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单相逆变器电路设计及仿真研究,单相,逆变器,电路设计,仿真,研究
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单相逆变器电路设计及仿真研究题 目 二一一年六月毕 业 设 计(论文)系 别电力工程系专业班级电气专业07K2班学生姓名武晓溪指导教师张建成华 北 电 力 大 学毕业设计(论文)任务书所在院系 电力工程系 专业班号 电气化 2 班 学生姓名 武晓溪 指导教师签名 审批人签字 毕业设计(论文)题目 单相逆变器电路设计及仿真研究 2011 年 3月 18 日一、毕业设计(论文)主要内容1 学习MATLAB，掌握MATLAB编程方法，并学习MATLAB/Simulink仿真的应用。2 查阅资料，了解光伏发电系统各个模块的工作原理，建立对光伏系统整体的认识。3 学习单相光伏逆变器的工作原理，了解各部件的工作状态和选型方法。4 掌握几种常用的单相逆变器电路形式。5 在MATLAB环境下进行仿真，对比不同的单相逆变器电路的逆变效果，确定其各自的适用条件。6. 外文文献翻译。二、基本要求1 阅读的参考文献不能少于15篇，且其中应有一定的外文文献。撰写本课题的文献综述，要求字数不少于2000字。2 收集并整理、分析各种资料，撰写开题报告。3 提交毕业论文一份，毕业论文的撰写应符合华北电力大学本科生毕业设计（论文）规定、规范的要求。4 翻译一篇与本专业有关的外文文献，要求其中文翻译字数不能少于3000字。三、设计(论文)进度序号设计项目名称完成时间备注1查阅文献、撰写文献综述、完成开题报告13周3周2学习MATLAB，掌握MATLAB编程方法，并学会MATLAB/Simulink仿真的应用4周1周3学习光伏发电系统的基本知识，建立对光伏系统整体的认识5周1周4学习单相光伏逆变器的工作原理，了解各部件的工作状态和选型方法67周2周5掌握几种常用的单相逆变器电路形式89周2周6在MATLAB环境下进行仿真，对比不同的单相逆变器电路的逆变效果，确定其各自的适用条件1012周3周7撰写论文1314周2周设计(论文)预计完成时间：2011年6月20日四、参考资料及文献1李春鹏 张廷元 周封。太阳能光伏发电综述【J】。电工材料，2006。2王长贵 世界光伏发电技术现状和发展趋势【J】。新能源，2000。3赵为 太阳能光伏并网发电系统的研究【D】。合肥工业大学，2003。4王飞 单相光伏并网系统的分析与研究【D】。合肥工业大学，2005。5赵清林 郭小强 邬伟扬 单相逆变器并网控制技术研究【J】。中国电机工程学报，2007。6 BP Statistical Review Of World Energy June 2007.7石新春 杨京燕 王毅 电力电子技术。中国电力出版社，2009。8崔荣强 赵春江 吴达成 并网型太阳能发电系统【M】。化学工业出版社，2007。9余运江 杨波 吴建德 邓焰 全数字化控制光伏并网逆变器的设计与实现【J】。机电工程已录用。10 H C Lin,etal. Enhanced FFT-based parametric algorithm for simultaneous multiple harmonics analysis(J).IEE Porc-Gener,Transm,Distrib. 2001.11董密 罗安 光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法【J】。电力系统自动化，2006。12张超 何湘宁 一种用于光伏发电系统的新型高频逆变器【J】。电力系统自动化，2005。13 S M Chin,etal. A digital measurement scheme for time-varying transient harmonics(J). IEEE Transactions on Power Delivery,1995.14 Charicteristics of the Utility Interface for Photovoltaic(PV)Systems,IEC 61727 CDV(Committee Draft for Vote),2002.15陈新峰 曹志峰等 基于DSP的20KW单相并网光伏逆变器。电气应用，2005。16 2002 National Electrical Code,National Fire Protection Association,Inc.,Quincy,MA,2002.17 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems IEEE Std.1547,2003.18 Limits for Harmonic Current Emission (Equipment Input Current 16A per Phase),EN 61000-3-2,1995.19 汪飞 可再生能源并网逆变器的研究【硕士学位论文】。浙江大学，2005。20 张智星 MATLAB程序设计与应用【M】。清华大学出版社，2004。21 黄忠林 周向明 控制系统MATLAB计算及仿真实训。国防工业出版社，2006.单相逆变器并网光伏系统- 概述摘要- 对最近发展的概述和欧洲最先进的变频技术的总结，为单相并网光伏（PV）系统的功率水平高达至5千瓦提供了研究。这个信息不仅包括商业上可用的拓扑结构，而且还有采用的开关设备及相关的开关频率，效率，价格趋势和市场份额。最后，文件概述了有关国际行业标准影响光伏逆变技术发展的问题。一， 导言对于光伏的成本持续下降，电力电子和半导体技术的进步加上相当数量的一些工业国家的激励机制都对商业承兑的电网连接的光伏系统在近几年有深远的影响。一个核心技术与这些系统相关的仍然是逆变器，很多年以前它就已经发展到相当成熟的技术可以为客户提供很多不可能的优点。该技术已经从线路整流逆变器转换为开关逆变器，主要是由于高频全控开关设备的可用性。二逆变器拓扑为了从公用电网光伏阵列中馈送能量，逆变器必须满足三个职能： 1。要塑造成一个正弦波的电流；2。要反转成交流电的电流；3。如果光伏阵列电压低于电网电压，光伏阵列电压必须有另一个因素使其提高。这三种功能在一个逆变器的设计测序方法，决定了半导体和无源元件进而他们的损失，大小和价格的选择。本节讨论在过去十年欧洲市场不同的逆变器拓扑结构，和对他们的市场份额，提高效率和价格发展做了概述。A.