一種單級(jí)隔離型Sepic逆變器

王立喬 祝百年 孫孝峰

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一種單級(jí)隔離型Sepic逆變器

王立喬 祝百年 孫孝峰

（燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004）

提出了一種新型單級(jí)隔離型Sepic逆變器。該逆變器只需三個(gè)有源開關(guān)和一個(gè)高頻變壓器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。該逆變器由直流Sepic變換器擴(kuò)展而來，因而具有升降壓能力，適于直流側(cè)電壓寬范圍波動(dòng)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。介紹了所提逆變器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，采用單周期控制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制；給出了該逆變器的磁集成設(shè)計(jì)方案；在理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該逆變器具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

單級(jí)隔離型Sepic逆變器 可再生能源發(fā)電系統(tǒng) 直流側(cè)電壓寬范圍變化 單周期控制 磁集成

0 引言

可再生能源發(fā)電技術(shù)是應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、遏制環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的核心技術(shù)之一。逆變器作為能量轉(zhuǎn)換裝置，在可再生能源發(fā)電技術(shù)中起著重要作用[1]。

可再生能源的功率輸出由于受環(huán)境因素的影響，具有很大的隨機(jī)性和不確定性。這就要求作為能量轉(zhuǎn)換接口的逆變器適應(yīng)輸入功率的大幅度變化，通常體現(xiàn)為直流輸入電壓的大范圍波動(dòng)。而不論是獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中的交流負(fù)載，還是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的交流母線，又都要求逆變器的輸出電壓保持恒定。歸結(jié)起來，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器應(yīng)該在輸入直流電壓大范圍波動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的交流輸出，即要求逆變器具有升降壓能力。

常規(guī)的電壓型和電流型橋式逆變器都不能滿足以上需要。針對(duì)該問題，有多級(jí)式結(jié)構(gòu)和單級(jí)式結(jié)構(gòu)兩種解決方案。相比而言，單級(jí)式結(jié)構(gòu)具有更簡(jiǎn)潔的形式和更高的效率。在具體實(shí)現(xiàn)上，單級(jí)式結(jié)構(gòu)又可分為非隔離型和隔離型兩種。非隔離型結(jié)構(gòu)，有的通過對(duì)常規(guī)逆變器進(jìn)行改造（典型的解決方案為Z源逆變器[2,3]），有的利用直流斬波器直接構(gòu)造（如雙Buck/Boost逆變器[4]和雙Cuk逆變器[5]），均可以實(shí)現(xiàn)升降壓功能。由于非隔離型結(jié)構(gòu)輸入、輸出之間無電氣隔離，因而容易出現(xiàn)直流偏置、共模漏電流等問題[6]。

隔離型結(jié)構(gòu)根據(jù)變壓器的工作頻率，又可以分為工頻隔離型和高頻隔離型。工頻隔離型方案采用工頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓匹配，同時(shí)還有效地抑制了直流偏置并切斷了共模寄生回路，是實(shí)際中應(yīng)用最多的方案。但工頻變壓器的引入，造成了該方案效率低、成本高。而高頻隔離型結(jié)構(gòu)由于采用效率高、體積小、成本低的高頻變壓器，是性價(jià)比較高的一種技術(shù)方案。

單級(jí)高頻隔離型逆變器的構(gòu)造方法總體上有兩種[7]。一種是DC-AC-AC結(jié)構(gòu)，先通過DC-AC變換為高頻交流，再通過AC-AC變換為低頻交流。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是開關(guān)器件數(shù)目多，調(diào)制策略復(fù)雜，且需要增加有源鉗位電路，或采用復(fù)雜的換流控制算法，以降低器件的開關(guān)應(yīng)力[8,9]。另外，該結(jié)構(gòu)的逆變器多由Buck型結(jié)構(gòu)（包括正激、全橋、半橋和推挽等）拓展而來，若需要升壓只能通過變壓器實(shí)現(xiàn)，升降壓范圍有限。另一種是DC-DC-AC結(jié)構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)中，又可分為兩種方法：①先通過隔離型DC-DC變換，將穩(wěn)恒直流變換為高頻脈動(dòng)直流，再經(jīng)橋式極性反轉(zhuǎn)電路變換為交流[10]，該結(jié)構(gòu)前后級(jí)的開關(guān)頻率不一致，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，開關(guān)數(shù)目也比較多；②將兩個(gè)隔離型DC-DC變換器組合在一起構(gòu)成組合型逆變器。

