深圳海纳通太阳能有限公司   易鹏

摘  要  本文介绍了无工频隔离变压器型光伏并网发电逆变器的设计要求，分析了取消隔离变压器所带来的技

术经济收益和必须克服的技术难点，并结合自己的设计实践和产品测试情况，介绍了基本实现方法和目前达到的技术 指标。

关键词  光伏发电  并网逆变器  无工频隔离变压器

，

，

前言

近十年来国际上光伏并网发电技术取得很大进 展，日、欧、美等发达国家已安装了许多太阳能并网 发电系统。作为太阳电池方阵和交流配电系统间进 行能量变换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、 制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具有 举足轻重的地位。

传统的并网逆变器在交流输出侧大多装设工频 隔离变压器，对逆变过程中产生的谐波、直流分量具 有很好的隔离效果，能够有效地满足技术标准和规 范对并网设备的要求，但是成本高、体积大、重量重， 特别是有变压器后整机逆变效率难以进一步提高。

并网逆变器采用无变压器设计是一种最新的技 术发展趋势，近年来已开始得到应用。

北 京 索 英 电 气 技 术 有 限 公 司 自 主 研 制 开 发 了

无工频隔离变压器型光伏并网逆变器（

）。该产品按照日本电气安全研究所（  ）《小型分 散发电系统并网保护装置认证》的并网标准进行严格 测试验证，证实完全符合日本并网运行的要求，与带 无工频隔离变压器的同类产品比较，整机重量轻，效 率高，成本低，并具有同样的安全特性，同时还具有电 流谐波小，太阳能最大功率追踪（  ）准确等特点。 对 户 用 光 伏 发 电 这 样 的 小 功 率 分 散 电 源 并 网

装置，我国目前还没有正式颁布相关的安全技术标 准。国际上对光伏发电系统并网接口普遍采用的技

易鹏，工程师  15811833602

 咨询了解本文发  ： 

术标准有  、  、

和日本的《小型分散发电系统并网保护装置认证》等。 无工频隔离变压器型光伏并网逆变器设计

硬件设计

主回路主要由  变换和  三相逆变 回路构成。   变换控制回路控制太阳电池 的输出功率，将  的直流低电压升高至能够满足回 馈电网的直流高压，同时实现  剪贴处控制；三 相  逆变回路为电压型逆变回路，通过控制并 网时流入电网的电流，实现交流并网控制。

控制回路的核心是新型工业级  位  ，其极 高的运算速度在满足三相电流瞬时统一  控制 要求的同时，还能够完成  、并网安全控制和故 障保护等实时性、快速性要求很高的控制功能。由于 能够实现三相电流统一控制，主回路结构得到简化， 降低了成本，提高了可靠性。

另外，通过绝缘的  通信口，  控制回 路可与显示板和远程控制计算机通信，将并网逆变 器的工作状态、运行参数传给显示板和计算机，实现 实时数据采集、传送和显示。  显示和微动开关键 盘使用户可以直观了解装置的运行状态，简单方便 地设定各种运行参数，如图  。

三相

统的保护。另外，当由于太阳能供电的不稳定性或操

作人员的误操作造成系统处于非正常状态时，系统 应可靠保护并具有自恢复能力。这些在本逆变器的 设计中都作了全面的考虑。

对异常电网条件的响应 通过对电网电压进行实时监测，实现对过压、欠压

等电网电压异常情况的监测，并可以设定电压高限、电 压低限和电压异常消除后再并网的延迟时间等参数。

通过对电网频率进行实时监测，实现对过频率、 欠频率等电网频率异常情况的监测，并可以设定频 率高限、频率低限和频率异常消除后再并网延迟时 间等参数。

针对人身安全和设备安全的最大隐患“孤岛”现 象，特别采用了被动式和主动式两种检出方式，完全 满足有关标准中反“孤岛”的相关要求。

被动式检出方式

被动式“孤岛”检出的基本原理是虽然在“孤岛” 出现时，系统电压频率的变化不大，但由于逆变器输 出功率和负载之间存在的细微偏差会造成电压相位 出现跳变，通过检测这种电压相位的跳变达到来判 断“孤岛”运行的出现。

主动式检出方式

被动式“孤岛”检出虽然能够提高并网逆变器对 “孤岛”检出的灵敏度，但在某种特殊的情况下仍不

太阳电池  直流断路器

三相

逆变器

能实现“孤岛”检出，主动式“孤岛”检出的原理是通

驱动电路

接口电路

驱动电路

过周期性的无功功率扰动输出，监测逆变器输出电 压电流的微小变化计算判断出“孤岛”运行状态。

监控板

控制电路 电源

直流电流分量检出和抑制

在  中采用了专门的直流分量检出回

图  无变压器型太阳能并网逆变器框图

安全性能设计 光伏并网系统需要与配电网并联运行。所以，本

逆变器在安全设计方面，不但要考虑操作者的人身 安全和逆变器本身的故障保护，还要兼顾对电网系

路。针对直流电流分量相对于逆变器输出的交流电 流总量非常小的特点，通过硬件回路和软件控制算 法相结合的方法检测直流分量的大小。通过直流分 量抑制控制使直流分量小于国际标准规定的  。 一旦由于意外情况造成直流分量超过  时，系统自 动进入保护状态。

