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光伏并网系统
光伏能源在过去五年里以平均每年60%的速率增长，超出风电装机总量的1/3，并迅速成为电力系统和其他相关领域的一个重要部分。这是由于光伏模块的成本下降引发的，而这种增长也促使了传统光伏转换器由旧有的单相并网逆变器向更复杂的拓扑结构变革，在不提高成本之下提高了效率，稳定性和装置的能源提取效率。这篇文章介绍了现有光伏能源转换系统的概要，说明了不同光伏电站的系统结构以及在实际并网系统中取得应用的光伏转换拓扑。此外，还讨论了近期的研究和新出现的光伏转换技术，并强调了它们与现有技术相比的潜在优势。
太阳能光伏能源转换系统有了巨大的进步，累计总功率从1992年的1.2GW到增长2013年的136GW。这种现象成为可能是因为几种因素共同作用推动了光伏能源占据重要地位（并可能在不久的未来占据根本性地位）。这些因素包括成本减少、光伏模型效率上升、对可选择的清洁能源的寻找，持续提高的环保意识、以及当地部门的偏向性的政策制度。看到屋顶装有光伏系统或是乡村公路旁的光伏农场已变得非常常见。
并网光伏系统与独立系统相比，占据了超过99%的装机容量。在并网系统中，由于所有光伏发电站产生的电直接传输到电网，不需要电池。因此，产生的光伏能源减少了用于发电的其他能源的消耗，比如氢能或化石能源。这些结余在系统中起到能源储备的作用，用以提供和常规能源同样的后备作用，就像电池在独立系统中的作用。由于并网系统不需要电池，它们更划算而且需要的维护和再投入比独立系统更少。这个观念以及成本减少，科技提升，环境意识和适当的刺激与政策将释放太阳的力量。
在图一中有一个典型的光伏并网系统的模型。在传统的光伏系统中，光伏电池产生直流电，很大程度上取决于太阳的光照强度，温度和光伏系统的终端电压。这种直流电通过光伏逆变器转换并接入电网中。此外的部分包括电网连接过滤器，一个电网检测器或互动单元，一个低频转换器。另一种选择是在光伏模块与并网逆变器中间加一个中介式的DC-DC功率平台。这种可选择的功率平台消除了由于光伏逆变器电网控制带来的光伏系统操作点震荡。此外在必要时它还能提高光伏系统的直流输出电压或分离电流功率进行mppt控制。
光伏装机量的增加也促进了光伏变换器等级的持续升级，逐渐的光伏转换器变得十分有效简洁和可靠，使太阳光的最大功率能够在家用、商业和工业应用上得到。光伏变换器工业
迅速发展，在过去二十年内从初生到成熟并成为成为了一种独特的能源转换器类别这种进步之后的推动之一就是光伏转换器市场需要非常难以达到的规格，包括高效，长时间有效，高电能质量，无变压器操作，泄漏电流最小化以及特殊控制需要电能比如mppt。这一发展背后的另一个推动因素是，长期以来，由于光伏组件价格较高，功率变换器占整个光伏系统成本的一小部分，使得光伏逆变器制造商有空间开发更高性能和更复杂的拓扑结构。这些拓扑结构这些拓扑结构通常包括比通常应用中使用的经典拓扑结构更多的电力电子设备，这些拓扑结构增加了可用于使逆变器操作更高效的控制自由度，本文后面将对此进行介绍。
这导致了一系列新的和不同的功率变换器拓扑结构专门为光伏应用而设计，将在本文中进行介绍和分析。
光伏转换器的常见需求
几十年前，光伏应用还不成熟，光伏组件的生产成本非常昂贵，光伏组件的效率很低; PV电力集成在配电网中的影响是不可感知的。 此外，电力公司和政府实施的安全要求不存在。今天，在一些地区，光伏装置是电力市场中相对重要的组成部分，随着光伏成为电力系统中更为重要的参与者，光伏系统安全可靠使用的相关要求和规定正在标准化。
一般来说，当必须设计，构建，测试和商业化PV安装时，可以考虑两组要求。这两组是PV转换器和PV安装必须满足的性能要求和法律规定。
光伏转换器的性能要求
效率
光伏逆变器的损耗已重新duced在时间和效率达到97％以上的值（参见，例如，太阳nyBoy 5000TL通过SMA低于5.25千瓦国内AP-褶皱），甚至更多的集中式逆变器（参见，例如SMA的SunnyCentral 760CP XT，一台中心逆变器，额定功率高达850 kW，效率高达98％[5]。因此，可以肯定的是，最先进的品牌产品的光伏逆变器效率约为98％。然而，必须注意的是，当碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件在下一个十年被广泛用作光伏逆变器的基础功率半导体时，预计效率会达到更高的值[ 6]。
