適合光伏寬電壓的新型單級升降壓逆變器

　　隨著(zhù)人類(lèi)對可再生能源探索的深入，光伏發(fā)電越來(lái)越受到關(guān)注，并網(wǎng)逆變系統是光伏發(fā)電的重要組成部分。光伏電池板輸出電壓范圍寬[1]，并網(wǎng)逆變系統需要實(shí)現逆變與升壓兩個(gè)功能[2]。而傳統全橋逆變器輸出交流電壓不可能高于直流側母線(xiàn)電壓，針對這一問(wèn)題，有兩種常見(jiàn)的解決辦法。第一種是加入一個(gè)工頻升壓變壓器，實(shí)現隔離與升壓，如圖1(a)所示。但是這種結構由于存在笨重的工頻變壓器，極大地增加了系統的體積重量與成本，使得系統功率密度降低，并會(huì )造成噪聲污染。另一種解決辦法是采用多級式級聯(lián)結構[3]，大多采用兩級式級聯(lián)[4]，如圖1(b)所示的結構，由DC/DC和DC/AC兩級級聯(lián)組成，前級DC/DC將直流輸入電壓變換到適合逆變器輸入的電壓等級。典型的兩級式并網(wǎng)逆變器有Boost變換器加逆變器級聯(lián)型、Boost-Buck級聯(lián)型逆變器等[5]。兩級式結構變換，需要多個(gè)電感、電容元件，不利于集成，另一方面直流母線(xiàn)環(huán)節的大電解電容，影響功率密度，容易老化，影響變換器的使用壽命，而且級聯(lián)結構的穩定性差，效率低，對于本身發(fā)電效率不是很高的光伏陣列來(lái)說(shuō)是很不利的[6]。

　　本文基于單級式逆變器，采用虛擬變壓器替代傳統的工頻升壓變壓器，提出一種新型的單級式升降壓逆變器拓撲，在一個(gè)功率變化環(huán)節同時(shí)實(shí)現逆變與升壓，該拓撲適用于光伏逆變寬范圍輸入電壓的場(chǎng)合。

　　2.新型單級式逆變器

　　如圖2所示為所提出的逆變器拓撲，由于其獨特的結構，可實(shí)現輸出交流電壓大于或小于直流側輸入電壓的升降壓逆變。

　　2.1 新型單級式升降壓逆變器拓撲

　　從電路結構上來(lái)看，該拓撲可以看成由兩個(gè)部分組成：逆變部分和Boost AC/AC部分。全橋實(shí)現逆變，Boost AC/AC部分完成升壓[7]，兩部分共用一個(gè)電感和電容。

　　結合全橋與Boost AC/AC兩部分，所提出的拓撲可實(shí)現逆變與升壓功能。假設輸入直流電壓Vin與輸出交流電網(wǎng)電壓幅值Vop，那么兩者之間有如式4所示的關(guān)系，其中D是開(kāi)關(guān)管T7(或者T8)導通占空比。

　　2.2 單級式升降壓逆變器的工作原理

　　論文提出的拓撲可工作在升壓逆變與降壓逆變模式，不同模式下具有不同的模態(tài)。

　　2.2.1 降壓逆變模式

　　在降壓工作模式下，電路就是一個(gè)全橋逆變器。采用常用的單極性正弦脈寬調制技術(shù)，由于正負半周的對稱(chēng)性，僅給出正半周期開(kāi)關(guān)管的工作模態(tài)圖，如圖5所示。式(6)給出降壓逆變工作模式下，輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系式，即式(5)中占空比D′取1。

　　2.2.2升壓逆變模式

　　當輸入直流電壓小于交流輸出電壓幅值時(shí)， Boost AC/AC就需要完成升壓的功能，虛擬變壓器變比D′不再為1，電路工作在升壓逆變的工作模式。全橋與Boost AC/AC兩者共用一個(gè)電感，完成濾波以及升壓。全橋開(kāi)關(guān)管的工作方式與降壓逆變的時(shí)候相同，兩橋臂間輸出單極性SPWM波。T5～T8的工作方式是：在正半周期內開(kāi)關(guān)管T6、T8一直導通，T5、T7高頻互補導通，負半周期與此相反，這樣開(kāi)關(guān)管的工作模態(tài)正負半周是對稱(chēng)的，圖6僅給出其在正半周期的四種工作模態(tài)。式(5)給出的逆變器直流輸入電壓與輸出電壓幅值的關(guān)系，當該電路工作在升壓逆變的時(shí)候，為最大限度利用直流輸入電壓以減小升壓變比D′，有利于Boost AC/AC工作，將調制比M取1，得到輸入電壓與輸出電壓幅值的關(guān)系，如式(7)。

