Ongeacht de gebruikte technologie is het basisontwerp van de omvormer duidelijk en zeer vergelijkbaar. De kern is het proces van het omzetten van gelijkspanning (zonnecelmodules) naar wisselspanning (netgekoppeld). Tijdens het transformatieproces worden de positieve en negatieve polen van gelijkstroomelektriciteit voortdurend omgezet in wisselstroom met richtingsveranderingen. Het belangrijkste onderdeel van de omvormer is dus de brugschakelaar (voedingsapparaat), zoals weergegeven in figuur 1 (a). De ene kant van deze schakelbrug is verbonden met de DC-ingangsvoeding en de andere kant is verbonden met het wisselstroomnet. Tijdens het werkproces kunnen slechts twee tegengestelde schakelaars tegelijkertijd worden uitgeschakeld.
Als de schakelsnelheid van deze brug gelijk is ingesteld aan de netfrequentie, kan theoretisch de uitgangszijde van de brug op het net worden aangesloten. Omdat de uitgangsstroom echter een blokgolf is zonder verandering in intensiteit, is het noodzakelijk om een inductor met een ijzeren kern aan het uitgangsuiteinde te installeren om de uitgangsstroom in de vorm van een sinusgolf te regelen. Het ontkoppelen van de brug wordt uitgevoerd met behulp van een pulsproces, wat resulteert in een kleinere stroomcomponent gerelateerd aan de puls. Deze stroomcomponent kan de stroom van de inductor regelen. De frequentie van de puls is over het algemeen 20 kHz, wat volledig een stroom van 50 Hz kan vormen, zoals weergegeven in figuur 1 (b).
Voor fotovoltaïsche omvormers is er nog een heel belangrijk apparaat dat niet over het hoofd mag worden gezien: de condensator aan de ingangszijde, zoals weergegeven in figuur 1 (c). De functie van condensatoren is het opslaan van elektrische energie, ervoor zorgen dat de stroom van de energieopwekkingszijde continu en consistent wordt geleverd aan de brugschakelaar, en het net binnenkomt via een brug die synchroon verandert met de netfrequentie. Alleen wanneer de capaciteit van de ingangscondensator groot genoeg is, kan de continue en normale werking van het fotovoltaïsche energieopwekkingssysteem worden gegarandeerd.
In praktische toepassingen heeft het bereik van de ingangsspanning bepaalde beperkingen. Voor toepassingen op het gebied van elektriciteitsopwekking die op het elektriciteitsnet zijn aangesloten, moet de ingangsspanning altijd hoger zijn dan de piekspanning van het elektriciteitsnet. Wanneer de effectieve waarde van de netspanning 250 V bedraagt, moet, om een normale aansluiting op het elektriciteitsnet te bereiken, de minimale spanning aan de energieopwekkingszijde 354 V zijn.
In tegenstelling tot het basisontwerp van standaardomvormers, zijn er veel manieren om het ingangsspanningsbereik aan te passen of te vergroten voor direct op het elektriciteitsnet aangesloten omvormers. De veelgebruikte oplossingen en structuren voor invertertechnologie zijn allemaal verschillend. De topologiestructuur van de hierboven genoemde omvormer verschilt niet alleen qua elektrische isolatie, maar ook qua haalbare efficiëntie, spanningsafhankelijkheid en andere aspecten. Daarom bestaat er geen uniforme formule om te definiëren welk omvormerontwerp het beste is, en moet bij het ontwerp rekening worden gehouden met de specifieke kenmerken van de gebruikte omvormer.
Een andere trend in het ontwerp van fotovoltaïsche omvormers is het uitbreiden van het ingangsspanningsbereik, wat kan leiden tot een afname van de ingangsstroom bij hetzelfde vermogensniveau of een toename van het vermogensniveau bij dezelfde ingangsstroom. Wanneer de ingangsspanning relatief hoog is, moet IGBT met een hogere nominale spanning (binnen het bereik van 1200V) worden gebruikt, wat tot grotere verliezen leidt. Eén manier om dit probleem op te lossen is door een omvormer met drie niveaus te gebruiken
Door twee in serie geschakelde elektrolytische condensatoren te gebruiken, kan de hoge ingangsspanning in tweeën worden gesplitst en kan het middelpunt worden aangesloten op de neutrale lijn. In dit geval kan een 600V-schakelaar worden gebruikt. Een omvormer met drie niveaus kan tussen drie niveaus converteren: + Vbus, 0V en - Vbus. De drietrapsomvormer is niet alleen effectiever dan de 1200V-oplossing met schakelstructuur, maar heeft ook het voordeel dat de uitgangsinductie aanzienlijk wordt verminderd. De omvormer met drie niveaus heeft twee belangrijke kenmerken:
① De sinusgolfvorm van de uitgangsspanning, gesynthetiseerd door stappen op meerdere niveaus, vermindert de harmonische inhoud aanzienlijk en verbetert de golfvorm van de uitgangsspanning in vergelijking met traditionele omvormers met twee niveaus onder dezelfde schakelfrequentieomstandigheden;
② De nominale spanning van de schakelbuis bedraagt slechts de helft van de spanning op de DC-bus, waardoor laagspanningsschakelapparaten kunnen worden toegepast in hoogspanningsomvormers.
De nadelen van omvormers met drie niveaus zijn echter complexe regelstrategieën en het probleem van een ongebalanceerde middenspanning, wat een fatale zwakte is van omvormers met drie niveaus. Het is duidelijk dat als de middelpuntspanning van twee condensatoren die parallel zijn aangesloten op de DC-bus van de omvormer tijdens bedrijf onstabiel is, dit veranderingen in de uitgangsspanning met drie niveaus zal veroorzaken, waardoor niet alleen de golfvorm van de uitgangsspanning wordt vervormd en de harmonischen toenemen, maar ook maakt de driefasige uitgangsstroom asymmetrisch, waardoor het voordeel van de drie-niveau-omvormer verloren gaat. Er bestaat momenteel echter geen fundamentele oplossing voor het probleem van een ongebalanceerde middelpuntspanning. Eén representatieve methode is het gebruik van verbeterde hardwarecircuits om een middenspanningsbalans te bereiken; De tweede is het bereiken van een spanningsbalans door de timing van schakelaars te veranderen of de duur van de vectorspanning te regelen. Maar er zijn problemen met complexe circuits en onbevredigende regeleffecten.
Momenteel kan het systeem voor de opwekking van fotovoltaïsche energie economisch functioneren, zolang het maar redelijk is ontworpen. Transformatorvrije omvormers die rechtstreeks in het elektriciteitsnet zijn geïntegreerd, worden steeds meer gewaardeerd vanwege hun lage kosten en hoge efficiëntie. Transformatoren zetten elektrische energie om in magnetische energie en zetten vervolgens magnetische energie om in elektrische energie. Het energieverlies veroorzaakt door het elektrische isolatieapparaat dat tussen de ingangs- en uitgangsklemmen is geïnstalleerd, kan oplopen tot 1% of zelfs tot 2%. Daarom is de bedrijfsefficiëntie van transformatorloze omvormers hoger dan die van transformatoromvormers, en deze technologie heeft vele andere voordelen, zoals een laag materiaalverbruik en een laag gewicht.