功率密度
功率密度始终重要，但主要用于家用和商用应用（低于20 kW）。通过这种方式，最近出现了几种解决方案，例如基于中性点钳位（NPC）拓扑的ABB PVS300逆变器，实现了功率密度非常高的非常紧凑的解决方案[7]。
安装成本
图2显示了欧洲中部光伏系统每个成本组成部分的演变[8]。比较2000年的数据和2012年的数据，总成本有了重要的下降（68％），但最重要的降低（78％）是由于光伏组件的成本。逆变器成本已经下降了68％，安装相关成本在整个集团中的降幅最小（56％）。从一个国家或地区到另一个国家，安装成本可能差别很大，因为土地，劳动力和其他地方因素可能会对总成本产生很大影响。
最小化泄漏电流
由于每个模块的PV电池和接地金属框架之间的高杂散电容以及由功率转换器调制引起的高频（HF）谐波，会出现漏电流。 Gal-vanic隔离可以帮助中断泄漏路径，但是使用变换器存在诸如较高成本和额外损失之类的缺点，通常导致效率降低。尽管如此，由于当地法规的限制，变压器在某些国家仍是法定的。如果变压器不是强制性的，作为第二种解决方案，几个电源转换器拓扑结构专门设计用于最大限度地减少HF谐波对漏电流的影响[9]。
光伏系统的法律要求
电隔离
出于安全原因，光伏系统的一个重要要求是电流隔离。仅在某些国家法规中才需要此功能，例如适用于西班牙光伏系统与低压（LV）配电网相连接的RD-1699/2011。这种要求意味着PV拓扑结构不是标准化的，必须专门设计来满足这种电流隔离要求，这通常通过引入变压器（高频或低频）来实现。
反孤岛检测
并网光伏系统的孤岛现象发生在光伏逆变器未断开连接时
在电网跳闸后继续为本地负载供电[10]。在由屋顶光伏系统提供的住宅电气系统的传统情况下，由于接地故障保护检测到本地设备故障或故意断开线路故障，电网断开可能出现维修。在这两种情况下，如果光伏逆变器没有断开连接，则会发生一些危险情况，例如使用异相关闭装置来切断生产线，损坏某些设备；对于假定线路有问题的公用事业线路工作人员存在安全隐患断电。
为了避免这些严重情况，标准中要求安全措施和检测方法称为防孤岛要求。在IEEE 1574中，定义了在PV系统通过共同耦合点继续为电力系统（岛）的一部分通电的无意降落之后，PV系统应检测孤岛并停止在2秒内激活该区域[11]。
其他规范和标准
由于光伏应用越来越重要，代码和标准一直在不断发展
由国际和国家委员会和政府界定，以实现安全，优质和正常化的运作。国际标准通常由国际电工技术委员会，欧洲电工标准化委员会和IEEE制定。通常，政府根据国际标准定义具体的代码，但要考虑当地的因素，如地理位置，电网结构以及可再生能源与总装机容量之间的比例。例如，德国将VDE-AR-N 4105用作定义功率削减，频率和电压支持以及动态电网支持（穿越能力）的本地代码。如果国际代码成功地被国际委员会接受，那么国家代码就可以成为国际标准，这是不容忽视的[12]。
表1列出了当前光伏应用国际标准的总结。对于大型兆瓦级光伏电站，电网连接要求与风力发电场相一致，并与配电或传输级别相连。这些守则主要是建议，每个国家都将其适用于具体的国家运作和规定。因此，制造商稍微改变其产品的最终设计，以满足每个国家的要求。 在一些欧洲国家存在的电隔离要求中可以找到这个问题的明显例子。
光伏系统配置
根据不同的需求和应用，并网光伏发电系统可以发现不同的尺寸和功率水平，范围从200W左右的单个光伏组件到100MW以上的光伏电站的100万个以上的模块[13]。因此，如图1所示，通用光伏能量转换系统的结构在不同工厂之间可能会有很大差异。为简单起见，并网光伏系统可根据其功率细分：从几瓦到几十千瓦的小规模，从几十千瓦到几百千瓦的中等规模，以及大规模从几百千瓦到几百兆瓦，如图3所示。此外，光伏系统还可以根据光伏组件安排进一步分类：单个模块，一串模块和多个串和数组（并联连接的串）[14]。光伏组件的配置也给变频器的配置命名为：交流模块逆变器，串式逆变器，多路逆变器或中央逆变器，如图3和表2所示。
交流模块配置对系统的每个光伏模块使用专用并网逆变器[15]。因此，这种配置也被称为模块集成逆变器和微型逆变器，因为转换器尺寸小，额定功率低。 PV模块的LV额定值（一般为30 V左右）需要电网电压提升。这就是为什么交流模块逆变器只能在额外的直流 - 直流级中找到，通常使用高频变压器来提供电流隔离和提升电压。由于额外的直流 - 直流级和高频隔离，这是具有最低功率转换器效率的配置，由于专用转换器的最高MPPT精度，这种补偿在某种程度上得到了补偿。这种配置对于有很多局部阴影，复杂屋顶结构，小型系统，
