摘 要 ：文提出一种适合宽输入电压的单级升降压逆变器拓扑，在单级功率变换中实现逆变与升压功能，适用于光伏逆变场合。采用高频功率开关器件构成虚拟变压器替代传统工频升压变压器，并实现变比连续可调，使得逆变系统的体积重量减小，降低成本。本文分析了该逆变器降压与升压的两种工作模式，给出了其调制策略的具体实现方案，并进行了仿真和实验验证。
关键词：光伏，单级式逆变，虚拟变压器，升降压逆变
1.引言
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400V与200V输出电压vo等于220V的情况。图中还给出开关管T5～T8驱动S5～S8、电感电流iL，开关管漏源电压的仿真波形。图(a)中，，正半周期T6、T8一直导通，负半周期T5、T7一直导通。图(b)中TDS6是开关管T6的漏源电压，其包络线为负半周期时候输出电压的包络线。图(c)是对升压逆变的驱动进行展开。仿真可以看到变换器能够在200V～400V实现升降压逆变。
4.2 实验结果验证
结合仿真搭建硬件平台，对所提出的单级式升降压逆变拓扑进行实验验证。采用TI DSP TMS320LF2407芯片给出电路的驱动信号，开关管选用IR公司的G4PC50UD，其他参数和仿真一样，另外采用交流调压器+隔离变压器+整流桥的结构模拟直流输入电源。给出升压逆变模式与降压逆变模式下开关管的驱动、漏源电压以及电感电流的实验波形图。
图9给出在直流输入电压400V，交流输出电压
220V的降压逆变实验波形。此模式下开关管T5、T6一直导通，T7驱动信号S7是与输出电压极性相反的方波信号，这是因为换流极性判断造成的，实际是没有电流通过T7的。
升压逆变时，虚拟变压器实现升压，开关管T5、T7以及T6、T8分别在输出电压正负半周互补导通完成升压功能，其电压应力为正负半周期内输出电压的包络线。上图10给出了直流输入200V交流输出220V升压逆变的实验波形，其中图(c)是将开关管T6的驱动与漏源电压进行展开的波形。
仿真与实验结果都证明所提出的拓扑能够实现宽输入电压范围的逆变功能以及所给出的调制策略正确性。在低输入直流电压情况实现升压逆变，在高输入直流电压情况下实现降压逆变。
5 总结
本文提出一种新型的单级式可实现升降压逆变功能的逆变器拓扑，对其特殊的结构以及双模式的工作方式进行分析。Boost AC/AC的升压环节作为虚拟变压器替代传统工频升压变压器，用于逆变系统，有利于减小系统的体积成本，提高功率密度。另一方面单级式的结构能够提高系统的效率以及稳定性。仿真以及实验结果很好的证明了所提出拓扑适用于光伏电压范围宽的逆变系统。
参考文献
[1] 杨秀媛, 刘小河, 张芳, 张利. 大型太阳能并网发电模型及应用. 中国电机工程学报, 2011, 31(S1)19-22.
[2] Yi Huang, Miaosen Shen, Fang Z. Peng, Jin Wang. Z-Source Inverter for Residential Photovoltaic Systems. IEEE Transactions on Power Elctronics, vol. 21, no. 6, pp. 1776-1782, 2006.
[3] Kjaer S B, Pedersen J K, Blaabjerg F, A review of single phase grid-connected inverters for photovoltaic modules. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, no. 5, pp. 1292-1306, 2005.
[4] Wensong Yu, Hutchens C, Jih-Sheng Lai, Jianhui Zhang, Lisi G, Djabbari A, Smith G and Hegarty T. High efficiency converter with charge pump and coupled inductor for wide input photovoltaic ac module applications. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, pp. 3895 -3900, 2009.
[5] Zheng Zhao, Ming Xu, Qiaoliang Chen, Jih-Sheng (Jason) Lai, Younghoon Cho. Derivation, Analysis, and Implementation of a Boost–Buck Converter-Based High-Efficiency PV Inverter. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 3, pp. 1304-1313, 2012.
[6] 杨伟昕. 光伏最大功率点跟踪及并网运行.南京: 南京航空航天大学, 2010.
[7] 丁明昌, 张友军, 任永保, 翁振明, 王阿敏, 等. 单相Boost型AC/AC交流变换器的分析与实现. 电源世界, 2010, (3): 21-25.
[8] 陈坚. 电力电子学-电力电子变换和控制技术.北京: 高等教育出版社, 2004.
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