20世纪70年代以来，两次石油危机、当前严重的环境污染以及气候变暖峰会的强烈呼吁，迫使人们更加努力寻找和开发新能源;对于污染

及耗能大户——电力工业，也面临巨大的挑战;光伏发电作为可再生的替代能源发电，在世界范围内受到高度重视且发展迅速。目前，光伏

发电作为常规能源的补充，无论从解决电力耗能问题上，还是从环境保护战略上都具有重大的战略意义;在国内，政府先后出台《可再生能源

法》及其相关实施细则等政策来扶持光伏等新能源产业发展;2009年，随着“金太阳”工程在全国各省的动工实施，国内光伏市场将得以长足

发展。不仅如此，新能源振兴规划预测，2025年光伏发电安装量将要达到3000万kW，是《可再生能源中长期发展规划》中规定的10倍以上;

由此可见，从全世界到国家光伏发电产业都将得到大力支持，并得以迅速发展，这必将带动光伏产业：原材料生产、太阳能电池及组件生

产、逆变器等相关设备制造的配套行业的迅猛发展。光伏并网逆变器是光伏并网发电系统中核心部件，其主要功能是将太阳能电池板发出的

直流电逆变成交流电，并送入电网。其效率的高低、可靠性的好坏将直接影响整个光伏发电系统的性能。

一、光伏发电系统中逆变器的介绍

1、逆变器的概念:通常把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备

或整流器;与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备

或逆变器;它主要包括半导体功率集成器件及其应用、逆变电路和逆变控制技术3大部分。

2、逆变器的分类:逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。

1)按逆变器输出交流电能的频率分，可分为工频逆变器、中频逆器和高频逆变器。工频逆变器的频率为50～60HZ的逆变器；中频逆变器的频率一般

为400HZ到十几ｋHZ；高频逆变器的频率一般为十几ｋHZ到MHZ。

2)按逆变器输出的相数分，可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。

3)按照逆变器输出电能的去向分，可分为有源逆变器和无源逆变器。凡将逆变器输出的电能向工业电网输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变

器输出的电能输向某种用电负载的逆变器称为无源逆变器。

4）按逆变器主电路的形式分，可分为单端式逆变器、推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。

5）按逆变器主开关器件的类型分，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应逆变器和绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）逆变器等。又可将其归纳

为“半控型”逆变器和“全控制”逆变器两大类；前者不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为“半控型”普通晶闸管即属

于这一类；后者则具有自关断能力，即无器件的导通和关断均可由控制极加以控制，故称之为“全控型”，电力场效应晶体管和绝缘栅双权晶体管

（ＩＧＢＴ）等均属于这一类。

6）按直流电源分，可分为电压源型逆变器（ＶＳＩ）和电流源型逆变器（ＣＳＩ）。前者，直流电压近于恒定，输出电压为交变方波；后者，直流

电流近于恒定，输也电流为交变方波。

7）按逆变器输出电压或电流的波形分，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。

8）按逆变器控制方式分，可分为调频式（ＰＦＭ）逆变器和调脉宽式（ＰＷＭ）逆变器。

9）按逆变器开关电路工作方式分，可分为谐振式逆变器，定频硬开关式逆变器和定频软开关式逆变器。

10）按逆变器换流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。

3、逆变器的基本结构:逆变器的直接功能是将直流电能变换成为交流电能逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路;该电路通过电力电子

开关的导通与关断，来完成逆变的功能;电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可能通过改变一个电压信号来调节,产生和调节脉

冲的电路,通常称为控制电路或控制回路;逆变装置的基本结构，除上述的逆变电路和控制电路外，还有保护电路、输出电路、输入电路、输出电路

等，如图1-3 所示。

4、逆变器的工作原理

１)全控型逆变器工作原理：图4-1所示，为通常使用的单相输出的全桥逆变主电路图。

2）半控型逆变器工作原理：半控型逆变器采用晶闸管元件。

5、逆变器的主要技术性能及评价选用

1）技术性能：表征逆变器性能的基本参数与技术条件内容很多，下面仅就评价时常用的参数做一简要说明。

*额定输出电压：在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器应能输出额定电压值。对输出额定电压值稳定准确度一般有如下规定：