中央逆变器基于驱动系统技术，在20世纪80年代末最初的光伏逆变器是额定功率为几千瓦的线路整流逆变器。虽然它们的拓扑结构强大，高效，廉价，但是它们的主要缺点是功率因数在0.6至0.7之间，它必须用特殊的过滤器以及高次谐波含量的输出电流做补偿。由于半导体设备行业的迅速发展，晶闸管已经越来越多的被晶体管MOSFET或IGBT取代。目前光伏逆变器的开关设备如图4所示。如今中央逆变器大多都是2千瓦功率以上的自换相逆变器。它们有和没有变压器的拓扑结构如图2（a）和3（a）。它们是由一个在高频( 16 赫兹)时候开合的PWM全桥组成，它能将输入的电流转换成交流电流。大多数桥梁使用的是IGBT或IGBT的和MOSFET的组合（见图。4）。这个概念是一个众所周知的，稳健，高效，廉价的技术，提供高可靠性和每瓦的低价格。他们的效率都低于线路整流概念（见图9）。由于16 - 20赫兹的高开关频率。图3（b）显示了一个在美国上市磁耦合逆变器。该逆变器由每个中间点连接到主变压器绕组的三个常规单相全桥组成的。变压器的次级绕组串联，变压器的匝数比被选择作为彼此的倍数。一般而言，有n对变压器绕组的这种类型的逆图 2变器有产生跨变压器次级绕组电压为3n不同的组合的能力，能由阶梯波形方式（而不是由脉宽调制方式）整合正弦波。该电路的优点是低开关频率和廉价强大的全桥完成的比较准确的正弦波的副本。该电路有一个主要缺点，但是，是为三变的需要。所有逆变器的拓扑结构的缺点发现在系统配置：1。所需的直流线路增加了成本和减少安全；2。不是在其独立经营的最大功率点（MPP）的光伏阵列的部分。各个之间的不匹配（例如，通过局部阴影造成的）可能因此大大降低整体系统的输出。3。. 由于高功率范围的扩展或灵活系统的设计无法实现。这些缺点是可以被定向与模块集成逆变器和弦逆变器所克服。B 模块集成或模块型逆变器 这些逆变器是直接工作在一个或数个低于500瓦特光伏组件上。光伏阵列电压一般在30- 150伏。这些低电压等级要求的电压调节元件允许多种拓扑结构。带变压器拓扑结构如图所示。 3（a）和图 5使用行频变压器是有利的，因为低电压MOSFET的被用作PWM高频开关桥梁。低压MOSFET的产品是便宜的半导体器件，广泛用于大批量汽车应用。此外，整个控制系统在低电压端可实现，这种结构也适合大电流光伏组件。然而，一些公司遵循逆变高频变压器的概念为了降低图 3图 4磁性元件和成本，例如图5所示拓扑。为了减少对高压侧开关损耗，推挽转换器提高了电网的电压水平和整定了电流的波形。起行频开关的一个全桥在第二阶段使用转换器作为展开阶段。串联的两个转换器的效率降低，使控制更加复杂。图 5图 6图6显示了在市场上现有的避免了变压器拓扑结构三分之一，为了减少磁性元件，提高效率。这种拓扑结构可以用在几个欧洲国家如德国。其他一些国家需要一个变压器。而使用升压转换器，以刺激光伏低电压，改变输出电流在高电压电平转换器的第二阶段还要做。一个制造商用开关在400800千赫兹的MOSFET生产模块集成逆变器。谐振拓扑结构的可能是未知的。模块集成和模块型逆变器提供最高的系统的灵活性。每个模块都有自己的MPP跟踪，此外，没有直流线路是必需的。他们的“即插即用“的特点是有吸引力，能够用较低（加上迅速递减）的成本提供一个完整的光伏系统。然而，这些逆变器的主要缺点是每瓦的成本高。另一个缺点是在逆变器故障情况下艰难和昂贵的替换和特殊的安全要求（该国而异）可能会增加系统价格。图 7C 串逆变器该字符串变频器是结合中央和模块集成逆变器小权衡概念的优点。许多光伏模块以串联方式连接字符串高达2千瓦（图1）。在这个功率范围内的光伏阵列（串）电压在150-450伏之间。各种拓扑结构（例如，在图中显示的。2，第3（a），5和6）可用于这一概念。基于电源和电压等级，IGBT的和MOSFET的开关频率在16至32千赫之间。其优点是这些拓扑结构使用在一个更高的功率范围，降低了每瓦的价格，系统的效率是1-3比中央逆变器系统高。D 组串变压器补贴方案在德国最近的发展迫使公司在五年内降低了大约20的成本。为了实现这一目标，新型逆变器的概念（见图7。）已发展到结合了串逆变器能源产量较高和中央逆变器成本较低的优点。低功率直流转换器连接到单独的光伏串。每一个光伏串都有自己的独立的MPP跟踪器，它独立优化每个光伏串能量输出。为了在一定电力范围内扩大系统，只有有直流转换器的新的串逆变器必须被包括在内。所有直流转换器通过直流母线连接穿过并网发电的中央逆变器。中央逆变器是基于著名和廉价的IGBT技术的PWM逆变器，已经用于驱动系统，包括所有的监督和保护功能。根据串的大小，输入电压范围在125至750伏之间。该逆变器有5千瓦的最大功率。图。1总结了用于1994年和2002年受争议逆变器概念的直流电流和直流电压范围和体现了对串逆变器概念的趋势。E. 新趋势单相逆变器的普遍缺点之一是在变频器的输入中需要大量电解质电容。电解质电容器严重影响效率，成本和逆变器的寿命。一些制造商已经开始开发小型三相逆变器，以减少电解质电容的大小。对于更大的光伏工厂应用，新的团队概念提供了更好地利用在低负载的逆变器。在这个理念里串的技术将结合主- 从理念。在低太阳辐射时，所有串并联连接到一台变频器而其他变频器断开。为提高辐射，光伏阵列被划分为连接到不同的独立运作串逆变器阵列的子阵列。一个系统的效率期望提高2。这个概念在负荷运转高能量转换的国家特别有趣。F 效率图8显示1994-2002多年来不同拓扑结构的平均最高效率。约96的最高效率是可以实现换行和变压器逆变器拓扑结构。改进的开关器件和朝着更高的直流输入电压的使用趋势，导致在过去8年来显着的效率改善。然而，最近一些拓扑类型略有效率下降是明显的，表明为降低成本，光伏逆变器的效率会降低。图。9给出了一个关于不同类型的光伏逆变器的最高效率更详细的概述。图 8G 价格在过去8年单相光伏逆变器的价格已大幅下降，计这一趋势会继续。如果产量增加了一倍，制造商预测10 - 30的成本减少是可能的。该行业的增长速度目前超过每年50）13。然而，光伏逆变器价格仍然高于用于驱动系统的逆变器50。其成本贡献于整体光伏系统的仍然保持在15。图 9字典1. 名词 1. 英语2. 英文3. 英国人2. 动词 1. 英国化3. 形容词 1. 英国人的字典1. 名词 1. 英语2. 英文3. 英国人2. 动词 1. 英国化3. 形容词 1. 英国人的朗读朗读朗读朗读朗读朗朗读单相逆变器电路设计及仿真研究前言：随着能源消费的增长、日益恶化的生态环境和人类环保意识的提高，世界各国都在积极寻找一种可持续发展且无污染的新能源。太阳能作为一种高效无污染的绿色新能源，一种未来常规能源的替代品，尤其受到人们的重视。