適合光伏寬電壓的新型單級升降壓逆變器

　　隨著人類對可再生能源探索的深入，光伏發(fā)電越來越受到關(guān)注，并網(wǎng)逆變系統(tǒng)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(tǒng)需要實現(xiàn)逆變與升壓兩個功能[2]。而傳統(tǒng)全橋逆變器輸出交流電壓不可能高于直流側(cè)母線電壓，針對這一問題，有兩種常見的解決辦法。第一種是加入一個工頻升壓變壓器，實現(xiàn)隔離與升壓，如圖1(a)所示。但是這種結(jié)構(gòu)由于存在笨重的工頻變壓器，極大地增加了系統(tǒng)的體積重量與成本，使得系統(tǒng)功率密度降低，并會造成噪聲污染。另一種解決辦法是采用多級式級聯(lián)結(jié)構(gòu)[3]，大多采用兩級式級聯(lián)[4]，如圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)變換，需要多個電感、電容元件，不利于集成，另一方面直流母線環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)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說是很不利的[6]。

　　本文基于單級式逆變器，采用虛擬變壓器替代傳統(tǒng)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?fù)?，在一個功率變化環(huán)節(jié)同時實現(xiàn)逆變與升壓，該拓?fù)溥m用于光伏逆變寬范圍輸入電壓的場合。

　　2.新型單級式逆變器

　　如圖2所示為所提出的逆變器拓?fù)?，由于其獨特的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)輸出交流電壓大于或小于直流側(cè)輸入電壓的升降壓逆變。

　　2.1 新型單級式升降壓逆變器拓?fù)?/P>

　　從電路結(jié)構(gòu)上來看，該拓?fù)淇梢钥闯捎蓛蓚€部分組成：逆變部分和Boost AC/AC部分。全橋?qū)崿F(xiàn)逆變，Boost AC/AC部分完成升壓[7]，兩部分共用一個電感和電容。

　　結(jié)合全橋與Boost AC/AC兩部分，所提出的拓?fù)淇蓪崿F(xiàn)逆變與升壓功能。假設(shè)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是開關(guān)管T7(或者T8)導(dǎo)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?fù)淇晒ぷ髟谏龎耗孀兣c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，電路就是一個全橋逆變器。采用常用的單極性正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，由于正負(fù)半周的對稱性，僅給出正半周期開關(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(dāng)輸入直流電壓小于交流輸出電壓幅值時， 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兩者共用一個電感，完成濾波以及升壓。全橋開關(guān)管的工作方式與降壓逆變的時候相同，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(nèi)開關(guān)管T6、T8一直導(dǎo)通，T5、T7高頻互補導(dǎo)通，負(fù)半周期與此相反，這樣開關(guān)管的工作模態(tài)正負(fù)半周是對稱的，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(dāng)該電路工作在升壓逆變的時候，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(diào)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(diào)制策略

　　通過對單級式升降壓逆變器工作原理以及開關(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，電路工作在降壓逆變模式，Boost AC/AC開關(guān)管T5、T6直通，此時D′取1;在直流輸入電壓小于交流輸出電壓幅值時，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現(xiàn)升壓功能。表1給出Boost AC/AC部分驅(qū)動信號導(dǎo)通情況。

　　表中“+”表示工頻半周期內(nèi)一直導(dǎo)通，“1-D”、“D”、“0”以及“1”表示高頻開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管的導(dǎo)通占空比。根據(jù)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(qū)動信號，同時結(jié)合電壓的正負(fù)極性判斷T5～T8的切換，得到驅(qū)動信號S5～S8。最后結(jié)合輸入與輸出的關(guān)系式得到調(diào)制比M，以獲得全橋部分開關(guān)管T1～T4的驅(qū)動信號S1～S4。得到整個電路的調(diào)制框圖，如圖7所示。

　　4 仿真及實驗驗證

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

　　4.1 仿真驗證

　　仿真參數(shù)如下，直流側(cè)輸入電壓范圍：200V～400V;交流側(cè)輸出電壓：220V，50Hz：開關(guān)頻率：20 kHz，理想開關(guān)器件;電感：1mH;電容：20 μF;阻性負(fù)載1kW。仿真結(jié)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。圖中還給出開關(guān)管T5～T8驅(qū)動S5～S8、電感電流iL，開關(guān)管漏源電壓的仿真波形。圖(a)中，，正半周期T6、T8一直導(dǎo)通，負(fù)半周期T5、T7一直導(dǎo)通。圖(b)中TDS6是開關(guān)管T6的漏源電壓，其包絡(luò)線為負(fù)半周期時候輸出電壓的包絡(luò)線。圖(c)是對升壓逆變的驅(qū)動進(jìn)行展開。仿真可以看到變換器能夠在200V～400V實現(xiàn)升降壓逆變。

　　4.2 實驗結(jié)果驗證

　　結(jié)合仿真搭建硬件平臺，對所提出的單級式升降壓逆變拓?fù)溥M(jìn)行實驗驗證。采用TI DSP TMS320LF2407芯片給出電路的驅(qū)動信號，開關(guān)管選用IR公司的G4PC50UD，其他參數(shù)和仿真一樣，另外采用交流調(diào)壓器+隔離變壓器+整流橋的結(jié)構(gòu)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關(guān)管的驅(qū)動、漏源電壓以及電感電流的實驗波形圖。

　　圖9給出在直流輸入電壓400V，交流輸出電壓

　　220V的降壓逆變實驗波形。此模式下開關(guān)管T5、T6一直導(dǎo)通，T7驅(qū)動信號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，實際是沒有電流通過T7的。

　　升壓逆變時，虛擬變壓器實現(xiàn)升壓，開關(guān)管T5、T7以及T6、T8分別在輸出電壓正負(fù)半周互補導(dǎo)通完成升壓功能，其電壓應(yīng)力為正負(fù)半周期內(nèi)輸出電壓的包絡(luò)線。上圖10給出了直流輸入200V交流輸出220V升壓逆變的實驗波形，其中圖(c)是將開關(guān)管T6的驅(qū)動與漏源電壓進(jìn)行展開的波形。

　　仿真與實驗結(jié)果都證明所提出的拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)寬輸入電壓范圍的逆變功能以及所給出的調(diào)制策略正確性。在低輸入直流電壓情況實現(xiàn)升壓逆變，在高輸入直流電壓情況下實現(xiàn)降壓逆變。

　　5 總結(jié)

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