（1）在稳态运行时，电压波动范围应有一个限定，例如其偏差不超过额定值的±３％或±５％。

（2）在负载突变（额定负载０％→５０％→１００％）或有其他干扰因素影响动态情况下，其输出电压偏差不应超过额定值±８％或±１０％。

*输出电压的不平衡度：在正常工作条件下，逆变器输出的三相电压不平衡度（逆序分量对正序分量之比）应不超过一个规定值，一般以％表示，

如5％或8％。

*输出电压的波形失真度：当逆变器输出电压为正弦度时，应规定允许的最大波形失真度（或谐波含量）。通常以输出电压的总波形失真度表示，

其值不应超过5％（单相输出允许10％）。

*额定输出频率：逆变器输出交流电压的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频５０Ｈｚ。正常工作条件下其偏差应在±１％以内。

*负载功率因数：表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。在正弦波条件下，负载功率因数为0.7～0.9（滞后），额定值为0.9。

*额定输出电流（或额定输出容量）：表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流。有些逆变器产品给出的是额定输出容量，其单位

以ＶＡ或ｋＶＡ表示。逆变器的额定容量是当输出功率因数为１（即纯阻性负载）时，额定输出电压为额定输出电流的乘积。

*额定输出效率：逆变器的效率是在规定的工作条件下，其输出功率对输入功率之比，以％表示。逆变器在额定输出容量下的效率为满负荷效率，

在10％额定输出容量的效率为低负荷效率。

2)保护

（1）过电压保护：对于没电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压防护措施，以使负截免受输出过电压的损害。

（2）过电流保护：逆变器的过电流保护，应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。

3)起动特性：表征逆变器带负载起动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在额定负载下可靠起动。

4)噪声：电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过80ｄB，小型逆变器的

噪声应不超过65ｄB。

6、逆变器的主要技术性能及评价选用:为正确选用光伏发电系统用的逆变器，应对逆变器的技术性能进行评价。根据逆变器对离网型主要光伏发电

系统运行特性的影响和光伏发电系统对逆变器性能的要求，评价内容有如下几项：

1)额定输出容量:表征逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。但当逆变器的负载不是纯阻性时，也就是输出

功率小于１时，逆变器的负载能力将小于所给出的额定输出容量值。

2)输出电压稳定度:表征逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是输入直流电压在允许波动范围内该逆变器输出电压的偏差％，通常

称为电压调整率;高性能的逆变器应同时给出当负载由0％→100％变化时，该逆变器输出电压的偏差％，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器

的电压调整率应≤±3％，负载调整率应≤±6％。

3)整机效率:表征逆变器自身功率损耗的大小，通常以％表示。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。ｋＷ级以下逆变器的效

率应为80％～85％，10ｋＷ级逆变器的效率应为85％～90％。逆变器效率的高低对光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要影响。

4)保护功能:过电压、过电流及短路保护是保证逆变器安全运行的最基本措施。功能完美的正弦波逆变器还具有欠电压保护、缺相保护及温度越限

报警等功能。

5)起动性能:逆变器应保证在额定负载下可靠起动。高性能的逆变器可做到连续多次满负荷起动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全，有

