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)洌谝粋€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)洌捎谄洫毺氐慕Y(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)。