為了應(yīng)對(duì)輸入電壓大范圍波動(dòng)的情況，在構(gòu)造組合型逆變器時(shí)，可以選用有升降壓能力的隔離型DC-DC變換器，如隔離型Buck-Boost變換器（即反激變換器）、隔離型Cuk變換器和隔離型Sepic變換器。由于隔離型DC-DC變換器的輸入、輸出之間有電氣隔離，因而輸入側(cè)和輸出側(cè)的組合關(guān)系可以相互獨(dú)立，理論上有輸入并聯(lián)/輸出串聯(lián)、輸入串聯(lián)/輸出并聯(lián)、輸入并聯(lián)/輸出并聯(lián)以及輸入串聯(lián)/輸出串聯(lián)四種結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[11]采用輸入并聯(lián)/輸出串聯(lián)的方式，分別構(gòu)造了隔離型Buck-Boost逆變器、隔離型Cuk逆變器和隔離型Sepic逆變器。這些逆變器都含有四個(gè)開關(guān)器件和兩個(gè)高頻變壓器，后兩種逆變器含有四個(gè)電感，輸出為串聯(lián)方式，不利于并聯(lián)和并網(wǎng)。文獻(xiàn)[12]提出了并聯(lián)逆變器的構(gòu)造方法，按照該方法，同樣可以構(gòu)造出并聯(lián)型的隔離型DC-DC變換器，但與上述串聯(lián)型結(jié)構(gòu)類似，也都需要四個(gè)開關(guān)器件和兩個(gè)變壓器，采用Cuk和Sepic結(jié)構(gòu)時(shí)，也都需要四個(gè)電感，輸出并聯(lián)型逆變器的優(yōu)點(diǎn)是易于并聯(lián)和并網(wǎng)運(yùn)行。由此可見，上述已有的組合型單級(jí)隔離型逆變器雖然開關(guān)器件數(shù)目較少，但都需要兩個(gè)高頻變壓器，采用Cuk和Sepic結(jié)構(gòu)時(shí)還需要四個(gè)電感，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而且過多的磁性器件數(shù)目也不利于磁集成設(shè)計(jì)。在組合型逆變器中，只有并聯(lián)輸出的隔離型Buck-Boost逆變器[13,14]，即反激逆變器，需要一個(gè)高頻變壓器和三個(gè)開關(guān)器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，具有一定的實(shí)用性。但由于反激變換器的輸入電流是斷續(xù)的，電源利用率低，因而只能應(yīng)用于小容量場(chǎng)合。

本文利用隔離型Sepic變換器，按照組合型的思路，構(gòu)造了一種新型單級(jí)隔離型Sepic逆變器。該逆變器同樣只用一個(gè)變壓器和三個(gè)開關(guān)器件，但其輸入電流是連續(xù)的，電源利用率高，可以應(yīng)用于功率等級(jí)較高的場(chǎng)合。由于Sepic電路本身的升降壓功能，使得該逆變器具有較強(qiáng)的升降壓能力，適于輸入電壓變化范圍大的場(chǎng)合。此外，該逆變器的磁性器件數(shù)目相對(duì)較少，可通過磁集成的方式集成在一個(gè)磁心上，以減小體積，提高功率密度。本文首先介紹該逆變器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和閉環(huán)控制策略，然后對(duì)該逆變器進(jìn)行了磁集成設(shè)計(jì)，并給出了仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 單級(jí)隔離型Sepic逆變器工作原理

