1 问题的提出

当今，太阳能发电系统中的$微型逆变器系统是安全稳定、智能高效的绿色环保的清洁能源技术产品。这是由何引起呐？众所周知，在设计太阳能发电系统时主要考虑的是两个关键因素，即效率和谐波失真。而其效率可分成两个部分：太阳能的效率和$逆变器的效率。目前，大多数太阳能逆变器只能从太阳能电池板的某个最佳位置对电池板的整体效率进行优化。而该优化方法严重制约了太阳能发电系统的效率。如果光伏系统在非最佳电压及电流水平下运行，系统的效率就非常低，白白浪费采集太阳能的良机。在光伏系统中，太阳能电池板是由多个串联组并联后形成的。就像节日灯饰一样，假如串联中的任何某个电池发生故障，就会导致整个电池组失效。此外，当有局部阴影或碎砾等遮蔽光伏系统时，这种情况也会发生。那如何克服太阳能发电的瓶颈呐？那就是将传统的集中式太阳能发电改变为分布式太阳能发电。这样就能最大程度地减少了能源开发对环境的影响以及对土地的占用和基础设施建设的投入，同时也解决了电力远程传输过程中的很多损耗和高额成本，使地方电网更加稳定、高效。虽则分布式太阳能发电给电力公司带来稳定、优质的电力网络，并能将改善所有终端用户的生活质量，延长电器的使用寿命。然而要预期达到上述目的，必须在分布式太阳能发电系统中应用新型微型逆变器及其智能性逆变器，才能有效克服集中式太阳能发电系统中影响效率的瓶颈。为此本文将对微型逆变器在分布式太阳能发电系统中的构建与应用以及拓宽后的智能性逆变器新趋势作分析说明。
2 微型逆变器在分布式太阳能发电系统中的实现
设计思想：在屋顶上安装一组太阳能电池板、建一个小型电站，不仅满足自家使用，多余的电还可以上网——这种即发即用的分布式太阳能电站，是许多平民百姓的梦想。然而，要让梦想变成现实，必须克服电流转换这个拦路虎：太阳能电池板发出的是直流电，需要借助电力调整装置——逆变器转换成交流电。现将每一块太阳能电池板连接一个$微型逆变器后就是一个独立的发电站，所产生的直流电就被转换成电网上传输的低噪音、高稳定的AC交流电。当电站的电池板中有一块发生故障，不会影响其他电池板，系统的总体发电效率能提高15%-25%。
2.1 基于微处理器的微型逆变器构建方案
为此先从微网逆变器系统基本构建述起。
2.1.1 微网逆变器系统基本构建
微网逆变器系统将可再生能源（如太阳能，风能，水能，地热能，生物质能等）转变为与电网同频、同相的交流电，优先输送给当地负荷供电，剩余的电能馈入电网。微网逆变器系统主要包括：光伏组件、蓄电池组、蓄电池充放电设备、DC/DC变换器、微型逆变器（或称微网逆变器）、静态开关等。以5kW微网逆变器系统为典例作介绍，其结构如图1所示。
微网逆变器系统的设计简析。从图1可知微网逆变器系统主要由二大部份合成，即微型逆变器部份（见其图1左图）与静态开关部份（见其图1右图）。
2.1.2 微型逆变器基本架构
该微型逆变器是微网逆变器系统中的关键部分。微型逆变器（见图2(a)所示）输出为三相交流电，具有并网和独立运行两种工作模式。微型逆变器主电路采用智能功率模块进行逆变(DC-AC)，产生三相交流电。
值此对基于微处理器的微型逆变器构建方案作解析。具体构建如下：
(1)智能功率模块—IPM与保护电路
IPM是一种先进的功率开关器件，具有GTR（大功率晶体管）高电流密度、低饱和电压和耐高压的特点，并具有MOSFET（场效应晶体管）高输入阻抗高开关频率和低驱动功率等优点。IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也增强了系统的可靠性。为此可由IR2130组成逆变模块电路设计：IR2130是600V以下高压集成驱动器件，它具有六路输入信号和六路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，一片IR2130可替代3片IR2110，使整个驱动电路更加简单可靠。其IPM逆变模块保护电路设计是：IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道，软件保护不需要增加硬件，简便易行，但可能受到软件设计和计算机故障的影响；硬件保护则反应迅速，工作可靠。应用中软件与硬件结合的方法能更好的弥补IPM自身保护的不足，提高系统的可靠性。
