單相單級(jí)升降壓逆變器的拓?fù)浞治雠c比較

章勇高，康淦明，李 洋，王 妍，常凱旋

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013）

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)能源越來越不能滿足人類生活對(duì)能源的需求，人們不斷尋求更多的新型能源來補(bǔ)充或代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，近年來，作為清潔能源的光伏發(fā)電越來越受到人們的關(guān)注。光伏發(fā)電系統(tǒng)就是將變化的光伏陣列直流輸出電壓轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)電壓和頻率的交流輸出，并向電網(wǎng)注入電流。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要具有集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)形式，其中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)［1-4］的效率更高，一次性投入更低，壽命更長(zhǎng)且組裝簡(jiǎn)單，具有一定的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。尤其是2012年10月26日國(guó)家電網(wǎng)公司向社會(huì)發(fā)布《關(guān)于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，國(guó)家電網(wǎng)做出接納分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的承諾［5］，意在促進(jìn)國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)走出困局，保持健康持續(xù)發(fā)展，各地紛紛允許中小型分布式光伏發(fā)電并接電網(wǎng)［6］，使得分布式光伏發(fā)電［7-8］具有更大的發(fā)展空間。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列和光伏逆變器組成，其中逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和成本，因此，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展必將促進(jìn)中小功率單相光伏逆變器的快速發(fā)展。

根據(jù)變換級(jí)數(shù)逆變器可分為單級(jí)和多級(jí)變換器，其中多級(jí)變換器采用兩級(jí)或多級(jí)功率單元實(shí)現(xiàn)能量變換，其技術(shù)比較成熟，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率較低，成本和體積均較大，適合于集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)。而單相單級(jí)逆變器僅采用一級(jí)功率單元實(shí)現(xiàn)分布式電源的變換，具有電路簡(jiǎn)單、元器件少、輸入電壓范圍寬［9-10］、可靠性高、效率高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，更加適合于分布式發(fā)電系統(tǒng)的小型化低成本應(yīng)用［11-12］。分布式逆變器輸入的分布式直流電壓常常變化較大，故常采用升降壓型結(jié)構(gòu)，因此單相單級(jí)升降壓逆變器將成為分布式逆變器的研究熱點(diǎn)。

圍繞單相單級(jí)升降壓隔離型和非隔離型兩類逆變器，分析比較幾種典型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，研究影響逆變器EMI干擾，效率及成本的因素，指出升降壓逆變器的未來發(fā)展趨勢(shì)，為分布式逆變器的設(shè)計(jì)提供重要的指導(dǎo)原則。

1 單級(jí)升降壓逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

單相單級(jí)分布式升降壓逆變器常采用工頻或高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)的隔離，此為隔離型逆變器，它是光伏逆變器的主要形式，但具有體積重、效率低等缺點(diǎn)。為降低系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，近年來提出了很多非隔離型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［13-14］，逐漸成為研究熱點(diǎn)之一。

1.1 非隔離型單相單級(jí)升降壓逆變器

圖1（a）所示逆變器拓?fù)涫怯蒏asa提出的一種Buck-Boost（升降壓）電路的單級(jí)非隔離型逆變器［15］。該逆變器由4個(gè)開關(guān)管、2個(gè)升壓電感構(gòu)成的兩組Buck-Boost電路組成。兩個(gè)Buck-Boost電路交替工作。正負(fù)半周期各有兩個(gè)工作階段，一個(gè)電感充電，一個(gè)電感放電。負(fù)半周期工作情況類似，極性相反。從而使得逆變器在電網(wǎng)正負(fù)半周期內(nèi)工作對(duì)稱。由于每半個(gè)周期內(nèi)高頻工作的開關(guān)管只有兩個(gè)，從而具有開關(guān)損耗低、EMI弱等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于輸入電壓范圍，這里對(duì)最低輸入電壓有所要求。由于功率一般做不大，所以只能應(yīng)用在小容量的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中。比較適合用于住宅光伏發(fā)電系統(tǒng)。但是，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在著光伏模塊利用率低，以及由直流濾波電容造成的體積增大成本偏高等缺點(diǎn)。

為了提高效率，降低電磁干擾。圖1（b）提出了一種諧振式開關(guān)升降壓逆變器［16］。如圖1（b）所示。該逆變器也由4個(gè)開關(guān)管、2個(gè)二極管構(gòu)成。S3，S4零電流導(dǎo)通。且正負(fù)半周期只有一個(gè)開關(guān)管高頻工作。故開關(guān)損耗和EMI大大降低，效率可達(dá)到90%以上。但是該逆變器的最大缺點(diǎn)在于諧振控制過程較為復(fù)雜。

圖1（c）所示為一種電流源型升降壓逆變器［17］，該逆變器4個(gè)功率開關(guān)S1，S2，S3，S4和2個(gè)功率電感L1，L2構(gòu)成，在電網(wǎng)的正半周期僅有一個(gè)開關(guān)管高頻工作，另一個(gè)開關(guān)管為常通狀態(tài)，因此，控制起來比較容易，可直接采用SPWM方式［18］。且電網(wǎng)正負(fù)半周期工作狀態(tài)對(duì)稱。從而消除了直流并網(wǎng)電流，另外，該逆變器還具有開關(guān)損耗低，EMI干擾小的優(yōu)點(diǎn)。由于該拓?fù)溆袑ｉT電感和開關(guān)來處理功率，故適用的功率等級(jí)較大。