时采用软起动或限流起动;对于大功率光伏发电系统和联网型光伏发电系统逆变器的波形失真度和噪声水平等技术性能也十分重要。

6)在选用离网型光伏发电系统用的逆变器时，除依据上述５项基本评价内容外，还应注意以下几点：

（1）应具有足够的额定输出容量和负载能力。逆变器的选用，首先要考虑具有足够的额定容量，以满足最大负荷下设备对电功率的要求。对于以

单一设备为负载的逆变器，其额定容量的选取较为简单，当用电设备为纯阻性负载或功率因数大于0.9时，选取逆变器的额定容量为电设备容量的

1.1～1.15倍即可;在逆变器以多个设备为负载时，逆变器容量的选取要考虑几个用电设备同时工作的可能性，即“负载同时系数”。

（2）应具有较高的电压稳定性能。在离网型光伏发电系统中均以蓄电池为储能设备。当标称电压为12Ｖ的蓄电池处于浮充电状态时，端电压可

13.5Ｖ，短时间过充电状态可达15Ｖ；蓄电池带负荷放电终了时端电压可降至10.5Ｖ或更低；蓄电池端电压的起伏可达标称电压的30％左右；这

就要求逆变器具有较好的调压性能，才能保证光伏发电系统以稳定的交流电压供电。

（3）在各种负载下具有高效率或较高效率。整机效率高是光伏发电用逆变器区别于通用型逆变器的一个显著特点，10KW级的通用型逆变器实际

效率只有70％～80％，将其用于光伏发电系统时将带来总发电量20％～30％的电能损耗;因此光伏发电系统专用逆变器在设计中应特别注意减少

自身功率损耗，提高整机效率;因此这是提高光伏发电系统技术经济指标的一项重要措施,在整机效率方面对光伏发电专用逆变器的要求是：ｋＷ级

以下逆变器额定负荷效率≥80％～85％，低负荷效率≥65％～75％；10ｋＷ级逆变器额定负荷效率≥85％～90％，低负荷效率≥70％～80％。

（4）应具有良好的过电流保护与短路保护功能。光伏发电系统正常运行过程中，因负载故障、人员误操作及外界干扰等原因而引起供电系统过电

流或短路，是完全可能的,逆变器对外电路的过电电流及短路现象最为敏感，是光伏发电系统中的薄弱环节;因此在选用逆变器时，必须要求具备有

良好的对过电流及短路的自我保护功能。

（5）维护方便。高质量的逆变器在运行若干年后，因元器件失效而出现故障，属于正常现象。除生产厂家需有良好的售后服务系统外，还要求生

产厂家在逆变器生产工艺、结构及元器件选型方面具有良好的可维护性；例如损坏元器件有充足的备件或易买到，元器件的互换性好；在工艺结

构上，元器件容易拆装，更换方便；这样即使逆变器出现故障，也可迅速恢复正常。

二、国外逆变器的研究现状：国, 外低压并网逆变器已经是较为成熟的市场产品，在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA，Sputnik和西门子等众多

的公司具有市场化的产品，高压并网逆变装置SMA、西门子等公司现已形成市场产品。

1、SMA公司的光伏并网逆变器目前有三大类型：SB组串逆变器， SMC小集中型逆变器，以及2008年研制成功1MW SC并网逆变器。SB产品系列

可以将几台逆变器光伏组件输入端并接的ST技术以及低输入电压 LV技术，可满足不同的应用要求。

2、SMC产品系列采用集成直流负荷断路开关ESS，较为简单而又安全地断开光伏组件与逆变器；具有三相功率平衡功能，确保并网时的三相平

衡；SC并网逆变器使用的电源系统可靠性高，微处理技术较为先进。

三、国内逆变器的研究现状：我国光伏发电的起步较晚，光伏系统的相关技术的研究处于起步阶段，技术水平相对国外还有一定差距。针对大型光

伏发电系统的核心部分兆瓦级并网逆变器，北京索英电气技术有限公司、安徽合肥阳光电源有限公司等单位在这一方面进行了相关的研究。

1、目前北京索英电气技术有限公司主要是SEE系列逆变器分为单相和三相太阳能并网逆变器。此系列产品容量范围从10－100kW，采用日本的智

能功率模块IPM作为主回路功率器件，运用该公司并网控制技术，具有结构较为简单、效率高、性能优良。但是应用于大型光伏电站则需要低压变

压器来解决，从长远来看，不利于大型光伏发电降低系统发电成本。

2、国内光伏逆变器领域的生产是一个弱项，光伏逆变器产业整体水平较低，中国最大的光伏系统提供商——中盛光电采购的光伏逆变器多采用西

门子、SMA等外资企业；这样导致大型光伏系统的造价升高、依赖性强，从而制约了并网型光伏系统在国内市场的发展和推广。

四、逆变技术发展趋势：随着光伏发电的迅速发展，对光伏发电提出了新的要求，需要大规模的并网发电，与电网连接同步运行。并网逆变器作为

光伏发电的核心，对其要求也越来越高。

1、首先要求逆变器输出的电量和电网电量保持同步，在相位、频率上严格一致，逆变器的功率因数近于1。

2、其次满足电网电能质量的要求，逆变器应输出失真度小的正弦波。

3、具有对孤岛检测的功能，防止孤岛效应的发生，避免对用电设备和人身造成伤害。

4、为了保证电网和逆变器安装可靠运行，两者之间有效隔离及接地技术也非常重要。

5、主要技术发展趋势如下：

1）结构发展趋势：过去逆变器的结构由工频变压器结构的光伏逆变器转化多转换级带高频变压器的逆变结构，功率密度大大提高，但也导致了逆变

器的电路结构复杂，可靠性降低；现阶段的光伏并网逆变器普遍采用了串级型，经过反复研究表明：逆变器采用多串级逆变结构，融合了串级的

设计灵活、高能量输出与集中型低成本的优点，是今后光伏并网逆变结构的一种发展趋势。

2）控制策略发展趋势：光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制，逆变器输出电流主要采用各种优化的PWM控制策略。

