適合光伏寬電壓的新型單級升降壓逆變器

2021-01-09 電子產品世界

　　隨著人類對可再生能源探索的深入，光伏發電越來越受到關注，併網逆變系統是光伏發電的重要組成部分。光伏電池板輸出電壓範圍寬[1]，併網逆變系統需要實現逆變與升壓兩個功能[2]。而傳統全橋逆變器輸出交流電壓不可能高於直流側母線電壓，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，實現隔離與升壓，如圖1(a)所示。但是這種結構由於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，並會造成噪聲汙染。另一種解決辦法是採用多級式級聯結構[3]，大多採用兩級式級聯[4]，如圖1(b)所示的結構，由DC/DC和DC/AC兩級級聯組成，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。典型的兩級式併網逆變器有Boost變換器加逆變器級聯型、Boost-Buck級聯型逆變器等[5]。兩級式結構變換，需要多個電感、電容元件，不利於集成，另一方面直流母線環節的大電解電容，影響功率密度，容易老化，影響變換器的使用壽命，而且級聯結構的穩定性差，效率低，對於本身發電效率不是很高的光伏陣列來說是很不利的[6]。

　　本文基於單級式逆變器，採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，在一個功率變化環節同時實現逆變與升壓，該拓撲適用於光伏逆變寬範圍輸入電壓的場合。

　　2.新型單級式逆變器

　　如圖2所示為所提出的逆變器拓撲，由於其獨特的結構，可實現輸出交流電壓大於或小於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

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

　　結合全橋與Boost AC/AC兩部分，所提出的拓撲可實現逆變與升壓功能。假設輸入直流電壓Vin與輸出交流電網電壓幅值Vop，那麼兩者之間有如式4所示的關係，其中D是開關管T7(或者T8)導通佔空比。

　　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。

　　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。採用常用的單極性正弦脈寬調製技術，由於正負半周的對稱性，僅給出正半周期開關管的工作模態圖，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係式，即式(5)中佔空比D′取1。

　　2.2.2升壓逆變模式

　　當輸入直流電壓小於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：在正半周期內開關管T6、T8一直導通，T5、T7高頻互補導通，負半周期與此相反，這樣開關管的工作模態正負半周是對稱的，圖6僅給出其在正半周期的四種工作模態。式(5)給出的逆變器直流輸入電壓與輸出電壓幅值的關係，當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′，有利於Boost AC/AC工作，將調製比M取1，得到輸入電壓與輸出電壓幅值的關係，如式(7)。

　　3 調製策略

　　通過對單級式升降壓逆變器工作原理以及開關管工作模態進行的分析可以看到：在直流輸入電壓大於交流輸出電壓幅值時，電路工作在降壓逆變模式，Boost AC/AC開關管T5、T6直通，此時D′取1;在直流輸入電壓小於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，其兩對四象限功率管按照一定得原則實現升壓功能。表1給出Boost AC/AC部分驅動信號導通情況。

　　表中「+」表示工頻半周期內一直導通，「1-D」、「D」、「0」以及「1」表示高頻開關周期內開關管的導通佔空比。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的高頻驅動信號，同時結合電壓的正負極性判斷T5～T8的切換，得到驅動信號S5～S8。最後結合輸入與輸出的關係式得到調製比M，以獲得全橋部分開關管T1～T4的驅動信號S1～S4。得到整個電路的調製框圖，如圖7所示。

　　4 仿真及實驗驗證

　　為驗證本文中所提出的拓撲適用於電壓範圍寬的逆變情況以及所給出的調製策略的正確性，進行了仿真以及實驗的驗證。

　　4.1 仿真驗證

　　仿真參數如下，直流側輸入電壓範圍：200V～400V;交流側輸出電壓：220V，50Hz：開關頻率：20 kHz，理想開關器件;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行仿真，即輸入電壓vin取400V與200V輸出電壓vo等於220V的情況。圖中還給出開關管T5～T8驅動S5～S8、電感電流iL，開關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是開關管T6的漏源電壓，其包絡線為負半周期時候輸出電壓的包絡線。圖(c)是對升壓逆變的驅動進行展開。仿真可以看到變換器能夠在200V～400V實現升降壓逆變。

　　4.2 實驗結果驗證

　　結合仿真搭建硬體平臺，對所提出的單級式升降壓逆變拓撲進行實驗驗證。採用TI DSP TMS320LF2407晶片給出電路的驅動信號，開關管選用IR公司的G4PC50UD，其他參數和仿真一樣，另外採用交流調壓器+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關管的驅動、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。此模式下開關管T5、T6一直導通，T7驅動信號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，虛擬變壓器實現升壓，開關管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)是將開關管T6的驅動與漏源電壓進行展開的波形。

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

　　5 總結

　　本文提出一種新型的單級式可實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行分析。Boost AC/AC的升壓環節作為虛擬變壓器替代傳統工頻升壓變壓器，用於逆變系統，有利於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。仿真以及實驗結果很好的證明了所提出拓撲適用於光伏電壓範圍寬的逆變系統。

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