一種新型單相三開關光伏并網逆變器研究

章勇高，李洋，康淦明，常凱旋

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013）

一種新型單相三開關光伏并網逆變器研究

章勇高，李洋，康淦明，常凱旋

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013）

光伏逆變器由于受外界因素以及逆變器的一些內在因素的影響，導致逆變器對輸入電壓的要求很嚴格。傳統的逆變器加變壓器的方法和多級級聯的方法不能夠妥善解決輸入電壓適應性的問題。為滿足對大范圍直流電壓輸入變化的適應性要求，同時實現光伏并網逆變器逆變與升壓兩個功能，提出了一種新型的單相三開關光伏并網逆變器拓撲。采用高頻開關器件和反激變換器，替換了傳統笨重的工頻升壓變壓器，使得逆變器的體積、重量及成本降低，易于集成，且提高了變換效率。實時波形反饋技術的閉環SPWM（sinusoidal pulse widthmodulation）控制方法，可提供快速響應。通過一個小的交流濾波器可獲得低諧波失真的正弦輸出。對理論分析結果進行仿真驗證，結果表明該新型單相三開關光伏并網逆變器具有拓撲簡單，適應大范圍直流輸入電壓變化，可靠性高等優點。

光伏；并網逆變器；直流電壓輸入變化的適應性

由于光伏電池受光照、環境等因素影響，光伏逆變器的輸入電壓范圍較大［1-6］，故要求光伏逆變器既可升壓又可降壓。傳統的全橋逆變器由于輸出側電壓低于直流側電壓，不能直接實現升壓功能。實現升降壓功能有兩種基本方法：一種方法是采用逆變器后加一個工頻升壓逆變器的方法來實現隔離和升壓。該方法的缺點是直流側輸入電壓范圍較窄，工頻變壓器使得整個結構龐大，系統功率密度降低，增加了系統功耗，而且還有嚴重噪聲［7］。另一種方法是采用多級級聯的方式，由前級DC/DC與后級DC/AC構成。典型的兩級式逆變器有Boost變換器加逆變器級聯型等，缺點是由于兩級變換需要多個開關器件，不利于集成，且穩定性較差，效率較低［8］。這兩種方法能夠實現升壓和逆變功能，但是沒有解決直流側輸入電壓范圍窄的問題。文獻［9-13］是對單級式逆變器的研究，文獻［9］介紹了幾種四開關和六開關的單級逆變器拓撲，四開關的逆變器有非隔離的升壓逆變器，非隔離的升降壓逆變器，可選擇的升降壓逆變器，雙端反激逆變器，零電流開關的升降壓逆變器，六開關的逆變器有隔離反激升降壓逆變器，非隔離的升降壓逆變器等。文獻［11］詳要描述了一種四開關的反激升降壓逆變器。文獻［13］研究了一種無工頻升壓變壓器八開關的單級式升降壓逆變器，由于開關器件多，不利于集成，而且功率損耗較大，影響了系統的效率。這些文獻從側面指出了單級式光伏并網逆變器的發展趨勢是器件更少、效率更高、成本更低、體積更小、更寬輸入電壓的適應性、可靠性更高等。

在單級四開關的隔離升降壓逆變器的基礎上，研究了一種新型單級三開關的單相光伏并網逆變器。該逆變器的特點是開關器件少，對大范圍輸入電壓有更好的適應性，且輸出電流能夠快速跟蹤電網電壓。分析了該拓撲的工作原理，并在文獻［14-18］的基礎上提出采用SPWM電流反饋控制算法，建立了PSIM仿真模型，研究其在不同輸入電壓條件下對應的仿真輸出情況，說明該逆變器可以實現Buck-boost功能，能更好地適應輸入電壓變化并實現并網功能。

