适合光伏宽电压的新型单级升降压逆变器

　　随着人类对可再生能源探索的深入，光伏发电越来越受到关注，并网逆变系统是光伏发电的重要组成部分。光伏电池板输出电压范围宽[1]，并网逆变系统需要实现逆变与升压两个功能[2]。而传统全桥逆变器输出交流电压不可能高于直流侧母线电压，针对这一问题，有两种常见的解决办法。第一种是加入一个工频升压变压器，实现隔离与升压，如图1(a)所示。但是这种结构由于存在笨重的工频变压器，极大地增加了系统的体积重量与成本，使得系统功率密度降低，并会造成噪声污染。另一种解决办法是采用多级式级联结构[3]，大多采用两级式级联[4]，如图1(b)所示的结构，由DC/DC和DC/AC两级级联组成，前级DC/DC将直流输入电压变换到适合逆变器输入的电压等级。典型的两级式并网逆变器有Boost变换器加逆变器级联型、Boost-Buck级联型逆变器等[5]。两级式结构变换，需要多个电感、电容元件，不利于集成，另一方面直流母线环节的大电解电容，影响功率密度，容易老化，影响变换器的使用寿命，而且级联结构的稳定性差，效率低，对于本身发电效率不是很高的光伏阵列来说是很不利的[6]。

　　本文基于单级式逆变器，采用虚拟变压器替代传统的工频升压变压器，提出一种新型的单级式升降压逆变器拓扑，在一个功率变化环节同时实现逆变与升压，该拓扑适用于光伏逆变宽范围输入电压的场合。

　　2.新型单级式逆变器

　　如图2所示为所提出的逆变器拓扑，由于其独特的结构，可实现输出交流电压大于或小于直流侧输入电压的升降压逆变。

　　2.1 新型单级式升降压逆变器拓扑

　　从电路结构上来看，该拓扑可以看成由两个部分组成：逆变部分和Boost AC/AC部分。全桥实现逆变，Boost AC/AC部分完成升压[7]，两部分共用一个电感和电容。

　　结合全桥与Boost AC/AC两部分，所提出的拓扑可实现逆变与升压功能。假设输入直流电压Vin与输出交流电网电压幅值Vop，那么两者之间有如式4所示的关系，其中D是开关管T7(或者T8)导通占空比。

　　2.2 单级式升降压逆变器的工作原理

　　论文提出的拓扑可工作在升压逆变与降压逆变模式，不同模式下具有不同的模态。

　　2.2.1 降压逆变模式

　　在降压工作模式下，电路就是一个全桥逆变器。采用常用的单极性正弦脉宽调制技术，由于正负半周的对称性，仅给出正半周期开关管的工作模态图，如图5所示。式(6)给出降压逆变工作模式下，输入电压与输出电压的关系式，即式(5)中占空比D′取1。

　　2.2.2升压逆变模式

　　当输入直流电压小于交流输出电压幅值时， Boost AC/AC就需要完成升压的功能，虚拟变压器变比D′不再为1，电路工作在升压逆变的工作模式。全桥与Boost AC/AC两者共用一个电感，完成滤波以及升压。全桥开关管的工作方式与降压逆变的时候相同，两桥臂间输出单极性SPWM波。T5～T8的工作方式是：在正半周期内开关管T6、T8一直导通，T5、T7高频互补导通，负半周期与此相反，这样开关管的工作模态正负半周是对称的，图6仅给出其在正半周期的四种工作模态。式(5)给出的逆变器直流输入电压与输出电压幅值的关系，当该电路工作在升压逆变的时候，为最大限度利用直流输入电压以减小升压变比D′，有利于Boost AC/AC工作，将调制比M取1，得到输入电压与输出电压幅值的关系，如式(7)。

　　3 调制策略

　　通过对单级式升降压逆变器工作原理以及开关管工作模态进行的分析可以看到：在直流输入电压大于交流输出电压幅值时，电路工作在降压逆变模式，Boost AC/AC开关管T5、T6直通，此时D′取1;在直流输入电压小于交流输出电压幅值时，电路工作在升压逆变模式，Boost AC/AC工作在升压状态，其两对四象限功率管按照一定得原则实现升压功能。表1给出Boost AC/AC部分驱动信号导通情况。

　　表中“+”表示工频半周期内一直导通，“1-D”、“D”、“0”以及“1”表示高频开关周期内开关管的导通占空比。根据输入直流电压与输出交流电压幅值大小判断电路的工作模式，得到T5～T8的高频驱动信号，同时结合电压的正负极性判断T5～T8的切换，得到驱动信号S5～S8。最后结合输入与输出的关系式得到调制比M，以获得全桥部分开关管T1～T4的驱动信号S1～S4。得到整个电路的调制框图，如图7所示。

　　4 仿真及实验验证

　　为验证本文中所提出的拓扑适用于电压范围宽的逆变情况以及所给出的调制策略的正确性，进行了仿真以及实验的验证。

　　4.1 仿真验证

　　仿真参数如下，直流侧输入电压范围：200V～400V;交流侧输出电压：220V，50Hz：开关频率：20 kHz，理想开关器件;电感：1mH;电容：20 μF;阻性负载1kW。仿真结果如图8所示。

选取两种极端情况对电路进行仿真，即输入电压vin取40