太阳能的直接应用主要有光热转换、光电转换和光化学转换三种形式，光电转换即光伏技术是最有发展前途的一种。太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展。在并网型光伏发电系统中，逆变器是系统中最末一级或唯一一级能量变换装置，其效率的高低，可靠性的好坏，将直接影响整个并网型系统的性能和投资。因此，逆变器已成为影响光伏并网发电系统经济可靠运行的关键因素。本文将对光伏并网单相逆变器进行设计仿真，通过对比不同的单相逆变器电路的逆变效果，确定其各自的适用条件。主题：自20世纪50年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，光伏工业近几年保持着年均30%以上的高速增长。其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己经超过离网应用，近几年的增长速度都在40%以上，成为世界光伏工业的最主要发动机。并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。并网型光伏发电系统的核心为并网型逆变器。并网型逆变器是影响和决定整个系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行的一个主要因素，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素。国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA,Fronius,Sputnik,Sun Power和西门子等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧洲市场中占有的50%的份额。除欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都己经产品化。以SMA和西门子为例介绍目前光伏并网发电系统用逆变器的发展情况。SMA 光伏并网逆变器目前具有三大系列产品:支路逆变器、集中逆变器和多支路逆变器，其中以SWR和SB两个系列应用最为广泛。该产品具有如下特点:高效率、高功率因数、低THD;测量数据和工作状态通过总线传输至PC机:多台逆变器可以任意组合构建系统，使系统设计更加简便、扩展更加方便。多支路逆变器是SMA最新推出的产品，该产品采用最大功率跟踪和并网逆变两级能量变换结构，多个不同支路共用同一个逆变环节，中间设置有内部直流母线，可以使系统的灵活性大为提高;输出端无工频变压器隔离，采用最新的电网阻抗检测和交、直流剩余电流检测来实现有效保护。与SMA相比较，西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系统，由主逆变器和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统，灵活性和系统扩展等均没有SMA的强。西门子SITOP Solar主要分为隔离和非隔离两种支路逆变器，两级能量变换，最大功率跟踪和逆变部分集成在一个机箱内;功率因数高;基本单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究数据本地集中显示;实时发电电能显示;除SMA和西门子外，美国的Xantrex的SunTie XR系列并网逆变器也是根据光伏市场需要推出的产品，系列覆盖了中、大功率范围，也可将多台中功率的逆变器并联构成系统。综上所述，目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单级能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注重系统的安全性、可靠性和扩展性，均具有各种完善的保护电路。由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究仍然处于起步阶段，技术水平相对国外还有一定差距。就并网型光伏发电系统的核心技术并网型逆变器而言，合肥工业大学能源研究所、燕山大学、上海交通大学、中国科学院电工研究所等科研单位和大学在这一方面进行了相关的研究，并且在“九五”、“十五”期间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作。除此之外，北京索英电气技术有限公司和合肥阳光电源有限公司也在推出了适合并网光伏系统用的逆变器。北京索英电气技术有限公司的三相光伏并网逆变器，采用日本的智能功率模块IPM作为主回路功率器件，运用该公司先进的并网控制技术，具有结构简单、效率高、性能优良、电磁干扰小和安全可靠等优点。多项先进的并网发电控制技术，保证向电网优质送电，还能够追踪太阳能电池板的最大功率点，检测电网的状态，并实现对电网供电质量的调节。合肥阳光的正弦波并网充放电装置虽不是专门为并网光伏设计，但是也可应用在并网光伏系统中。从这两种成熟的市场产品可以看出，国内对并网光伏逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪和逆变部分相分离的两级能量变换结构，而且市场产品的种类还相对单一，系统构建死板。并网型光伏发电系统在我国还没有真正地投入商业化运行的应用，目前所建并网型光伏系统都为示范工程。并网型光伏发电系统的核心并网型逆变器还主要依赖进口或者合作研究的方式获得，导致并网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。因此掌握并网型光伏系统的核心并网型逆变器技术对推广并网型光伏系统有着至关重要的作用。随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以及先进的控制方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。首先，元器件正向着低导通损耗、快速化、智能化、封装合理化等几个方向发展。低导通损耗将有助于并网型逆变器系统提高效率、减少发热;快速化将减小开关应力;智能化将有助于提高系统可靠性;封装的改进将减少寄生参数、有效散热、保持高机械强度。其次，数字信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分;提高开关频率，减小滤波器体积;善输出波形，提高THD;速响应电网瞬态变化。