（1）对光伏阵列工作点跟踪控制主要有：恒电压控制策略和MPPT光伏阵列功率点控制策略；现代控制理论中许多先进算法也被应用到光伏逆变

系统的控制中，如人工神经网络、自适应、滑模变结构、模糊控制等；将来光伏并网系统的综合控制成为其研究发展的新趋势。基于瞬时无功理

论的无功与谐波电流补偿控制，使得光伏并网系统既可以向电网提供有功功率，又可以实现电网无功和谐波电流补偿。这对逆变器跟踪电网控制的

实时性、动态特性要求更高。

（2）逆变器对于孤岛效应的控制，孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。常常采用主动检测法如脉冲电流注入法、输出功率变化检测法、主

动频率偏移法和滑模频率偏移法等；随着光伏并网发电系统进一步的广泛应用，当多个逆变器同时并网时，不同逆变器输出的变化非常大。将来多

逆变器的并网通信、协同控制已成为其孤岛效应检测与控制发展趋势。

五、高压、大容量逆变器的关键技术介绍：目前我国小型、低压用户直接并网的光伏逆变器有了较成熟的产品，对于高压大功率并网逆变器的研究

正处于研制阶段；本文介绍一种采用高电压、MW级大容量并网的方式，并达到了高压并网要求的技术;该逆变器采用九电平变基准叠加PWM与矢

量控制相结合的控制方法来控制IGBT开关，通过三相IGBT功率模块及优化的网络拓扑结构将直流逆变成完美无谐波的正弦电压、电流波形，并采

用数学模糊集合基础上的频率偏移主动式反孤岛控制，与电网智能化软连接并网运行。

1、技术原理

1）九电平IGBT开关拓扑电路:逆变器采用的拓扑电路是变基准叠加技术的九电平完美无谐波开关网络拓扑电路，如图2所示。

（1）结构及原理描述:如图2所示，变基准叠加技术九电平完美无谐波开关网络拓扑电路，由三个单相的开关网络拓扑电路组成，U相开关网络拓扑

电路由6个二极管D1-D6、D10个绝缘栅双极三极管IGBT1-IGBT10、电阻R1、R2和电容 C1、C2构成;同理开关网络拓扑电路的V相和W相的所有元

器件与U相的开关网络拓扑电路完全相同;电路中IGBT1、IGBT5、IGBT4、IGBT8用作PWM控制，IGBT2、IGBT3、IGBT6、IGBT7用作电平叠

加，与其相对应的D3、D4、D5、D6均为箝位二极管。

（2）IGBT开关工作原理是：如图2所示，当U相的开关IGBT3、IGBT4和IGBT5、IGBT6以及V相的IGBT2、IGBT7、IGBT8导通时，在V相的IGBT1

上施加PWM信号时，就会产生如图3所示的九电平信号;如图2所示，当U相的IGBT3、IGBT4和IGBT5、IGBT6以及V相的IGBT2、IGBT7导通时，

在V相的IGBT1上施加脉冲宽度调制（PWM）信号时，就会产生如图4所示的四电平信号;根据上述原理，配合不同的开关状态，可产生出-4E～4E

九个电平信号;在每一个电平台阶上，可根据不同脉宽的PWM信号，模拟出本段的波形，从而能够形成比较完美的正弦波。

2、与传统技术进行比较的优势,本逆变器采用了上述结构与传统技术相比，具有以下几点优势：

1）利用低电压、小功率的IGBT开关的组合实现了大功率高电压逆变器的开关网络拓扑电路。

2）逆变器输出电压波形为九电平完美无谐波，其THD各项指标均满足IEEE要求。

3）电路易于控制，用PWM控制去完成系统的无功功率分布达到使系统功率因数趋于1。

4）与传统的多重化结构比较：若输出九电平波形，多重化电路需要16个IGBT开关;本逆变器拓扑电路采用叠加技术，每相只需10个IGBT开关。

3、九电平开关操作及并网运行主控制器原理：图5为九电平开关操作及并网运行主控制器原理框图，其特点为：通过检测开关状态提高 IGBT开关

的可靠性和易操作性，并实时检测比较九电平IGBT开关输出端与电网端的电流、电压、频率、波形等相关信息，完成智能化软启动并网运行及反

孤岛运行的功能。