装置自身保护

本装置设计了多种自我保护功能，对操作者人 身 安 全 和 产 品 自 身 的 可 靠 性 提 供 了 完 善 的 保 护 措 施：启动自检、直流输入极性接反、输出交流过电流、 输入输出侧浪涌抑制、过热保护、直流接地和交流漏

电流保护。

实现三相统一控制。

实验数据及波形 电压电流波形，效率及谐波

从图  可以看出逆变器输出的电流为近乎完美 的正弦波。由于是向电网注入电流，测量的波形相位

与电压相差  。

最大功率点追踪设计（  ）  ’  ：

剪 至 控 制 技 术 又 称 最 大 功 率 点 追 踪 技 术。众所周知，太阳电池有其固有的电流电压特性曲 线，又称  特性曲线。在一定的光照下，太阳电池 流过不同的电流，相应的电池端电压也不同，所以， 与一条  曲线相对应，就会有一个太阳电池的最

：

大功率输出点。

为了提高整个光伏并网发电系统的效率，并网 逆变器采用了高性能的  控制技术。通过逆变 器  单元控制太阳电池的输出电压，同时计算 太阳电池的输出功率。当电压减小时电池板输出功

率增加，则进一步控制电压降低，直至达到功率输出

图  交流相电压（  ）

逆变器输出线电流波形（  ）

从 图  可 以 看 出 ， 满 负 荷 时 逆 变 效 率 为

，功率因数接近  。

的最高点。这时当继续降低电压时，输出功率开始减 小，  判定功率开始减小后自动改变电压控制方 向，控制太阳电池的输出电压开始增加。如此往复进 行最大功率点的搜寻追踪，以保证太阳电池一直工

作在最大功率输出附近。因为该方法与登山寻找最

交 流 线 电 压 ， 线 电 流

并 网 功 率 电 流 谐 波

项 目  项 目  项 目

表 示 设 定

直 流 输 入 电 压 电 流

直 流 输 入 功 率 逆 变 器 工 率

高峰相类似，所以又称“登山法”。

经测试验证，  控制精度达到了  ，太阳 电池的输出能力得到了充分发挥。

控制技术

空间矢量控制技术是为了得到三相交流电机高 控制性能而发展起来的一种先进的控制技术，该技 术在电机控制领域已被广泛应用。为了降低成本，并 得到好的控制性能，在国际上先进的三相并网逆变 器中也已经开始应用这种控制技术。

空间矢量的实质是将三相相差  度相位的电 压或电流正弦波等效成一个在空间匀速旋转的电压 或电流矢量，从而简化三相电压或电流的控制，并可

图  输出功率及效率

从图  可以看出逆变器输出电流总谐波畸变率 在  之间，各次谐波中以  次谐波含量最 大，为  ，符合相关标准要求。

图 电流谐波分析

“孤岛”检出

从图  中可看出当逆变器输出功率与负载基本 相同时，电网电流非常小。在电网断电后电网电流变 为零，  后逆变器通过被动方式检测出“孤岛”

状态，自动停止运行。

直流分量检出

图  的  为逆变器输出电流（  ）， 为直流分量（  ）。实验中 人 为 造 成 直

流分量由  跳变，逆变器能自动检出保护。

：

图  直流电流分量检出保护波形

图  被动式“孤岛”检出  ，逆变器输出电流  ，  电 网电流

从图  中可看出，在被动式“孤岛”检出方法未 能检测出“孤岛”状态后，主动式“孤岛”检出技术在

左右检测出“孤岛”状态，自动停机保护。

：

结论

实践证明，经仔细设计并采用适当的技术手段， 无工频隔离变压器直接并网不会对电网安全和电能 质量造成不利影响，同时还具有体积小、重量轻、成 本低、效率高等优点。北京索英电气技术有限公司设 计的  无工频隔离变压器型太阳能并网逆变器 首批五台样机在日本严格按照日方标准《小型分散 发电系统并网保护装置认证》的规定进行测试，产品 完全符合相关标准要求。

无工频隔离变压器型太阳能并网逆变器在技术 经济指标上都优于通常采用工频隔离变压器型逆变

器，其推广应用对降低光伏系统整体造价，提高太阳

能利用率具有现实意义  阳 能

（责编：向银阶）

图 主动式“孤岛”检出

刊  误

本刊上期（ 年  月刊）有以下编校错误，特予更正，并向作者、读者致歉！

图  为逆变器输出电流（  ），  为

电网电流（  ）。

被动式“孤岛”检出方式能检测出通常“孤岛”现 象，反应灵敏。主动式“孤岛”检出方式对“孤岛”识别 率更高。两种技术相结合，使逆变器抗“孤岛”能力大 为提高，能更好地保护设备和人员安全。