最后，先进的控制方法将有助于改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积;提高系统的动态响应性能。因此，并网型逆变器的发展必将沿着数字化、高频化的方向进行。总结：20世纪50年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电系统具有清洁、安全、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发电被认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。我国太阳能资源丰富，但相对于蓬勃发展的世界光伏工业，中国光伏工业还处于起步阶段。国际上方兴未艾的光伏并网集成建筑在国内还几乎是空白。因此，对并网型光伏系统的研究必将成为光伏发电技术研究的重中之重。单相光伏逆变器未来的发展趋势将朝着转换效率高、性能稳定、并网型逆变器为主流的方向发展。随着太阳能逆变器技术的不断发展,转换效率持续上升,由过去90-92%上升到98%以上,未来的目标是要达到99%以上。因此,转换效率提高是太阳能逆变器未来发展趋势之一。性能稳定是系统运营商在选用逆变器中越来越重视的要素,光伏逆变器产品的各项特性,包括可靠度、耐用度、安装的简易与便利、并网是否安全等都是系统运营商重点考虑的范围,因此,要求光伏逆变器的性能稳定是必然趋势。从技术层面来讲,并网型逆变器朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化是未来的发展方向。参考文献1李春鹏 张廷元 周封。太阳能光伏发电综述【J】。电工材料，2006。2王长贵 世界光伏发电技术现状和发展趋势【J】。新能源，2000。3赵为 太阳能光伏并网发电系统的研究【D】。合肥工业大学，2003。4王飞 单相光伏并网系统的分析与研究【D】。合肥工业大学，2005。5赵清林 郭小强 邬伟扬 单相逆变器并网控制技术研究【J】。中国电机工程学报，2007。6 BP Statistical Review Of World Energy June 2007.7石新春 杨京燕 王毅 电力电子技术。中国电力出版社，2009。8崔荣强 赵春江 吴达成 并网型太阳能发电系统【M】。化学工业出版社，2007。9余运江 杨波 吴建德 邓焰 全数字化控制光伏并网逆变器的设计与实现【J】。机电工程已录用。10 H C Lin,etal. Enhanced FFT-based parametric algorithm for simultaneous multiple harmonics analysis(J).IEE Porc-Gener,Transm,Distrib. 2001.11董密 罗安 光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法【J】。电力系统自动化，2006。12张超 何湘宁 一种用于光伏发电系统的新型高频逆变器【J】。电力系统自动化，2005。13 S M Chin,etal. A digital measurement scheme for time-varying transient harmonics(J). IEEE Transactions on Power Delivery,1995.14 Charicteristics of the Utility Interface for Photovoltaic(PV)Systems,IEC 61727 CDV(Committee Draft for Vote),2002.15陈新峰 曹志峰等 基于DSP的20KW单相并网光伏逆变器。电气应用，2005。16 2002 National Electrical Code,National Fire Protection Association,Inc.,Quincy,MA,2002.17 IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems IEEE Std.1547,2003.18 Limits for Harmonic Current Emission (Equipment Input Current 16A per Phase),EN 61000-3-2,1995.19 汪飞 可再生能源并网逆变器的研究【硕士学位论文】。浙江大学，2005。20 张智星 MATLAB程序设计与应用【M】。清华大学出版社，2004。21 黄忠林 周向明 控制系统MATLAB计算及仿真实训。国防工业出版社，2006.Inverters for Single-phase Grid Connected Photovoltaic Systems - An OverviewAbstract - An overview on recent developments and a summary of the state-of-the-art of inverter technology in Europe for single-phase grid-connected Photovoltaic (PV) systems for power levels up to 5 kW is provided in this paper. The information includes details not only on the topologies commercially available but also on the switching devices employed and the associated switching frequencies, efficiency, price trends and market share. Finally, the paper outlines issues associated with the development of relevant international industry standards affecting PV inverter technology.I. INTRODUCTIONThe continuing decrease of the cost of the PVs, the advancement of power electronic and semiconductor technology and favourable incentives in a number of industrial