(2)关于$DC/DC变换器方案 
逆变电路(DC-AC)的前端是DC/DC变换器，它采用Boost（升压）拓扑，实现直流电压的升压功能和蓄电池的最大功率点跟踪(MPPT)。为了输入实现MPPT，输入DC-DC采用升压电路，可采用SG3525作为主控芯片。从图1也知PWM驱动信号可DSP或微控制器产生，通过采集太阳能电池板的输出电压和电流，计算瞬时输出功率，不断与前一时刻的输出功率相比较，来跟踪太阳能电池板的最大输出功率。DSP可用TMS320F2812$芯片。
(3)关于蓄电池充放电设备 
蓄电池充放电设备的硬件电路采用Buck-Boost拓扑，驱动信号由PIC单片机产生。充电时根据当前蓄电池状态，启用均充模式或者浮充模式，实现对蓄电池的智能化充电。当系统需要蓄电池放电时，由PIC单片机产生PWM驱动脉冲，实现蓄电池对负载的放电。
需要指出的是，微型逆变器$电源与微型逆变器信号调理电路设计至关重要，这是为什么呐？其一是因微型逆变器电源系统直接影响逆变器输出的三相交流电和整个系统的稳定性，所以一个稳定的电压系统是逆变器稳定工作又一必要条件，并保征蓄电池供电的电源系统需要高效率、低纹波。其二是由于DSP不能输入负电压，故逆变器的输出线电压和线电流，电网端的线电压和线电流总共12路信号要通过信号调理才能送入DSP。
(4)关于微型逆变器变压器与互感器选择 
从图1左上方可知微型逆变器输出三相交流电压为190V，结果三相升压变压器（变比1∶2）升压到380V，并采用Δ-Y接法，功率5kW。此变压器起升压作用，另外起隔离作用。通过三相变压器(Δ-γ)进行隔离升压，并变成三相四线输出，见图2(b)右端所示。由于微网逆变器系统输出是三相交流电，输出电压为380V，故选择TV19E电压互感器，其输出负载电阻可以接0Ω~500Ω，输出交流电压0V~2.5V，此系统采用240欧的电阻，输出电压为-1.2V~1.2V。满足DSP的输入要求。由于该系统输出电流小于1A，故选择最大可以测量1A的电压型电流互感器TA1410，负载电阻是200Ω，输出电压为-1V~1V的交流电压。由于DSP输入端不能输入负电平，故要对电压互感器和电流互感器的信号进行+1.25V的提升，使输入信号在0V~3.3V之间。[#page#]
2.2 静态开关是微网逆变器系统中的重要组成部分
静态开关由三组双向可控硅、两个空气开关以及一个断路器组成，其闭合和断开的驱动信号由DSP产生（见图2(b)所示）。
正常工作时，开关Switch1、Switch2、Switch3、Switch4同时闭合，为当地负荷提供电能；当出现电网缺相、电压严重跌落等非正常状况时，由DSP检测出异常情况（可从图1可看出），做出判断决策，并控制开关的开通与0关断。这时，开通Switch1和Switch2，关断Switch3，保证重要负荷的供电。当逆变器发生故障时，立即断开Switch1，逆变器退出，同时断开Switch4，由电网对重要负荷供电。当逆变器故障消失时，在与电网同步后，开通Switch1，再闭合Switch4，恢复对当地负荷的供电。当需要检修逆变器时，先断开开关Switch2，检修完成后，重新闭合 Switch2。
2.3 微网逆变器电能计量电路 
该微网逆变器系统可分别对逆变器侧和电网侧进行电能计量。为此可用两块高精度三相电能专用计量芯片ATT7022B型实现，它集成了6路差分输入二阶Σ-Δ ADC，适用于三相三线和三相四线应用，在输入动态工作范围(1000∶1)内非线性测量误差小于0.1%。主要功能包括：电能计量、参数测量、数字接口和数字校准。
2.4 微网逆变器系统的同步锁相控制与保护技术
由上述分析，该5kW微网逆变器系统是基于DSP芯片TMS320LF2812的光伏并网发电装置。由于DSP强大的控制能力和数据处理能力，使整机硬件结构较为简单，除了主电路、取样检测电路和驱动电路外，所有的运算、数据处理均由DSP完成。因此合理有效的控制策略和简洁软件构架是该系统可靠运行的有力保证。根据前面的分析和光伏并网发电系统的基本要求，DSP应该完成最大功率点跟踪控制、独立供电运行控制、同步锁相与并网控制及相应的其它保护。