1 電路結構及工作原理

1.1 電路結構

圖1為新型的單級三開關非隔離光伏并網逆變器的拓撲結構。

該拓撲由光伏電池（Vdc），3個開關器件（V1，V2，V3）和3個二極管（D1，D2，D3），反激變換器（L1，L2），濾波器（L，C），電網（Vgrid）構成。二極管（D1，D2，D3）避免電網電流反向回流，濾波器（L，C）實現濾波功能，（V3，L1，D1）和（V3，L2，D2）分別構成了Buck和Boost變換器實現升降壓和逆變功能，該拓撲能夠適應大范圍直流輸入電壓。

1.2 工作原理

新型單級三開關光伏并網逆變器可分為4個不同的工作過程，第1工作過程為電網電壓正半周充電過程，此過程V3閉合，V1，V2斷開，光伏側對一次側電感L1充電；第2過程為電網電壓正半周放電過程，此時V3，V2斷開，V1閉合，電感L1放電并通過交流濾波器注入電網；第3過程為電網電壓負半周充電過程，此時V3閉合，V1，V2斷開，光伏側對對一次側電感L1充電；第4過程為電網電壓負半周放電過程，此時V3，V1斷開，V2閉合，電感L1存儲的能量通過L2釋放并經交流濾波器注入電網。

根據上面介紹的工作原理，可得到該拓撲的開關時序圖如圖2所示。其中vgrid為電網電壓信號，ugv3，ugv1，ugv2分別為開關V3，V2，V1的開關信號。由時序圖可以看出V3，V2，V1開關信號的特點是：V3在電網電壓整個周期工作，V1在電網電壓正半周工作，V2在電網電壓負半周工作，V3和V1信號在電網電壓正半周互補，V3和V2信號在電網電壓負半周互補，正半周V3和V1交替導通，負半周V3和V2交替導通。

圖1 三開關并網逆變器拓撲Fig.1 Topology of grid-connected inverter with 3 switches

圖2 三開關并網逆變器開關時序圖Fig.2 Sequence diagram of grid-connected inverter with 3 switches

2 控制策略

為實現逆變器單位功率因數的并網發電，必須要求輸出電流與電網電壓的頻率和相位一致。采用閉環電流反饋SPWM控制算法以保證逆變器輸出電流更好地跟蹤電網電壓，其控制框圖如圖3所示。其中iref為參考電流，iac交流輸出電流，iac'為調整后的電流，e為參考電流和調整后輸出電流的偏差，C（S）為PID控制器控制函數，Vr為調制波，Vc為載波，SPWM為正弦脈寬調制，God（S）為輸出濾波器函數，F（S）為輸出電流矯正函數。控制原理是通過比較參考電流和輸出電流得到電流偏差，然后通過一個PID控制器，得到調制波，通過SPWM調制，得到占空比為d的開關信

圖3 逆變器控制框圖Fig.3 Control block diagram of invertermodulation

Vc號，經過濾波器到輸出電流。其中電網電壓變化，直流電流波動，以及組件不確定性為干擾因素，這種控制模式不能測量這些干擾因素，但是通過設計一個如等式（1）的PID控制器來克服這些干擾因素。

式中：KP，KI,KD分別為比例，積分和微積分系數。

3 仿真結果

為驗證提出的拓撲適用于電壓范圍寬的逆變情況及所給調制策略的正確性，進行了PSIM仿真驗證。仿真參數如下：直流輸入電壓：50～300 V；交流輸出電壓：220 V；開關頻率：24 kHz；電感：1mH；電容：3.3 uF；反激電感：300 uH，并網電壓：220 V，50 Hz仿真結果如圖4所示。當輸入電壓Vdc為50，150 V與300 V時，輸出電壓Vac有效值為220 V，參考電流iref為3 A，圖4（a），（b），（c）所示為一次側直流輸入電壓Vdc，電感電流I1、輸出電壓Vac和電流Iac的波形。