1.1 電路基本構(gòu)成

單級(jí)隔離型Sepic逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該逆變器由隔離型直流Sepic變換器擴(kuò)展而來。該逆變器為電流源型逆變器，變壓器一次側(cè)電路包含電感1、2和電容1，以電流的形式向輸出端傳送能量；兩個(gè)二次繞組反并聯(lián)，通過互補(bǔ)導(dǎo)通的方式，實(shí)現(xiàn)正弦波的正、負(fù)半波輸出。作為電流源型逆變器，為保證電流的單向性，二次繞組回路中均串聯(lián)了與主開關(guān)器件同向的二極管，也可直接采用逆阻型開關(guān)器件；為保證二次側(cè)兩開關(guān)器件的安全換流，應(yīng)加入疊流時(shí)間。由于為電流源型輸出，濾波器采用CL濾波。

圖1 單級(jí)隔離型Sepic逆變器

1.2 開關(guān)調(diào)制策略及工作模式

單級(jí)隔離型Sepic逆變器的開關(guān)調(diào)制策略如圖2所示。調(diào)制波為正弦信號(hào)的絕對(duì)值，與三角載波調(diào)制為PWM波，作為開關(guān)S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；開關(guān)S2和S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為互補(bǔ)的方波。在前半周期，開關(guān)S2工作，逆變器輸出正向電流；在后半周期，開關(guān)S3工作，逆變器輸出反向電流。

圖2 單級(jí)隔離型Sepic逆變器的開關(guān)調(diào)制策略

由圖2可以推出單級(jí)隔離型Sepic逆變器的四種工作狀態(tài)。

工作狀態(tài)Ⅰ：開關(guān)管S1和S2導(dǎo)通、S3關(guān)斷，如圖3a所示。電源經(jīng)過S1給1充電，1電流上升；同時(shí)1經(jīng)過S1給2充電，2電流上升；變壓器一次側(cè)電壓與2兩端電壓相同（方向?yàn)樯县?fù)下正），使二極管VD1處于反向截止?fàn)顟B(tài)，輸入端不向輸出端傳送能量，負(fù)載電流通過電容2續(xù)流。

（a）工作狀態(tài)Ⅰ

（b）工作狀態(tài)Ⅱ

（c）工作狀態(tài)Ⅲ

（d）工作狀態(tài)Ⅳ

工作狀態(tài)Ⅱ：開關(guān)管S1和S3關(guān)斷、S2導(dǎo)通，如圖3b所示。1與2同時(shí)放電，變壓器一次電壓改變方向（仍與2兩端電壓相同），使二極管VD1正向?qū)ǎ淮藭r(shí)電源和1向1充電，同時(shí)與2通過變壓器向負(fù)載提供能量。

工作狀態(tài)Ⅲ：開關(guān)管S1和S3導(dǎo)通、S2關(guān)斷，如圖3c所示。電源經(jīng)過S1給1充電，1的電流上升；同時(shí)1經(jīng)過S1給2充電，2電流上升；二極管VD2處于反向截止?fàn)顟B(tài)，輸入端不向輸出端傳送能量，負(fù)載電流通過2續(xù)流。

工作狀態(tài)Ⅳ：開關(guān)管S1和S2關(guān)斷、S3導(dǎo)通，如圖3d所示。1與2同時(shí)放電，二極管VD2正向?qū)?；此時(shí)電源和1向1充電，同時(shí)與2通過變壓器向負(fù)載提供能量。

工作狀態(tài)Ⅰ和工作狀態(tài)Ⅱ工作在輸出正弦波前半個(gè)周期；狀態(tài)Ⅲ和工作狀態(tài)Ⅳ工作在輸出正弦波的后半個(gè)周期。圖4列出了在輸出正弦波前半個(gè)周期，一個(gè)載波周期內(nèi)各主要器件的工作波形，分別對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)Ⅰ和工作狀態(tài)Ⅱ。在輸出正弦波后半個(gè)周期的相關(guān)工作波形與前半周期類似，限于篇幅，不再給出。

圖4 前半個(gè)周期各主要器件工作波形

1.3 升降壓能力

如果令開關(guān)S1按固定占空比工作，開關(guān)S2和S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)仍如圖2所示，則單級(jí)隔離型Sepic逆變器中2電壓波形v2為正、負(fù)對(duì)稱的交流方波。