而同步锁相控制(PLL)（见图1右下图示）其功能是光伏并网发电系统要实现并网，必须使逆变输出与电网电压的幅度、相位与频率达到一致，否则将会使电网谐波增加、电能质量下降，并产生并网环流，甚至造成光伏发电系统的损坏。因此在并网过程中必须进行同步锁相控制、输出电压幅度控制以满足并网的要求。根据相关技术标准规定其最大相位误差为 20度，瞬时电压误差不能超过电网电压的10%、最大频率误差不能超过0.3Hz，并在成为独立工作模式时获得纯电阻负载两端的电压波形。
关于光伏并网发电系统的检测与保护，这是包括光伏发电在内的分布式能源必须重视的一个重要问题。它是指在分布式能源系统逆变器并网工作过程中，当市电输入被人为断开或出现故障而停止供电时，逆变器仍持续向局部电网供电，从而使本地负载的供电电源继续处于工作状态。
而微网逆变光伏发电系统的目的是将光伏器件产生的电能优先供给本地负载使用，多余的电量回馈给电网，为此要求软件的设计不仅要准确可靠地体现控制思想，而且要保证系统稳定可靠，防止干扰信号对系统的影响。
3 微网逆变器系统优势与拓宽
太阳能微网逆变器系统将会使集中式太阳能发电改变为分布式太阳能发电，最大程度地减少了能源开发对环境的影响，对土地的占用和基础设施建设的投入，同时解决了电力远程传输过程中的很多损耗，使地方电网更加稳定、高效。分布式太阳能发电给电力公司带来稳定、优质的电力网络，其将改善所有终端用户的生活质量，延长电器的使用寿命。实现了具有同功率产品中国际领先的转换效率。
该微型高效逆变器组成的分布式的太阳能发电系统将会更有效地转化捕获太阳能电池组产生的电能，与传统的集中式逆变的太阳能发电系统相比，分布式太阳能发电系统的发电效率提升15%-25%。包括基于智能电网电力载波(PLC)技术的智能通讯模块和领先的高效微型逆变器，它们的转换效率接近96%。创新开发了太阳能智能微型逆变器的多项核心技术，包括新型高效率软开关变换器电路和高效率变换器的控制器。
拓宽微型逆变器可实现成智能性逆变器。其智能性逆变器装有智能的传感、控制系统，可把采集到的电池组件的电流、温度、输出电力、工作状态等信息，通过电流载波的形式传送给智能网关，网关将每个组件汇集来的数据再通过网络传送到联动数据中心。这样每位电网工作人员就可以利用电脑、手机等设备，通过互联网监控太阳能电网的工作状态。工作人员还可以远程控制每个组件的工作状态，控制电网的输出功率，在最快时间内检测并远程解决电池组件发生的故障，根据报警来提供有针对性的维护服务。它在分布式太阳能发电系统不需要占有大片土地资源，不需要建设在遥远的西部地区，不需要经过长途的电力运输，即便在人口密集的城镇中，也能实现安全高效的清洁能源的生产。我们利用城镇中已有的基础设施，如电线杆，路灯，商场、住宅和厂房的屋顶，安装太阳能系统，利用智能微型逆变器太阳能电池板就可以将太阳能立即转化为电力，在终端用户的周围建立的智能电网，并联上本地城市电网，不用再通过已经超负荷运转的高压电网进行远距离的供电传输。图3为智能性逆变器系统基本架构示意图。可由数据传输和控制联动智能电网监控中心与移动终端等构成。其LeadSolar微型逆变器就是一典例。
基本特征与优势：其一是智能微型逆变器与太阳能组件安装在一起，太阳能电池板产生的直流电将被转换成电力网络上传输的低噪音、高稳定的AC交流电。它将每一个太阳能电池组都变成一个独立的微型发电厂，太阳能发电公司可以将其安装在现有的设施上，如街道的电线杆上、屋顶上、阳台上、建筑的侧立面上等等。不用改造或投入昂贵的基础设施建设费用，极大地降低了新能源项目的前期投入和巨大的工程建设费用，节省了时间，在安装的第二天就可以发电；其二是都带有具有基于电力载波的双向远程通信能力的电力传感器和控制器。每个太阳能电池板都由一个独立的太阳能逆变器控制，相当于每个电池板都是一个独立的系统，即使个别电池板发生故障，也不会关联到系统中其他电池板，联动太阳能的监视系统会快速侦查出有问题的电池板，并立即隔离它，将故障的准确信息传递给维修人员，系统中其他电池板继续正常工作，不会受到任何影响。其三是具有数字电力通信的枢纽，具有双向通信的功能，可以和安装的每一个微型高效逆变器的远程监控软件进行通信，监控整个系统也可监控每一个微型高效逆变器。其四是不仅仅是 个通信网关，还是一个智能控制系统，这个系统可以随时根据电网的状态及时根据需要做出调整，增加电网的输出效率和稳定性、安全性。