　　3 調制策略

　　通過(guò)對單級式升降壓逆變器工作原理以及開(kāi)關(guān)管工作模態(tài)進(jìn)行的分析可以看到：在直流輸入電壓大于交流輸出電壓幅值時(shí)，電路工作在降壓逆變模式，Boost AC/AC開(kāi)關(guān)管T5、T6直通，此時(shí)D′取1;在直流輸入電壓小于交流輸出電壓幅值時(shí)，電路工作在升壓逆變模式，Boost AC/AC工作在升壓狀態(tài)，其兩對四象限功率管按照一定得原則實(shí)現升壓功能。表1給出Boost AC/AC部分驅動(dòng)信號導通情況。

　　表中“+”表示工頻半周期內一直導通，“1-D”、“D”、“0”以及“1”表示高頻開(kāi)關(guān)周期內開(kāi)關(guān)管的導通占空比。根據輸入直流電壓與輸出交流電壓幅值大小判斷電路的工作模式，得到T5～T8的高頻驅動(dòng)信號，同時(shí)結合電壓的正負極性判斷T5～T8的切換，得到驅動(dòng)信號S5～S8。最后結合輸入與輸出的關(guān)系式得到調制比M，以獲得全橋部分開(kāi)關(guān)管T1～T4的驅動(dòng)信號S1～S4。得到整個(gè)電路的調制框圖，如圖7所示。

　　4 仿真及實(shí)驗驗證

　　為驗證本文中所提出的拓撲適用于電壓范圍寬的逆變情況以及所給出的調制策略的正確性，進(jìn)行了仿真以及實(shí)驗的驗證。

　　4.1 仿真驗證

　　仿真參數如下，直流側輸入電壓范圍：200V～400V;交流側輸出電壓：220V，50Hz：開(kāi)關(guān)頻率：20 kHz，理想開(kāi)關(guān)器件;電感：1mH;電容：20 μF;阻性負載1kW。仿真結果如圖8所示。

　　選取兩種極端情況對電路進(jìn)行仿真，即輸入電壓vin取400V與200V輸出電壓vo等于220V的情況。圖中還給出開(kāi)關(guān)管T5～T8驅動(dòng)S5～S8、電感電流iL，開(kāi)關(guān)管漏源電壓的仿真波形。圖(a)中，，正半周期T6、T8一直導通，負半周期T5、T7一直導通。圖(b)中TDS6是開(kāi)關(guān)管T6的漏源電壓，其包絡(luò )線(xiàn)為負半周期時(shí)候輸出電壓的包絡(luò )線(xiàn)。圖(c)是對升壓逆變的驅動(dòng)進(jìn)行展開(kāi)。仿真可以看到變換器能夠在200V～400V實(shí)現升降壓逆變。

　　4.2 實(shí)驗結果驗證

　　結合仿真搭建硬件平臺，對所提出的單級式升降壓逆變拓撲進(jìn)行實(shí)驗驗證。采用TI DSP TMS320LF2407芯片給出電路的驅動(dòng)信號，開(kāi)關(guān)管選用IR公司的G4PC50UD，其他參數和仿真一樣，另外采用交流調壓器+隔離變壓器+整流橋的結構模擬直流輸入電源。給出升壓逆變模式與降壓逆變模式下開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)、漏源電壓以及電感電流的實(shí)驗波形圖。

　　圖9給出在直流輸入電壓400V，交流輸出電壓

　　220V的降壓逆變實(shí)驗波形。此模式下開(kāi)關(guān)管T5、T6一直導通，T7驅動(dòng)信號S7是與輸出電壓極性相反的方波信號，這是因為換流極性判斷造成的，實(shí)際是沒(méi)有電流通過(guò)T7的。

　　升壓逆變時(shí)，虛擬變壓器實(shí)現升壓，開(kāi)關(guān)管T5、T7以及T6、T8分別在輸出電壓正負半周互補導通完成升壓功能，其電壓應力為正負半周期內輸出電壓的包絡(luò )線(xiàn)。上圖10給出了直流輸入200V交流輸出220V升壓逆變的實(shí)驗波形，其中圖(c)是將開(kāi)關(guān)管T6的驅動(dòng)與漏源電壓進(jìn)行展開(kāi)的波形。

　　仿真與實(shí)驗結果都證明所提出的拓撲能夠實(shí)現寬輸入電壓范圍的逆變功能以及所給出的調制策略正確性。在低輸入直流電壓情況實(shí)現升壓逆變，在高輸入直流電壓情況下實(shí)現降壓逆變。

　　5 總結

　　本文提出一種新型的單級式可實(shí)現升降壓逆變功能的逆變器拓撲，對其特殊的結構以及雙模式的工作方式進(jìn)行分析。Boost AC/AC的升壓環(huán)節作為虛擬變壓器替代傳統工頻升壓變壓器，用于逆變系統，有利于減小系統的體積成本，提高功率密度。另一方面單級式的結構能夠提高系統的效率以及穩定性。仿真以及實(shí)驗結果很好的證明了所提出拓撲適用于光伏電壓范圍寬的逆變系統。