該方波的幅值V與輸入直流電壓i的關(guān)系為

式中，為變壓器一次、二次繞組匝比。

假設(shè)2和3有合適的截止頻率，能夠?yàn)V除v2中的所有諧波分量且不影響基波成分，則逆變器輸出電壓o的幅值o就是v2的基波幅值。考慮到正、負(fù)對(duì)稱的交流方波幅值與其基波幅值的關(guān)系，結(jié)合式（1）可得固定占空比條件下，單級(jí)隔離型Sepic逆變器輸出電壓幅值o與輸入直流電壓i的關(guān) 系為

當(dāng)開關(guān)S1的占空比按圖2所示信號(hào)給出時(shí)，式（2）仍然成立，但不能用瞬時(shí)占空比進(jìn)行計(jì)算，而應(yīng)該用有效占空比進(jìn)行計(jì)算。由文獻(xiàn)[15]可得

式中，為幅度調(diào)制比，0≤≤1。

用式（3）中的代替式（2）中的，可得單級(jí)隔離型Sepic逆變器輸出電壓幅值o與輸入直流電壓i的關(guān)系為

當(dāng)=1時(shí)，令式（4）等于1，可得=0.8。當(dāng)＞0.8時(shí)，有o＜i，此時(shí)逆變器降壓工作；當(dāng)＜0.8時(shí)，有o＞i，此時(shí)逆變器升壓工作。

在工程實(shí)際中，可優(yōu)化選擇匝比和調(diào)制比，找到最合適的配合方案，以達(dá)到系統(tǒng)要求。

1.4 技術(shù)分析

單級(jí)隔離型Sepic逆變器由直流Sepic變換器通過組合變換得到，具有以下特點(diǎn)：

（1）該逆變器僅用一個(gè)高頻變壓器和三個(gè)有源開關(guān)即實(shí)現(xiàn)了單級(jí)逆變，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰。

（2）Sepic變換器本身的升降壓特性，再配合高頻變壓器的電壓比，使得該逆變器可以應(yīng)用于直流輸入電壓寬范圍變化的應(yīng)用場(chǎng)合。

（3）該逆變器只需單電源輸入，且輸入電流連續(xù)，因此電源利用率高，適用于功率較大的場(chǎng)合。

（4）該逆變器為電流源型逆變器，變壓器二次側(cè)開關(guān)器件的單向性防止了電流的倒灌，在多逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)沒有環(huán)流，有利于大容量擴(kuò)展應(yīng)用。

2 單級(jí)隔離型Sepic逆變器的閉環(huán)控制

利用狀態(tài)空間平均法，可以推出單級(jí)隔離型Sepic逆變器的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型[16,17]。該模型在復(fù)平面的右半平面上有零點(diǎn)，屬于非最小相系統(tǒng)，常規(guī)的線性調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法很難兼顧穩(wěn)定性、快速性和抗擾性。為此本文采用非線性控制策略——單周期控制。單周期控制是由S. M. Keyue提出的一種非線性PWM控制技術(shù)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，就可以有效抑制擾動(dòng)，保證受控量的平均值等于或正比于給定值[18]，其基本原理如圖5所示。

圖5 單周期控制原理

單周期控制中受控量的平均值應(yīng)等于或正比于給定值。而對(duì)于閉環(huán)控制而言，一般要滿足跟蹤性要求，即系統(tǒng)輸出跟隨給定值。由此可知，系統(tǒng)輸出應(yīng)該也與受控量的平均值相等或成正比。對(duì)于如圖6所示的直流Sepic變換器而言，滿足

式中，VD為二極管VD兩端電壓。因此對(duì)于Sepic變換器來說，采用單周期控制時(shí)應(yīng)取二極管兩端電壓作為受控量。

圖6 直流Sepic變換器

考慮到S2和S3的互補(bǔ)工作方式，采用兩個(gè)單周期控制器分別對(duì)輸出電壓的正、負(fù)半周進(jìn)行控制。ref1和ref2分別為兩個(gè)單周期控制單元的給定信號(hào)，S2和S3分別為S2和S3的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，上述四個(gè)給定信號(hào)波形如圖7所示。

