基于光伏提水灌溉系統(tǒng)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(tǒng)的兩級式逆變供電裝置；針對傳統(tǒng)boost-VSI電路升壓系數(shù)低、占空比極大的缺點，介紹了一種電流反饋開關(guān)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(wěn)定，功率轉(zhuǎn)化率高，大大提高了提水灌溉能力。經(jīng)仿真和樣機試驗證實該改進方案可靠穩(wěn)定。

關(guān)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)電網(wǎng)覆蓋率不高，這嚴重影響了農(nóng)業(yè)灌溉，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了沉重的負擔[1]。光伏提水灌溉系統(tǒng)作為新能源在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應用，成為優(yōu)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電氣機械化設(shè)備的新動力，成功減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電緊張地區(qū)提水灌溉困難的現(xiàn)狀[2-3]。本研究介紹了一種基于優(yōu)化設(shè)計的兩級式逆變供電裝置，適用于光伏提水灌溉系統(tǒng)。本研究中所述的電流反饋開關(guān)升壓電路結(jié)構(gòu)簡單，電子元器件數(shù)量少，相比傳統(tǒng)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(xù)輸入電流特性，使得它更加適合應用于新能源供電系統(tǒng)，以確保裝置的使用壽命[4-6]。太陽能電池板產(chǎn)生的低電壓經(jīng)過電流反饋開關(guān)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(wěn)定，系統(tǒng)電磁干擾（EMI）性低[7-9]，有效轉(zhuǎn)化太陽能用于提水灌溉設(shè)備供電，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[10]。

1傳統(tǒng)boost-VSI電路

傳統(tǒng)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(guān)管Gs控制開通關(guān)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(tǒng)升壓轉(zhuǎn)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(jīng)受嚴重的反向恢復，從而增加了導通損耗，并產(chǎn)生電磁干擾（EMI）[11-12]。這些問題在高開關(guān)頻率工作狀態(tài)下尤為明顯[13]。

傳統(tǒng)boost-VSI電路的后級DC-AC逆變環(huán)節(jié)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(guān)，因此在控制開關(guān)驅(qū)動中要加入死區(qū)，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(guān)升壓電路

基于上述傳統(tǒng)boost-VSI電路存在的問題，本研究提出一種電流反饋開關(guān)升壓電路，與后級逆變器相結(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)造成潛在威脅；因此，互補開關(guān)信號之間必須設(shè)置死區(qū)時間。而電流反饋開關(guān)升壓逆變電路中逆變器上下橋臂2個開關(guān)同時導通是可以的，是一個有效的狀態(tài)，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(huán)節(jié)同一橋臂上下開關(guān)同時導通的狀態(tài)，電容Co的初始電壓等于Vg，并且開關(guān)信號啟動之前電感電流最初值為零。當開關(guān)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(guān)S、Si關(guān)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?？紤]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(jīng)過升壓后直流電壓輸出穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(shè)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(wěn)定；再對裝置進行負載突變試驗，結(jié)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(wěn)，電流波形在0.04 s處經(jīng)過極短時間的小突變后迅速恢復穩(wěn)定，證明該裝置抗干擾能力強，運行穩(wěn)定。

6結(jié)語

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

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