圖4（a）中，Vdc為50 V時，對應的一次側電感電流I1為3.88 A。，輸出電壓Vac為219.91 V，輸出電流Iac為0.56 A。圖4（b）中，Vdc為150 V時，對應的一次側電感電流I1為2.43 A。，輸出電壓Vac為219.91 V，輸出電流Iac為0.57 A。圖4（c）中，Vdc為300 V時，對應的一次側電感電流I1為1.79 A。，輸出電壓Vac為219.91 V，輸出電流Iac為0.61 A。由圖中可以看出，輸出電流和電網電壓頻率和相位基本保持同步，能夠實現光伏側逆變后并網工作的要求。

仿真結果表明，該拓撲對大范圍的直流輸入電壓有較強的適應性，可以從光伏側直流電壓50～300 V逆變并網至220 V電網電壓。在低直流輸入電壓50 V和150 V的情況下實現升壓逆變，在高直流輸入電壓300 V情況下實現降壓逆變。該拓撲的輸出電流與電網電壓頻率和相位基本保持同步，但是輸出電流有一定波動，有待進一步完善。

圖4 仿真輸出波形Fig.4 Output waveform of simulation

4 總結

由于在光伏并網應用中會遇到大范圍直流輸入電壓波動的情況，而輸出電壓需要升高到和電網電壓相匹配才能并網工作，因此，對光伏并網逆變器大范圍直流電壓輸入變化的適應性展開研究很有必要，就這一問題分析了兩種解決方案，一種是傳統的降壓逆變器和工頻變壓器級聯，但由于增加了系統的尺寸，重量，成本，而且不具有大范圍直流輸入電壓變化的適應性。另一種是采用多級級聯的直流變換器，雖然增加額外的級數可以實現對大范圍直流輸入電壓的靈活性，但是由于增加了更多組件，會影響效率設計等。由于這兩種方案都存在局限性，進而提出單級逆變電路，而單級式光伏并網逆變器的發展趨勢是器件數目更少、效率更高、成本更低、體積更小、直流輸入電壓范圍更寬、可靠性更高等。然后對一種新型的三開關管的單級反激逆變器拓撲的工作過程及特點進行了研究。詳細分析了該拓撲的工作原理，有4個工作過程。采用實時電流反饋的閉環SPWM控制策略，最后建立PSIM模型，通過對3組不同輸入電壓進行仿真，仿真結果驗證了該新型逆變器具有大范圍直流電壓輸入適應性以及輸出電流能快速跟蹤電網電壓等方面的優勢。

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Study on Novel Single-phase Photovoltaic Grid-connected Inverter with Three Switching Devices

Zhang Yonggao,Li Yang,Kang Ganming,Chang Kaixuan
(School of Electrical and Electronic Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

There are strict requirements of input voltage for a photovoltaic inverter due to some external effects and internal factors,and it is difficult to solve the problem of tolerance to varied input DC voltage properly through the traditionalmethod of an inverter plus a transformer andmulti-stage cascading.In order tomeet the need of tolerance to a widely varied input DC voltage and realize the function of inversion and step-up in photovoltaic gridconnected inverter,this paper puts forward a novel single-phase photovoltaic grid-connected inverter topology with three switches.High-frequency switches and fly-back converter were adopted to substitute the traditional bulky line frequency step-up transformer,whichmade the system easy to integrate with small volume,low weight and cost,and higher efficiency.The closed-loop sinusoidal PWM controlmethod with real-time waveform feed?back technique can provide fast dynamic response.Through a small ac filter,the inverter achieved low-THD sinu?soidal output.Simulation results verify that the novel single-phase photovoltaic grid-connected inverter is fea?tured by simple structure and control,tolerance to a widely varied input DC voltage with high reliability.

photovoltaic;grid-connected inverter;tolerance to varied input DC voltage

TM615

A

2013-11-15

江西省工業科技支撐農業項目（2012BBF60084）；江西省教育廳科技項目（GJJ14387）

章勇高（1975—），男，副教授，博士，研究方向為光伏逆變器，非并網風力發電及應用。

1005-0523（2014）04-0114-05