圖7 給定信號(hào)波形

單級(jí)隔離型Sepic逆變器的單周期控制框圖如圖8所示。圖8中所示單周期控制器的原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。在輸出電壓的正半周期，取二極管VD1兩端電壓VD1作為受控量，參考量為ref1，經(jīng)單周期控制器1生成控制信號(hào)。在輸出電壓的負(fù)半周期，取二極管VD2兩端電壓VD2作為受控量，參考量為ref2，經(jīng)單周期控制器2生成控制信號(hào)。兩個(gè)單周期控制器的輸出信號(hào)與S2和S3經(jīng)邏輯組合得到開關(guān)S1的驅(qū)動(dòng)波形。

圖8 單級(jí)隔離型Sepic逆變器的單周期控制框圖

在電路啟動(dòng)時(shí)，控制量輸出的初始驅(qū)動(dòng)為高電平，主電路工作伊始開關(guān)管S1便導(dǎo)通，無法給中間電容1充電，變壓器一次電壓不能建立，為此需要給1預(yù)充電?？紤]到Sepic變換器中間儲(chǔ)能電容的電壓穩(wěn)態(tài)值就是電源電壓，因此通過合理安排系統(tǒng)上電時(shí)序就可解決該問題。首先給主電路上電，使輸入端電源通過1、1、2回路為中間電容充電，此時(shí)所有開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，因此電流不會(huì)經(jīng)過變壓器流向輸出端。直到1充電完成之后，再為控制電路上電，系統(tǒng)即可正常工作。

另外，也可將兩個(gè)單周期控制器整合在一起，用一個(gè)單周期控制器實(shí)現(xiàn)以上控制，限于篇幅，本文不多贅述。

3 單級(jí)隔離型Sepic逆變器的磁集成

本文提出的單級(jí)隔離型Sepic逆變器含有三個(gè)電感和一個(gè)變壓器，磁性器件數(shù)目較多，通過磁集成設(shè)計(jì)可以達(dá)到減小體積、提高效率和功率密度的目的。在磁集成設(shè)計(jì)中，有耦合集成和解耦集成兩種方式[19,20]。具體到本文提出的單級(jí)隔離型Sepic逆變器，可先將變壓器一次側(cè)兩電感1和2進(jìn)行耦合集成作為耦合電感，再將耦合電感與變壓器進(jìn)行解耦集成，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 單級(jí)隔離型Sepic逆變器的磁集成結(jié)構(gòu)

本文所用的磁心為EE形，變壓器的一次、二次繞組全部繞制在磁心的中柱上。電感1由兩個(gè)匝數(shù)相同的繞組和串聯(lián)構(gòu)成，電感2由兩個(gè)匝數(shù)相同的繞組和串聯(lián)構(gòu)成。和均繞在左邊柱上，和均繞在右邊柱上。左邊柱上兩電感的各半個(gè)繞組相互耦合，右邊柱上兩電感的各半個(gè)繞組也相互耦合，每個(gè)電感的左右繞組串聯(lián)后，依然能夠滿足1和2耦合連接；同時(shí)每個(gè)電感的兩個(gè)繞組在中柱產(chǎn)生的磁通大小相等、方向相反，即磁通相互抵消，實(shí)現(xiàn)了耦合電感與變壓器的解耦集成。根據(jù)文獻(xiàn)[21]可知，當(dāng)耦合電感的匝比和耦合系數(shù)滿足=時(shí)，可消除1的電流紋波；=1/時(shí)，可消除2的電流紋波。本文取=1/。

磁集成后單級(jí)隔離型Sepic逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。手工制作的集成磁件如圖11所示。

圖10 磁集成單級(jí)隔離型Sepic逆變器

圖11 手工制作的集成磁件

4 仿真和實(shí)驗(yàn)

在理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.1 仿真

圖12為輸入直流電壓在0.045s由400V突變?yōu)?50V時(shí)的輸出電壓波形，可見在單周期控制下，單級(jí)隔離型Sepic逆變器具有良好的抵抗直流電壓擾動(dòng)的能力。

