）的平均值也是恒定的，并且等于光伏组件的输出功率。这样 pa c（t）中的另一个分量，两倍工频的功率脉动就是需要处理的解耦功率，pd (t)=Ppv cos(2wt)。通常，电容被选为用作解耦元件。当 Ppv大于 pac(t)时，pd（t）为正，超出的这部分功率存储在解耦电容中曰而当 Ppv小于pac(t)时，pd（t）为负，解耦电容放电以补充输出所需要的功率。解耦电容与解耦能量的关系为：
其中 Vac和△V分别为电容上的平均电压电压纹波。可见，在一定的功率和电网频率下，解耦电容的容值大小与电容电压平均值及电压纹波有关。如果刻意增加电容电压平均值 Vav和电容电压纹波△V，那么电容容值会显著减小。当电容容值减小到薄膜电容可以允许的范围内时，电解电容就可以被长寿命的薄膜电容取代，消除了电解电容对逆变器的寿命影响，提高系统的稳定性。
2 功率解耦技术的分类
要实现功率解耦、降低电容容值的目的，目前已发展出一些特殊的电路拓扑及控制方法，主要有有源滤波（APF）法、解耦电路串联法、单级反激逆变器变换法、多级逆变器解耦法、三端口解耦法等。
2.1 有源滤波（APF）法
有源滤波法是在光伏组件的输出侧并联解耦电路，应用有源滤波技术，通过控制解耦电路注入直流母线的电流在保证光伏组件输出电流的平滑性的同时使逆变器输出所需的瞬时功率。一种应用 buck/boost双向变换器作为解耦电路的方法如图 1所示，当 Ppv大于 pac(t)时，解耦电容充电，电路工作在boost模式；而当 Ppv小于 pac(t)时，解耦电容放电，电路工作在 buck模式。在 70 W的样机上，解耦电容的平均电压和电压纹波分别提高到 45 V和 10V，解耦电容由原来的 2.78 mF降低到500μF。其优点是解耦电路与逆变器电路分开工作，互不影响。但是，若使用薄膜电容需要将容值进一步降低，为保证解耦电路正常工作，从交流输出侧引入一个工频变压器给解耦电路提高能量，这样必然会对逆变器输出的交流电流质量受到影响。
2.2 解耦电路串联法
解耦电路与光伏组件串联，不仅可以实现功率解耦的目的，控制方法较简单，同时光伏并网逆变器中的 MPPT功能也可以由解耦电路完成。图 2为 ZEPIC电路与反激逆变器串联的拓扑，可以将其视为两级电路，光伏组件输出的功率先经过 DC级的功率解耦，再经过逆变器输出到电网。通过DC变换器，可以将解耦电容上的平均电压和电压纹波加大，从而减小电容容值。
2.3 单级反激逆变器变换法
基于单级反激逆变器开发出的解耦技术大都是在光伏组件输出侧的解耦。在传统单级式反激逆变器原边加入解耦电路，结合控制方法，既能完成传统光伏并网逆变器的功能，还能减小解耦电容所需的容值。图 3为日本东京都立大学提出的带功率解耦电路的反激型光伏并网逆变器[7]，在 100 W的样机中，解耦电容仅需40μF。此拓扑中，每个开关周期光伏组件输出相同的功率给原边励磁电感充磁，再通过励磁电感存储到解耦电容中，随后解耦电容再按正弦电流基准给励磁电感反向充磁，最后能量传递到副边直至电网。
图 4为另一种基于反激逆变器的解耦电路，当逆变器输入功率大于输出功率时，解耦电容通过变压器原边励磁电感充电，当逆变器输入功率大于输出功率时，解耦电容放电给励磁电感补充能量。该拓扑所用元件少，且一定程度上解决了漏感吸收的问题，但是为满足光伏组件输出电流平均值的平滑性，原边电流的峰值基准计算复杂，在控制上较难实现。
2.4 多级逆变器解耦法