countries in general had a profound impact on the commercial acceptance of grid connected PV systems in the recent years. A core technology associated with these systems remains the inverter, which has evolved to quite mature technology offering a number of advantages to customers that were not possible many years ago. The technology has changed from line commutated inverters to switch mode ones mainly due to the availability of high frequency fully-controlled switching devices. INVERTER TOPOLOGIESAn inverter has to fulfill three functions in order to feed energy from a PV array into the utility grid: 1.To shape the current into a sinusoidal waveform; 2.To invert the current into an AC current, and 3.if the PV array voltage is lower than the grid voltage, the PV array voltage has to be boosted with a further element. The way these three functions are sequenced within an inverter design determines the choice of semiconductors and passive components and consequently their losses, sizes and prices. This section discusses different inverter topologies available on the European market and gives an overview on their market shares, efficiencies and price developments over the last decade.A. Central inverters Based on drive system technology the first PV inverters at the end of the 1980s were line commutated inverters (see Fig. 2(b) with power ratings of several kilo watts. Although these topologies are robust, highly efficient and cheap, their major drawbacks are a power factor between 0.6 and 0.7, which has to be compensated with special filters as well as high harmonic content in-the output current. Due to the rapid developments in the semiconductor device industry, thyristors have been increasingly replaced by BJTs, MOSFETs or IGBTs. Currently employed switching devices in PV inverters are shown in Fig.4.Today central inverters are mostly self-commutated inverters in the power range above 2 kW. Their topologies without and with transformer are shown in Fig. 2(a) and 3(a). They are composed of a PWM full bridge, switching at high frequencies ( 16 kHz) which shapes and inverts the input current into an AC current. Most of the bridges use IGBTs or a combination of IGBTs and MOSFETs (see Fig. 4). This concept is a well known, robust, efficient and cheap technology which provides high reliability and low price per watt. Their efficiencies are lower than in line commutated concepts (see Fig. 9) due to the high switching frequencies of 16 - 20 Hz.Fig. 3(b) shows a magnetic coupled inverter available on the American market. The inverter consists of three conventional single-phase full bridges each with their midpoints connected to the primary winding of a transformer. The secondary windings of the transformers are connected in series and the turns ratios of the