什么是新型單級(jí)Buck-Boost逆變器？你知道嗎？

隨著全球多樣化的發(fā)展，我們的生活也在不斷變化著，包括我們接觸的各種各樣的電子產(chǎn)品，那么你一定不知道這些產(chǎn)品的一些組成，比如單級(jí)Buck-Boost逆變器。

近些年來(lái)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2018光伏裝機(jī)量超過(guò)43GW。逆變器作為光伏系統(tǒng)的高度智能單元，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備。在當(dāng)今科技高速發(fā)展的浪潮下，各行業(yè)以極快的速度更新迭代。當(dāng)下的組串式光伏逆變器不僅功能更強(qiáng)大、智能化程度更高且單機(jī)功率也是持續(xù)的突破上限。近期國(guó)內(nèi)不少光伏項(xiàng)目70/80kW及更大功率的組串式逆變器漸漸成為主流。同樣在中高壓并網(wǎng)的光伏電站中，組串式逆變器也有逐步替代集中型逆變器的趨勢(shì)。

逆變器又稱(chēng)電源調(diào)整器，根據(jù)逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的用途可分為獨(dú)立型電源用和并網(wǎng)用二種。根據(jù)波形調(diào)制方式又可分為方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波逆變器和組合式三相逆變器。對(duì)于用于并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器，根據(jù)有無(wú)變壓器又可分為變壓器型逆變器和無(wú)變變壓器型逆變器。逆變指將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過(guò)程，逆變電路指可完成逆變功能的電路，逆變器指可實(shí)現(xiàn)逆變功能的裝置設(shè)備。光伏逆變器(又稱(chēng)為電源調(diào)整器)，是逆變器的一種，該類(lèi)逆變器常用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中，故將其名曰“光伏逆變器”。光伏逆變器除直交流變換功能外，還具有自動(dòng)運(yùn)行、停機(jī)功能和最大功率跟蹤控制功能。

逆變器是一種由半導(dǎo)體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力。一般由升壓回路和逆變橋式回路構(gòu)成。升壓回路把太陽(yáng)電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓;逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價(jià)地轉(zhuǎn)換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要由晶體管等開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成，通過(guò)有規(guī)則地讓開(kāi)關(guān)元件重復(fù)開(kāi)-關(guān)(ON-OFF)，使直流輸入變成交流輸出。當(dāng)然，這樣單純地由開(kāi)和關(guān)回路產(chǎn)生的逆變器輸出波形并不實(shí)用。一般需要采用高頻脈寬調(diào)制(SPWM)，使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內(nèi)始終讓開(kāi)關(guān)元件按一定頻率朝一方向動(dòng)作，這樣形成一個(gè)脈沖波列(擬正弦波)。然后讓脈沖波通過(guò)簡(jiǎn)單的濾波器形成正弦波。

光伏逆變器跟一般逆變器的區(qū)別體現(xiàn)在其具備最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能與針對(duì)電網(wǎng)安全的低電壓穿越能力。而分布式光伏逆變器是光伏逆變器在應(yīng)用形式上的一個(gè)類(lèi)別，目前廣泛應(yīng)用在光伏扶貧以及家庭光伏中。分布式光伏發(fā)電包括并網(wǎng)型、離網(wǎng)型及多能互補(bǔ)微網(wǎng)等應(yīng)用形式，并網(wǎng)型多應(yīng)用于用戶附近，自發(fā)自用;離網(wǎng)型多應(yīng)用于邊遠(yuǎn)地區(qū)和海島地區(qū)，利用自身的發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)直接向負(fù)荷供電;與其它發(fā)電方式組成多能互補(bǔ)微電系統(tǒng)，如水、風(fēng)、光等，既可以作為微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，也可以并入電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。憑借良好和穩(wěn)定的性能，贏得多方用戶的青睞。

降低度電成本、提質(zhì)增效、多行業(yè)融合是現(xiàn)代光伏行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)包括光伏逆變器在內(nèi)的光伏產(chǎn)品性能提出更高要求。逆變器雖然在初始投資方面占比小，但作為連接電網(wǎng)和光伏發(fā)電單元的橋梁，其作用不可小視。逆變器是光伏電站的核心設(shè)備，通過(guò)電力電子逆變技術(shù)，將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為可并入電網(wǎng)的交流電。在光伏逆變器領(lǐng)域，組串式、集中式、集散式三大主流技術(shù)各領(lǐng)風(fēng)騷。