圖1 非隔離型單相單級(jí)升降壓逆變器Fig.1 Non-isolated single-phase single-stage buck-boost inverter

1.2 隔離型單相單級(jí)升降壓逆變器

圖2所示為兩種由3個(gè)開關(guān)管以及一個(gè)反激變換器組成的新型隔離型逆變器［19-20］，具有開關(guān)數(shù)目少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開關(guān)損耗以及EMI低的優(yōu)點(diǎn)［21］。該逆變器正負(fù)半周期的工作過程對(duì)稱，不產(chǎn)生直流偏置電流。在每半個(gè)周期，均分成兩個(gè)工作過程。一是原邊線圈的充電過程，二是副邊線圈的放電過程，工作過程中，直流側(cè)與交流側(cè)被隔離變壓器隔開。沒有對(duì)地漏電流產(chǎn)生。但是隔離變壓器的存在使得逆變器的體積增大、成本提高。

圖2（a）中的反激變換器［22-23］具有2個(gè)副邊繞組，正負(fù)半周的工作過程完全對(duì)稱，而三繞組的變壓器增大了系統(tǒng)成本，降低系統(tǒng)效率，使得效率低于90%，且由于初級(jí)繞組的電感量的限制使得逆變器適用于低于500 W的分布式光伏模塊。

圖2（b）為圖2（a）的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)［24］，隔離變壓器僅有一個(gè)副邊繞組，故正負(fù)半周工作不對(duì)稱，而將三繞組改進(jìn)為二繞組。降低了系統(tǒng)成本和體積，降低損耗還提高了系統(tǒng)效率，高于90%，功率可以達(dá)到1 kW。

圖2 隔離型單相單級(jí)升降壓逆變器Fig.2 Isolated single-phase single-stage buck-boost inverter

2 性能對(duì)比分析

表1 列出了圖1（a），（b），（c）及圖2（a），（b）5 種單相單級(jí)升降壓逆變器的性能比較表，表中從二極管數(shù)、開關(guān)數(shù)、最低輸入電壓、工作對(duì)稱性、EMI、功率等級(jí)和工作效率等方面進(jìn)行了比較。

1）從表中可以看出，三開關(guān)逆變器的總體效率大于四開關(guān)逆變器［25］。說明了開關(guān)數(shù)及其他元器件數(shù)對(duì)逆變器的效率、成本、體積影響較大，進(jìn)而影響系統(tǒng)、功率密度。

2）儲(chǔ)能電感功率將限制逆變器的功率等級(jí)，因此，減少儲(chǔ)能電感，優(yōu)化電感設(shè)計(jì)獎(jiǎng)大大提高系統(tǒng)功率。

3）圖1（a）中，每半周期有2個(gè)開關(guān)器件處在高頻狀態(tài)，而圖1（b），（c）僅有1個(gè)開關(guān)器件在高頻工作，故圖1（c）中的逆變器EMI和效率性能指標(biāo)相對(duì)圖1（a），（b）更優(yōu)。

4）圖1（c）中逆變器開關(guān)器件工作在諧振狀態(tài)下，減小了EMI干擾，減少了開關(guān)損耗。

5）圖2 中逆變器的功率等級(jí)低于1 kW，而圖1 中逆變器的功率等級(jí)可以達(dá)到幾個(gè)kW，原因在于圖2中隔離變壓器的原邊線圈以及存在的功率損耗限制了功率大小。故逆變器適用于小功率等級(jí)的光伏應(yīng)用場(chǎng)合。

干擾P2X7受體后，關(guān)節(jié)滑膜細(xì)胞MH7A的炎癥細(xì)胞因子L-1β和IL-6表達(dá)水平明顯下調(diào)（表2，圖4A、B），與此對(duì)應(yīng)的是，關(guān)節(jié)滑膜細(xì)胞MH7A培養(yǎng)上清中L-1β和IL-6含量也明顯下調(diào)（表2，圖4C、D）。

6）盡管非隔離型逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低，但是由于光伏陣列具有較好的輸出等級(jí)電壓，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)需具備較高的絕緣等級(jí)，否則容易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象［26］，因而有一些國(guó)家禁止隔離型逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。

表1 5種升降壓逆變器的性能比較Tab.1 Comparison of five different buck-boost inverters

3 討論

對(duì)于光伏逆變器的設(shè)計(jì)和開發(fā)，主要根據(jù)其是否并網(wǎng)運(yùn)行、元器件數(shù)目、系統(tǒng)效率、EMI干擾、功率等級(jí)以及輸出直流分量的抑制等方面進(jìn)行評(píng)估。這些性能指標(biāo)相互影響、相互制約。故選擇方案時(shí)應(yīng)該綜合考慮。從而得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