圖12 輸入電壓突變時(shí)，輸出電壓仿真波形

圖13為負(fù)載在0.045s由滿載切換為半載時(shí)的仿真波形，由圖可見在單周期控制下單級(jí)隔離型Sepic逆變器對(duì)負(fù)載擾動(dòng)也有較好的抵抗能力。

圖13 負(fù)載切換時(shí)，輸出電壓仿真波形

4.2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證有關(guān)升降壓性能的分析，首先進(jìn)行了開環(huán)實(shí)驗(yàn)。圖14為輸入電壓為100V、調(diào)制比=0.8時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)輸出電壓幅值為98V，與理論分析一致。

圖14 開環(huán)輸出電壓波形

表2列出了輸入電壓為100V、調(diào)制比在0.5～0.9區(qū)間變化時(shí)，輸出電壓的計(jì)算值、實(shí)際值及誤差率，驗(yàn)證了式（4）的準(zhǔn)確性。

表2 輸出電壓的計(jì)算值與實(shí)際值

圖15為輸入直流電壓突變（在80ms時(shí)由400V突變?yōu)?50V）時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，可見突變發(fā)生后不到2ms，輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定，驗(yàn)證了理論分析和仿真結(jié)果的正確性。

圖15 輸入電壓突變時(shí)，輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形

對(duì)輸出電壓進(jìn)行諧波分析，得到其頻譜如圖16所示，其諧波總畸變率THD=3.27%，諧波品質(zhì)優(yōu)良。

圖16 輸出電壓頻譜

圖17為負(fù)載切換時(shí)的輸出波形，由于切換時(shí)刻接近過零點(diǎn)，因此動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于圖13的仿真結(jié)果。圖18a、圖18b分別為采用分立磁件、集成磁件時(shí)電感2的實(shí)驗(yàn)電流。可見，磁集成后電感2的電流紋波得到了明顯的抑制。

圖17 負(fù)載切換時(shí)，輸出電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形

（a）分立磁件

（b）集成磁件

5 結(jié)論

本文提出了一種單級(jí)隔離型Sepic逆變器。該逆變器由隔離型Sepic變換器拓展而來，只采用三個(gè)有源開關(guān)和一個(gè)高頻變壓器，就實(shí)現(xiàn)了具有升降壓功能的隔離型逆變換。本文對(duì)該逆變器中的磁性元件進(jìn)行了磁集成。該逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、適用于寬輸入電壓范圍等優(yōu)點(diǎn)，在光伏及其他可再生能源發(fā)電技術(shù)中有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立喬, 孫孝峰. 分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[2] 周玉斐, 黃文新, 趙健伍, 等. 開關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源逆變器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(6): 31-39.

Zhou Yufei, Huang Wenxin, Zhao Jianwu, et al. Switched coupled inductor quasi-Z-source inver- ters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 31-39.

[3] 黃瑞哲, 陳道煉, 許志龍, 等. 新穎的單相電壓型準(zhǔn)Z源逆變器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(16): 33-41.

Huang Ruizhe, Chen Daolian, Xu Zhilong, et al. A novel single phase voltage mode quasi-Z-source inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(16): 33-41.

[4] Jain S, Agarwal V. A single-stage grid connected inverter topology for solar PV systems with maximum power point tracking[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2007, 22(5): 1928- 1940.

[5] 王立喬, 王欣, 仇雷. 一種新型單級(jí)非隔離雙Cuk逆變器[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(6): 846- 854.

Wang Liqiao, Wang Xin, Qiu Lei. A novel single- stage non-isolated dual Cuk inverter[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(6): 846-854.

[6] Schimpf F, Norum L E. Grid connected converters for photovoltaic, state of the art, ideas for improvement of transformerless inverters[C]//Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, Norpie, 2008: 1-5.

[7] 孫孝峰, 顧和榮, 王立喬, 等. 高頻開關(guān)型逆變器及其并網(wǎng)并聯(lián)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[8] Matsui M, Nagai M, Mochizuki M, et al. High frequency link DC/AC converter with suppressed voltage clamp circuit-naturally commutated phase angle control with self turn-off devices[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1996, 32(2): 759-766.