或不同屋顶方向的组合。该转换器体积小，可实现紧凑的外壳设计，可安装在每个光伏模块的背面，因此是名称模块集成逆变器。由于它们的低电压操作，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件最常见于这些器件中。尽管如此，这一概念可能受益于新型，更快，更高效的半导体器件（碳化硅和氮化镓），因此在未来将更为重要。
成串逆变器将单个PV字符串连接到网格[16]。它们可以细分为单级和双级转换拓扑结构，具体取决于用于将PV串的直流电压输出适配到电网逆变器的直流侧电压的dc-dc级的添加（或不添加） 。此外，通过启用逆变器直流侧的固定电压，直流 - 直流级将MPPT控制与电网侧控制（有功功率和无功功率）解耦。此外，可以在有或没有电流隔离的情况下找到电网逆变器。电网侧可以采用低频变压器（大型和重型）或采用高频变压器（轻巧小巧，但有多个直流 - 直流转换器半导体额外损耗）的直流 - 直流级。采用变压器或无变压器串式逆变器的单级或两级之间的不同组合导致了各种不同的配置，如图3所示。与交流模块逆变器相比，串式逆变器具有不太准确的光伏系统MPPT并且在部分阴影下会降低能量产量。但是，对于相同额定功率的光伏系统，串式逆变器的每瓦成本更低，效率更高。串式逆变器非常适用于中小型光伏系统，特别是用于住宅屋顶光伏电站。
为了给串联逆变器增加更多的灵活性，并提高光伏系统的MPPT性能，开发了多串扰概念[17]。琴弦被分成较小的片段（串联的模块较少），通过独立的MPPT直流 - 直流转换器连接到并网逆变器。直流 - 直流级还可以提升较小的串的电压。与具有多个串式逆变器相比，额外的直流 - 直流级是一种具有成本效益的解决方案。从图3可以看出，多串逆变器也可以在有或没有隔离的情况下找到。由于它们减少了部分阴影和不匹配，它们不仅适用于屋顶光伏系统，而且适用于中型和大型工厂。
最后，中央逆变器通过单个逆变器将整个光伏阵列连接到电网[2]。该阵列由并联连接的串组成。串联到每个串的阻塞二极管对于防止它们在发生部分着色或失配时作为负载是必要的。由于整个阵列连接到单个逆变器，因此该配置只能提供单个MPPT操作，从而使所有配置的MPPT效率最低。无论如何，它提供了一个简单结构，可靠，高效的转换器，使其成为大型光伏电站最常见的解决方案之一。由于它们在LV（11,000 V）下工作，因此绝缘栅双极型晶体管（IGBT）技术的限制可实现高达850 kW的转换器。为了提高额定功率，一些制造商将通过12脉冲变压器连接的两个中央逆变器商业化，额定功率高达1.6 MW。尽管如此，非常大的光伏电站目前可以达到几百兆瓦的功率。因此，大型光伏电站需要数百台双中央逆变器。
工业光伏逆变器
随着光伏装机容量的增长和最终光伏逆变器的探索，光伏应用中功率变流器技术的演变已经导致了实际中使用的各种功率变流器拓扑结构的存在。图3显示了用于中央，串行，多串和交流模块配置的几种工业光伏逆变器拓扑，本节将对此进行分析。表3总结了这些光伏逆变器应用的一些商用电源转换器拓扑的一些特性。
串形逆变器拓扑
最常见的串形逆变器拓扑结构是全桥或H桥逆变器。 几个修改和增强版本已经进入市场[18]。 具有电网侧低频变压器的H桥采用简单的电源电路，电流隔离和变压器提供的电压提升，从而实现更大范围的输入电压。 由于共模电压不会因隔离而产生泄漏电流，因此可以使用基于三电平载波的脉宽调制（PWM）技术来控制该转换器。 旁路开关状态（零电压电平）可防止滤波电感和直流母线电容之间的无功电流流动。 尽管如此，笨重的变压器有一些缺点（低功率密度和低效率），使得这种拓扑结构随着时间的推移不受欢迎。
无变压器H桥（也称为H4逆变器（显示为具有升压DC-DC级的两级配置））通过将电网电感分为相线和零线来摆脱低频变压器并采用双极性PWM（两电平）来解决开关共模电压和泄漏电流问题，并通过使用升压级实现更宽的输入电压范围。不足之处在于，两级调整降低了电网连接处的电能质量并降低了效率，因为零电压下电路的无源元件之间通过续流二极管存在无功电流，直流母线电容器在任何时候都不与电网隔离。
具有高频隔离直流 - 直流级的H桥由MOSFET全桥逆变器，高频变压器和二极管全桥整流器组成。与基于低
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