光伏逆變器有并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行兩種模式，他們對(duì)于功率流的方向，負(fù)載特性和系統(tǒng)接地具有不同的要求。對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行，功率僅從電源流向負(fù)載。而離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，則功率流方向?yàn)殡p向的，此時(shí)需要考慮反向電流的流通。通常采用反饋二極管及受控雙向逆變器，以使電流從負(fù)載流向直流側(cè)。圖1（a）和圖2（a）,（b）中逆變器無(wú)反饋能量通道。故只能并網(wǎng)運(yùn)行。而圖1（b），（c）采用了全橋逆變和反饋二極管結(jié)構(gòu)。故可運(yùn)行在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式下。

關(guān)于輸出直流分量的抑制。從理論上講，并網(wǎng)逆變器將交流電流注入到電網(wǎng)里。然而，由于逆變器工作不對(duì)稱，使得并網(wǎng)電流中含有直流分量。從而對(duì)電網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生不良影響，如引發(fā)互感器飽和、變電所接地網(wǎng)腐蝕等問題。通常在實(shí)際應(yīng)用中，需通過適時(shí)的檢測(cè)并網(wǎng)電流的直流分量。采用閉環(huán)控制算法，以補(bǔ)償逆變器的輸出脈寬，從而抵消并網(wǎng)電流中的直流分量。

在逆變器中產(chǎn)生EMI 干擾的主要原因在于開關(guān)管的高頻工作、以及感性元件工作過程中的電磁輻射。而且隨著開關(guān)頻率的越來越大，EMI干擾也越大。因而隔離型逆變器的高頻變壓器將增大系統(tǒng)的EMI干擾，高頻變壓器改進(jìn)的優(yōu)劣對(duì)于逆變器的性能影響較大。另外，為降低EMI干擾，盡量降低開關(guān)管的數(shù)目也是努力的方向，如圖1（b），（c），圖2（a），（b）均只有一個(gè)開關(guān)器件工作在高頻工作狀態(tài)下，從而大大降低了系統(tǒng)EMI。最后，軟開關(guān)技術(shù)也是降低EMI干擾的重要技術(shù)，如圖1（c）所示。

系統(tǒng)成本和效率一直是光伏逆變器的關(guān)注焦點(diǎn)。影響成本和效率的因素有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易程度，如開關(guān)器件以及儲(chǔ)能器件數(shù)，變壓器體積和重量。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、以及是否軟開關(guān)動(dòng)作。圖2中逆變器具有3個(gè)開關(guān)管，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，而圖1中逆變器具有4個(gè)開關(guān)器件。工作情況較為復(fù)雜。表1也反映了圖2所示逆變器的效率要高于圖1所示逆變器的效率。

由于光照角度、輻照度以及陰影的變化，光伏陣列的輸出電壓波形波動(dòng)很大，要求光伏逆變器能適應(yīng)寬輸入電壓范圍，從而從光伏陣列中提取最大能量。圖1（a），（b）直流側(cè)電壓不得低于42 V。圖2（b）的直流側(cè)輸入電壓不得低于50V；而圖2（a）的直流側(cè)輸入電壓很低，它們對(duì)直流輸入電壓的魯棒性好；具有高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能，成本、效率以及使用壽命。針對(duì)隔離型和非隔離型逆變器［24］，圍繞開關(guān)器件數(shù)目、是否并網(wǎng)運(yùn)行、直流分量抑制、EMI 干擾、工作對(duì)稱性、功率等級(jí)以及成本和效率方面進(jìn)行對(duì)比分析。提出了光伏逆變器中的發(fā)展趨勢(shì)以及設(shè)計(jì)考慮：

1）減少功率開關(guān)和儲(chǔ)能元件個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)效率。

2）優(yōu)化磁性元件設(shè)計(jì)，盡量采用帶有高頻變壓器的隔離型逆變器結(jié)構(gòu)，不僅降低了系統(tǒng)體積和重量，而且有利于效率的提高。

3）減少高頻工作的開關(guān)數(shù)，從而降低EMI干擾，提高系統(tǒng)效率。

4）控制光伏逆變器工作在對(duì)稱狀態(tài)，從而減少直流分量注入電網(wǎng)中，或采用對(duì)消法來補(bǔ)償產(chǎn)生的直流分量，從而降低或消除直流分量。

5）拓寬直流輸入電壓范圍，提高系統(tǒng)對(duì)直流輸入的魯棒性。保證在較低直流輸入電壓狀態(tài)下仍能向電網(wǎng)注入電流，提高系統(tǒng)的工作可靠性。

最后，光伏逆變器的使用壽命也是光伏應(yīng)用中必須考慮的，一般情況下，光伏陣列以及半導(dǎo)體的工作壽命較長(zhǎng)，可以達(dá)到10年左右，而作為儲(chǔ)能元件的電解電容器工作年限卻很低，低于3～5年，故電解電容器成為限制逆變器使用壽命的瓶頸，因此，研究無(wú)電解電容光伏逆變器將成為未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。

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