[9] Yan Zhaoyang, Zhang Chunjiang, Wu Weiyang, et al. An integration SPWM strategy for high-frequency link matrix converter with adaptive commutation in one step based on De-Re-coupling idea[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(1): 116-128.

[10] 王楠, 易映萍, 張超, 等. 微逆變器過零點(diǎn)電流畸變抑制的混合控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(20): 59-63.

Wang Nan, Yi Yingping, Zhang Chao, et al. Hybrid control strategy for suppressing zero-crossing current distortion of micro-inverter[J]. Power System Pro- tection and Control, 2014, 42(20): 59-63.

[11] 蔡曉東, 龔春英, 嚴(yán)仰光, 等. 基于雙向DC/DC變換器的單級(jí)逆變拓?fù)溲芯縖J]. 電力電子技術(shù), 2007, 41(1): 87-89.

Cai Xiaodong, Gong Chunying, Yan Yangguang, et al. Research on single-stage inverter topology based on bi-directional DC/DC converter[J]. Power Elec- tronics, 2007, 41(1): 87-89.

[12] 洪峰. 雙降壓式半橋逆變器及輸出并聯(lián)型組合變換器研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2008.

[13] Kasa N, Iida T. Flyback type inverter for small scale photovoltaic power system[C]//IEEE 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society, Sevilla Spain, 2002, 2: 1089-1094.

[14] Gong Chunying, Sun Lin, Liang Yongchun, et al. Research on control strategies of single-stage flyback inverter[J]. 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2006, 4(2): 3206-3210.

[15] 李金龍. 電流型SEPIC多電平變流器[D]. 秦皇島: 燕山大學(xué), 2014.

[16] 徐德鴻. 電力電子系統(tǒng)建模及控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[17] 張衛(wèi)平. 開關(guān)變換器的建模與控制[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2005.

[18] Smedley K M. One-cycle control of switching converters[J]. IEEE Transactions on Power Elec- tronics, 1995, 10(6): 625-633.

[19] 劉志軍, 虞曉陽, 金科, 等.一種新穎的磁集成自驅(qū)動(dòng)倍流整流半橋三電平直流變換器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(3): 131-139.

Liu Zhijun, Yu Xiaoyang, Jin Ke, et al. A novel self- driven current-doubler-rectifier three-level converter with an integrated magnetic structure[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(3): 131-139.

[20] 陳乾宏, 阮新波, 嚴(yán)仰光. 開關(guān)電源中磁集成技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2004, 19(3): 1-8.

Chen Qianhong, Ruan Xinbo, Yan Yangguang. The application of the magnetic-integration techniques in switching power supply[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2004, 19(3): 1-8.

[21] 林渭勛電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1990.

A Single-Stage Isolated Sepic Inverter

（Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province Yanshan University Qinhuangdao 066004 China）

A novel single-stage isolated Sepic inverter is proposed. The proposed inverter only needs three power devices and a high frequency transformer. Its structure is simple and easy to implement. As derived from Sepic DC converter, the proposed inverter is of the ability to buck/boost input voltage and is much suitable for renewable resource generation system with DC link voltage of wide range fluctuation. The circuit structure and operation principle are introduced. One cycle control is applied to realize the closed-loop control. The magnetic integration design scheme of the proposed inverter is presented. Simulation and experiments are performed. The results indicate that the proposed inverter is of excellent dynamic and stable performance.

Single-stage isolated Sepic inverter, renewable resource generation system, wide range fluctuation of DC voltage, single cycle control, magnetic integration

TM464

王立喬 男，1974年生，博士，教授，研究方向?yàn)楦哳l功率變換、大功率變流及其調(diào)制、可再生能源發(fā)電及微電網(wǎng)控制。

E-mail: brent@ysu.edu.cn（通信作者）

祝百年 男，1986年生，碩士，研究方向?yàn)槟孀冸娫础?/p>

E-mail: zbn228@yahoo.com.cn

2014-08-27 改稿日期 2015-08-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（50837003）和河北省自然科學(xué)基金（E2012203085）資助項(xiàng)目。