transformers are chosen as multiples of each other. Generally, an inverter of this type having n primary transformer windings is capable of generating 3n combinations of different voltages across the secondary transformer windings and synthesises the sine wave by means of a stepped waveform (not by means of PWM). The advantage of this circuit is the relatively accurate replica of a sine wave accomplished with low switching frequencies and a cheap and robust full-bridge. A major drawback of the circuit, however, is the need for three transformers. The disadvantages of all central inverter topologies are found in the system configuration: 1. The required DC wiring increases costs and decreases safety;2. There are no means of independently operating sections of the PV array at their maximum power point (MPP). Mismatch between sections (e.g. caused by partial shading) may therefore significantly reduce the overall system output. 3. Due to the high power range an extension or a flexible system design cannot be realised. These drawbacks can be overcome with module integrated or oriented inverters and with string inverters.B. Module integrated or module oriented inverters These inverters are operating directly on one or several PV modules below 500 W. The PV array voltage is generally between 30 - 150 V. These low voltage levels require a voltage adjustment element, which allows for a variety of topologies. Topologies with transformer are shown in Fig. 3(a) and Fig. 5. Using a line frequency transformer is advantageous since low voltage MOSFETs can be used for the PWM high frequency switched bridge. Low voltage MOSFETs which are widely used in large quantities for automotive applications are cheap semiconductor devices. Furthermore the whole control system can be realised on the low voltage side and this topology is also suitable for high current PV modules. However, some inverter companies follow high-frequency transformer concepts in order to reduce the magnetic components and costs and an example topology is shown in Fig. 5. In order to reduce the switching losses on the high voltage side the push-pull converter boosts the voltage to grid level and shapes the current waveform as well. A full bridge switched at line frequency is used in a second converter stage as an unfolding I inverting stage. Both converters in series reduce the efficiency and make the control more complex. Fig. 6 shows a third topology available on the market, which avoids a transformer in order to reduce magnetic components and to increase efficiency. This topology can be used in several European countries e.g. Germany. Other countries require a transformer. While using a boost converter to boost the low PV voltage, shaping and inverting of the output current have to be done in the second