新型單級Buck-Boost逆變器

在現(xiàn)在的生活中，太陽能產(chǎn)品處處可見，人們用太陽能煮飯，還有太陽能熱水器等等，無處不見太陽能產(chǎn)品，當然，最重要的還是太陽能發(fā)電，但是目前的技術并不能讓人們很好利用太陽能發(fā)電。燕山大學電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室、國網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島市撫寧區(qū)供電分公司的研究人員王立喬、李占一、劉樂、黃海文，在2019年第20期《電工技術學報》上撰文(論文標題為“一種無電解電容單級Buck-Boost逆變器”)，針對中小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中電壓源型逆變器不能升降壓運行、直流側需要大容量電解電容的問題，提出一種新型無電解電容單級Buck-Boost逆變器。

該逆變器具有升降壓能力，不僅電路本身不含電解電容，而且其抵抗輸入側低頻脈動的能力強，有利于減小輸入側濾波電容值，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)無電解電容化。該逆變器具有成本低、使用壽命長、可靠性高、短路及斷路保護簡單等優(yōu)點，符合中小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)的要求。

該文首先介紹該逆變器的工作原理，然后建立其數(shù)學模型，并設計閉環(huán)調節(jié)器。在理論分析的基礎上，進行仿真和實驗驗證，仿真和實驗結果證明了理論分析的正確性。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能光伏電池對環(huán)境因素非常敏感，受外部因素影響，其輸出電壓具有很大的波動性，即光伏逆變器的輸入電壓是寬范圍變化的。在中小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏逆變器多采用電壓源型橋式逆變器，其輸出電壓峰值只能小于輸入側直流電壓值，這造成輸入側電壓波動范圍較大時，電壓源型橋式逆變器不能滿足要求。

另外，受外界環(huán)境因素的影響，光伏陣列輸出的直流電壓會有小范圍的低頻脈動，同時考慮到逆變器緩沖無功能量的需求，一般需要加入一個電解電容進行穩(wěn)壓、濾波。為達到較好的穩(wěn)壓、濾波效果，并聯(lián)電容往往需要使用大容量的電解電容，因此存在系統(tǒng)體積大、壽命以及可靠性低等問題。

解決輸入電壓寬范圍變化的問題，常見的措施是采用具有升降壓能力的逆變器。傳統(tǒng)的具有升降壓能力的逆變器可以分為隔離型逆變器和多級型逆變器。隔離型逆變器中存在工頻或高頻變壓器，導致系統(tǒng)體積大、成本高。多級型逆變器在電壓型逆變器前級加入升壓型DC-DC電路，通過前級后級的協(xié)同控制實現(xiàn)升降壓逆變，但各能量級之間使用了大容量電解電容進行穩(wěn)壓、濾波，導致系統(tǒng)效率低、可靠性差。

由于傳統(tǒng)方案的不足，越來越多的學者開始研究單級非隔離結構的逆變器。與傳統(tǒng)方案相比，單級非隔離升降壓型逆變器有諸多優(yōu)點：無需變壓器、拓撲結構簡單、所需元件少;相比多級式拓撲其只有一個能量環(huán)節(jié)，因此在效率方面具有優(yōu)勢。但是目前已經(jīng)提出的單級升降壓型逆變器大多沒有解決濾波器尺寸大的問題。

有學者提出了Z源逆變器，Z源逆變器通過將無源儲能元件組成的無源網(wǎng)絡加入橋式結構中實現(xiàn)升降壓逆變，但Z源逆變器中無源網(wǎng)絡所需的電感和電容值較大，且其升壓能力較弱，盡管可以通過改變無源網(wǎng)絡使升壓能力得到提高，但是改變后的無源網(wǎng)絡結構復雜，硬件參數(shù)設計也變得困難。

有學者提出一種單級非隔離雙Cuk逆變器，借助于Cuk電路的升降壓能力，該逆變器可以實現(xiàn)升降壓逆變，但是該逆變器中間電容值較大，且輸出電壓正負半周需要兩個直流電源獨立供電，增加了系統(tǒng)成本，雖可以采用單電源加兩個電容分壓的方式，但是分壓電容往往需要容值很大的電解電容，這將進一步降低系統(tǒng)的可靠性。

有學者提出一種集成式逆變器，集成式逆變器將升降壓型變換器和全橋逆變器通過共用功率器件的方式集成在一起，雖降低了元器件數(shù)量，但是該逆變器仍需要一個容值較大的電解電容。

針對已有方案的不足，本文提出一種基于Buck- Boost變換器的新型逆變器，該逆變器具有成本低、拓撲結構簡單、無需電解電容和可靠性高等優(yōu)點。該逆變器單級可以實現(xiàn)升降壓功能，適用于輸入電壓寬范圍變化的場合;其抵抗輸入側低頻脈動能力強，有助于降低輸入側濾波電容值，實現(xiàn)整個電路無電解電容化;該逆變器在單位功率因數(shù)運行時，無需加入死區(qū)信號和疊流信號，因此可靠性強、輸出電壓總諧波畸變率(Total Harmonics Distortion, THD)低。本文理論分析了該逆變器的工作原理及調制方式，并通過仿真和實驗驗證了理論分析的正確性。

結論

本文針對中小功率系統(tǒng)，提出一種新型單級非隔離Buck-Boost逆變器。對其拓撲結構、工作原理、調制方式、數(shù)學模型以及控制方法展開理論與仿真研究，最后搭建實驗平臺，通過實驗驗證了理論分析與仿真的正確性，得到以下結論：

1)新型單級非隔離Buck-Boost逆變器不含電解電容，所需有源和無源器件均較少，體積小、成本低、可靠性高，該逆變器單級可實現(xiàn)升降壓功能，對光伏發(fā)電等寬范圍輸入場合的適應能力強。

2)該逆變器對輸入電壓低頻脈動有一定的抵抗能力，且具有短路及斷路保護簡單、輸出波形正弦度高的優(yōu)點。

3)建立了逆變器的數(shù)學模型，設計了閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真和實驗證明了在閉環(huán)控制下，逆變器就可以跟隨給定、抵抗輸入電壓突變及負載突變擾動，具有良好的動靜態(tài)性能。相信再過幾年到幾十年，當人類利用太陽能的技術很成熟的時候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當下就需要研究者更加努力研究新技術。