根據(jù)BNEF數(shù)據(jù)，2019年底累計(jì)光伏裝機(jī)容量超過(guò)風(fēng)電裝機(jī)，成為僅次于煤炭、天然氣、水電的全球第四大發(fā)電來(lái)源。2013-2019年間，全球新增光伏裝機(jī)量的復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到20%中國(guó)、歐洲、美國(guó)等光伏主要市場(chǎng)每年新增裝機(jī)量維持在較高水平，此外印度、澳大利亞等新興市場(chǎng)崛起，光伏新增裝機(jī)量GW級(jí)市場(chǎng)增多，至2018年已達(dá)13個(gè)(2007年出現(xiàn)第一個(gè))，并呈持續(xù)增加之勢(shì)。每年新增光伏裝機(jī)量的增長(zhǎng)帶動(dòng)光伏逆變器的需求快速增加。光伏逆變器量2019年達(dá)到127GW，2013-2019年間復(fù)合增速為22%，除新增光伏裝機(jī)需求外，未來(lái)幾年逆變器替換需求市場(chǎng)有望持續(xù)增長(zhǎng)。由于逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般10-15年，在組件25年的運(yùn)營(yíng)周期中，至少需要更換一次逆變器，據(jù)IHSMarkit測(cè)算，2020年全球光伏逆變器的更替需求約為8.7GW，同比增長(zhǎng)近40%。

燕山大學(xué)提出一種新型無(wú)電解電容單級(jí)Buck-Boost逆變器。該逆變器具有升降壓能力，不僅電路本身不含電解電容，而且其抵抗輸入側(cè)低頻脈動(dòng)的能力強(qiáng)，有利于減小輸入側(cè)濾波電容值，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)無(wú)電解電容化。該逆變器具有成本低、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、短路及斷路保護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，符合中小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)的要求。

逆變器作為光伏發(fā)電的重要組成部分，主要的作用是將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)變成交流電。目前，市面上常見(jiàn)的逆變器主要分為集中式逆變器與組串式逆變器，還有新潮的集散式逆變器。

由于傳統(tǒng)方案的不足，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究單級(jí)非隔離結(jié)構(gòu)的逆變器。與傳統(tǒng)方案相比，單級(jí)非隔離升降壓型逆變器有諸多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需變壓器、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需元件少;相比多級(jí)式拓?fù)淦渲挥幸粋€(gè)能量環(huán)節(jié)，因此在效率方面具有優(yōu)勢(shì)。但是目前已經(jīng)提出的單級(jí)升降壓型逆變器大多沒(méi)有解決濾波器尺寸大的問(wèn)題。有學(xué)者提出了Z源逆變器，Z源逆變器通過(guò)將無(wú)源儲(chǔ)能元件組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)加入橋式結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)升降壓逆變，但Z源逆變器中無(wú)源網(wǎng)絡(luò)所需的電感和電容值較大，且其升壓能力較弱，盡管可以通過(guò)改變無(wú)源網(wǎng)絡(luò)使升壓能力得到提高，但是改變后的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件參數(shù)設(shè)計(jì)也變得困難。

組串式出貨占比仍將提升逆變器市場(chǎng)多數(shù)玩家兼營(yíng)集中式和組串式，全球化布局明顯目前PowerElectronics、上能電氣產(chǎn)品以集中式逆變器為主，Enphase以微型逆變器為主，華為、SolarEdge、錦浪、固德威均以組串式逆變器為主，但華為產(chǎn)品主要為大組串，面向大型地面電站和工商業(yè)光伏系統(tǒng)，而后三者面向戶用市場(chǎng)。陽(yáng)光、SMA產(chǎn)品線齊全，兼有集中式和組串式逆變器業(yè)務(wù)。市場(chǎng)中多數(shù)企業(yè)均致力于全球化布局，銷(xiāo)售區(qū)域涵蓋歐美等傳統(tǒng)市場(chǎng)，及澳大利亞、印度等新興市場(chǎng)。

在研究設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定會(huì)有這樣或著那樣的問(wèn)題，這就需要我們的科研工作者在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，這樣才能促進(jìn)產(chǎn)品的不斷革新。