在多级微型逆变器中，可以将解耦电容并联在 DC母线上。 DC母线上电压可以很高，也允许较大的纹波，使减小解耦电容容值更为方便。一种三级结构的光伏并网微型逆变器如图 5所示 [11]，由移相全桥电路、buck电路及全桥逆变器组成。移相全桥电路将光伏组件的输出电压升高至475 V，buck电路产生正弦半波电流，最后进行工频逆变产生正弦电流注入电网。值得注意的是，母线前后两个不同的电路分别控制输入功率和输出功率，若功率不平衡将会使电容电压无限升高造成永久性破坏，所以两个电路在功率控制上需要很好的同步，以保证能量守恒和稳定的母线电压。
2.5 三端口解耦法
三端口解耦方法中，三个端口分别用来处理的MPPT，完成 DC/AC的逆变，实现功率解耦。一个典型的三端口网络如图 6所示，反激变压器含有两个输出绕组 L2和 L3，L2的输出经过滤波和全桥工频逆变至电网，L3与一个全桥电路构成解耦电路。在此拓扑中，光伏组件先输出恒定的能量给原边励磁电感，当 Ppv大于pa c(t)时，电网所需的功率由 L2输出，其余的能量则通过L3储存在解耦电容 CD中；当 Ppv小于pa c(t)时，原边励磁电感的能量全部传递到副边，解耦电容也要释放能量以补充负载的需要。解耦电路采用全桥变换器满足了解耦电容上能量双向传输的需要。
3 比较与讨论
上述几类解耦方法在电路拓扑及控制方法上各有利弊，表 1对这些解耦方法的应用拓扑从样机功率、解耦电容容值、效率、结构、控制方法的难易程度等进行了比较。有源滤波法结构简单，控制简单，但解耦电容容值减小不多；解耦电路串联法中，解耦电路的控制较独立，容易实现，但是光伏组件输出的所有功率都会经过解耦电路，这会增加损耗和开关管的电压电流应力；单级反激逆变器变换法所用元件少，电容电压较低，各开关管电压应力小，但解耦电路与光伏组件不隔离，在控制方法的设计上需要考虑减少解耦电路对光伏组件输出特性的影响，所以控制较复杂；多级逆变器解耦法中，通过一级 DC/DC将直流母线电压升高，从而使降低电容更加方便，但母线高电压以及电压纹波会引起的逆变器输出电流的畸变，所以在逆变器的控制方法上需要进行修正，以减小影响；三端口解耦法中，解耦电路与光伏组件隔离，在解耦电容上的大电压纹波不会影响光伏组件的输出特性，利用变压器变比使电容电压及电压纹波有很大的提高，电容更小，但电路中开关管的电压应力也进一步增大，会引起损耗增加，且考虑到隔离的因素，副边开关管的控制也会比较复杂。
此外在功率因数校正（PFC）应用中，同样存在功率解耦的问题。所不同的是 PFC中输入功率为两倍工频的正弦脉动，而输出功率恒定，所以解耦电容通常位于输出端。有文献提出在正弦电流基准中注入三次谐波的方法以减小解耦电容。通过注入三次谐波电流分量，使得功率脉动也含有三次工频的分量，减小了脉动功率的能量，所以需要的储能电容也减小了。这种独特的方法不局限于提高电容电压，而直接从能量入手，是一种非常新颖的解耦技术，可以考虑在逆变器电路中应用。谐波注入可能会影响到逆变器输出的电流质量、总谐波失真度（THD）和功率因数，所以实际应用还有待研究。
4 结论
在光伏并网微型逆变器中，为平衡输入输出瞬时功率，解耦元件必不可少。传统方法中应用大容量电解电容作为解耦元件虽简单，但严重制约了微型逆变器的使用寿命。应用功率解耦技术减小解耦电容的容值，就可以用长寿命的薄膜电容替代解耦电容，从而延长逆变器的寿命，也增强了系统的可靠性。本文回顾了在光伏并网微型逆变器中使用的功率解耦技术，对每种类型的解耦技术列举了应用实例加以说明并比较总结。每种解耦技术在成本、效率及控制复杂度上均各有利弊，在使用过程中也需要综合考虑。讨论结果将有助于未来对光伏并网微型逆变器中功率解耦技术的进一步研究。
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