converter stage at high voltage level. One manufacturer produces module integrated inverters with MOSFETs switching at 400 and 800 Wz. The possibly resonant topology is unknown. Module integrated and module oriented inverters provide the highest system flexibility. Each module has its own MPP tracking, furthermore, no DC wiring is required. Their “plug and play” characteristic is attractive, as is their ability to provide a complete PV system at low (plus rapidly decreasing) investment cost. However, the main disadvantage of these inverters is the high cost per watt. Further disadvantages are the difficult and expensive replacement in case of inverter fault and special safety requirements (depending on the country) may increase the system price.C. String inverters The string inverter is capable of combining the advantages of both central and module integrated inverter concepts with little tradeoffs. A number of PV modules connected in series form a string up to 2 kW (Fig. 1). In this power range the PV array (string) voltage can be between 150-450 V. Various topologies (for example those shown in Figs. 2, 3(a), 5 and 6) can be used for this concept. Depending on the power and voltage ratings, IGBTs and MOSFETs are used at switching frequencies between 16 and 32 kHz. The advantages are that these topologies are used in a higher power range, which decreases the price per watt and that the system efficiency is 1-3% higher than in systems with central inverters .D. Multi string inverters Recent developments in subsidy programs in Germany are forcing companies to reduce inverter costs by approximately 20% within 5 years. In order to achieve this goal a new inverter concept (see Fig. 7) has been developed to combine the advantage of higher energy yield of a string inverter with the lower costs of a central inverter. Lower power DC/DC converters are connected to individual PV strings. Each PV string has its own MPP tracker which independently optimises the energy output from each PV string. To expand the system within a certain power range only a new string with a DC/DC converter has to be included. All DC/DC converters are connected via a DC bus through a central inverter to the grid. The central inverter is a PWM inverter based on the well-known and cheap IGBT technology already used in drive systems and includes all supervisory and protection functions. Depending on the size of the string the input voltage ranges between 125 to 750 V. The inverter has a maximum power rating of 5 kW. Fig. 1 summarises the DC current and DC voltage ratings of the discussed inverter concepts available in 1994 and 2002 and demonstrates the trend towards the string inverter concept. E. New trends One of the common drawbac
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