基于光伏提水灌溉系統的兩級式逆變供電裝置研究

陳榮等

摘要：介紹了一種適用于光伏提水灌溉系統的兩級式逆變供電裝置；針對傳統boost-VSI電路升壓系數低、占空比極大的缺點，介紹了一種電流反饋開關升壓電路，其升壓比例大，同時不要求極端的占空比操作，具有良好的抗電磁干擾（EMI）特性，與逆變器連接輸出交流電壓，電流穩定，功率轉化率高，大大提高了提水灌溉能力。經仿真和樣機試驗證實該改進方案可靠穩定。

關鍵詞：光伏；提水灌溉；逆變器；直流升壓；電流反饋

中圖分類號： S277.9文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0431-04

我國國土面積廣闊，部分農業生產地區電網覆蓋率不高，這嚴重影響了農業灌溉，給農業生產帶來了沉重的負擔[1]。光伏提水灌溉系統作為新能源在現代農業生產的應用，成為優化現代農業生產電氣機械化設備的新動力，成功減輕了農業生產用電緊張地區提水灌溉困難的現狀[2-3]。本研究介紹了一種基于優化設計的兩級式逆變供電裝置，適用于光伏提水灌溉系統。本研究中所述的電流反饋開關升壓電路結構簡單，電子元器件數量少，相比傳統boost-VSI電路具有更高的升壓能力，又不要求極端的占空比操作，同時，具備連續輸入電流特性，使得它更加適合應用于新能源供電系統，以確保裝置的使用壽命[4-6]。太陽能電池板產生的低電壓經過電流反饋開關升壓電路升壓后送入逆變器，輸出的交流電壓、電流波形良好、穩定，系統電磁干擾（EMI）性低[7-9]，有效轉化太陽能用于提水灌溉設備供電，大大提高農業生產效率[10]。

1傳統boost-VSI電路

傳統的boost-VSI電路的拓撲圖如圖1所示，前級DC-DC升壓電路由開關管Gs控制開通關斷，通過電感L儲能泵升電壓和電容C保持電壓輸出達到升高電壓的作用，其升壓比例為1 ∶（1-α）（α為占空比）。

傳統升壓轉換器的最大增益在占空比（α）接近1時獲得，這導致電路中的二極管將經受嚴重的反向恢復，從而增加了導通損耗，并產生電磁干擾（EMI）[11-12]。這些問題在高開關頻率工作狀態下尤為明顯[13]。

傳統boost-VSI電路的后級DC-AC逆變環節中IGBT上下橋臂不能同時導通，以避免瞬時短路損壞功率開關，因此在控制開關驅動中要加入死區，但是這樣又會造成輸出波形的干擾、失真[14-15]。

2電流反饋開關升壓電路

基于上述傳統boost-VSI電路存在的問題，本研究提出一種電流反饋開關升壓電路，與后級逆變器相結合形成改進后的兩級光伏逆變裝置[16]。圖2中RDC為泄放電阻，防止電容兩端過電壓。

2.1原理分析

在VSI結構中，任意上下橋臂都不允許同時導通，因為這樣可能會對開關造成潛在威脅；因此，互補開關信號之間必須設置死區時間。而電流反饋開關升壓逆變電路中逆變器上下橋臂2個開關同時導通是可以的，是一個有效的狀態，這樣可以更好地降低電磁干擾和波形失真。

如圖3所示，Si表示后級逆變環節同一橋臂上下開關同時導通的狀態，電容Co的初始電壓等于Vg，并且開關信號啟動之前電感電流最初值為零。當開關S、Si導通時，二極管Da和Db反向偏置，電源Vg和電容Co一起給電感器L充電；開關S、Si關斷時，二極管Da和Db接通，電感給Co充電（圖4），

輸入電壓為30 V、占空比為0.45時的升壓效果見圖7。考慮到非理想情況下，電壓上升接近300 V，將（a）部分放大

得到（b），可以清楚看出電壓波動控制在280.72～280.90 V，說明經過升壓后直流電壓輸出穩定，有利于后級逆變的進行。

對該兩級式逆變裝置的輸出電流進行THD分析，輸出電流諧波少而穩定（圖8）。如圖9對裝置進行變負載測試，輸出交流電流依然穩定。

5試驗測試

為了實際驗證本研究所提出的兩級式逆變裝置的正確性，設計了1臺3 kW的試驗樣機，并對其進行了試驗測試。輸入電流30 V，占空比0.45，逆變輸出220 V交流電。當負載由400 Ω逐漸變化到80 Ω時，輸出電流的變化情況如圖10所示：波形顯示隨著負載變化電流變化波形穩定；再對裝置進行負載突變試驗，結果如圖11所示：在0.04 s處負載由400 Ω突變到100 Ω，電壓波形一直平穩，電流波形在0.04 s處經過極短時間的小突變后迅速恢復穩定，證明該裝置抗干擾能力強，運行穩定。

6結語

基于光伏提水灌溉系統，本研究設計了一種兩級式逆變供電裝置，針對傳統boost升壓電路的不足，設計了一種電流反饋開關升壓電路，提高了升壓增益，同時解決了通用逆變器死區設置導致波形失真的問題。經過仿真和試驗證實，本裝置運行穩定，抗干擾能力強，為新能源技術應用于實際工程中提供了技術支持。

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