高申昊，陳超波

（西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710016）

單級(jí)雙電感buck-boost逆變器的研究

高申昊，陳超波

（西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710016）

提出一種雙電感結(jié)構(gòu)嵌入至一種單級(jí)buck-boost逆變器而組合成的一種單級(jí)雙電感buckboost逆變器（SDIBI）。該逆變器同時(shí)具有升壓與降壓能力，在仿真實(shí)驗(yàn)中，與傳統(tǒng)光伏逆變器逆變器相比，SDIBI具有更強(qiáng)的升壓能力，而隨著占空比增加其升壓能力會(huì)越來(lái)越明顯。該結(jié)構(gòu)可使輸出的交流電壓在一個(gè)功率級(jí)內(nèi)高于或低于直流輸入電壓，并使輸入電壓范圍更寬。由于該結(jié)構(gòu)的良好對(duì)稱性也使其更易于控制。解決了傳統(tǒng)光伏逆變器輸入電壓范圍窄，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，升壓能力不足等問(wèn)題。

光伏；逆變器；buck-boost；升壓能力

隨著能源的日益緊缺，具有實(shí)用的經(jīng)濟(jì)性和清潔性的太陽(yáng)能光伏發(fā)電成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的重點(diǎn)[1]。為既能滿足高效率，又能滿足高增益，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于研究高增益變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2-5]。半橋/全橋并網(wǎng)逆變器輸入側(cè)的需求輸入電壓一般都在380 V以上，造成了升壓變換器的輸入和輸出電壓之間相差了幾十倍[6-9]，傳統(tǒng)的Boost變換器存在升壓能力不足的問(wèn)題。那么，如何讓電壓達(dá)到高增益、高效率的變換，已經(jīng)成為太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[10-12]。

多級(jí)逆變器技術(shù)比較成熟，但其更加適用于集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)并且具有成本高、體積大、效率較低和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，而單級(jí)逆變器具有輸入電壓范圍寬，電路簡(jiǎn)單，元器件少[2-3]、低功耗、效率高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[4]，并且采用一級(jí)功率單元實(shí)現(xiàn)電源的變換。文獻(xiàn)[5]中提出了一種新型非隔離式的buckboost光伏逆變器，適用于AC模塊，其結(jié)構(gòu)緊湊，并且其工作在斷續(xù)工作模式，即電感電流不連續(xù)的方式，則可使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)的零電流關(guān)斷和全部開(kāi)關(guān)的零電流開(kāi)通，大大提高了系統(tǒng)效率、降低了開(kāi)關(guān)損耗。文獻(xiàn)[10]中提出了一種新型非隔離式的高增益的DC/DC變換器，不僅拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且降低了各元器件的電壓電流應(yīng)力；文獻(xiàn)[11]中詳細(xì)介紹了級(jí)聯(lián)型、耦合電感和具有開(kāi)關(guān)電容的變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并指出了變換器中極待解決的問(wèn)題；文獻(xiàn)[12]中采用DC/DC升壓技術(shù)和能量管理方法實(shí)現(xiàn)了低壓輸入高壓輸出，并且減少輸出電流提高了整體效率。

文中針對(duì)傳統(tǒng)雙級(jí)boost逆變器的升壓能力不足和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，提出了單級(jí)雙電感buckboost逆變器。詳細(xì)的分析了SDIBI的工作原理，討論了其在連續(xù)導(dǎo)通模式下各元器件的選擇。接著利用Matlab/Simulink軟件對(duì)單級(jí)雙電感buck-boost光伏逆變器進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證該逆變器的正確性和可行性；最后對(duì)該變換器的優(yōu)越特性進(jìn)行概括和總結(jié)，并提出進(jìn)一步的改善措施。

1 單級(jí)雙電感buck-boost逆變器工作原理

傳統(tǒng)的雙級(jí)boost逆變器，如圖1所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要5個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，5個(gè)反向二極管。每個(gè)功率二極管對(duì)應(yīng)一個(gè)反向二極管并聯(lián)相接。

圖1 傳統(tǒng)的雙級(jí)Boost逆變器

圖2給出了基于雙Buck-Boost電路提出的一種新型單級(jí)Buck-Boost逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 新型單級(jí)Buck-Boost光伏逆變器

文中基于單級(jí)buck-boost光伏逆變器提出了一種新型的單級(jí)雙電感buck-boost逆變器（SDIBI）。圖3給出了這種新型單級(jí)雙電感buck-boost逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它由4個(gè)功率開(kāi)關(guān)，6個(gè)功率二極管，一個(gè)電容和4個(gè)電感組成，其中4個(gè)電感要求電感值相等，從而保證了電感在并聯(lián)充電和串聯(lián)放電過(guò)程中的電壓值大小是相等的L1=L2=L（1），雙電感給負(fù)載供電的模塊為SDIBI的主要部分。

圖3 單級(jí)雙電感buck-boost光伏逆變器

其工作狀態(tài)共分為4個(gè)階段，左橋臂充電階段如圖 4（a）， 左橋臂放電階段如圖 4（b），右橋臂充電階段如圖 4（c）， 右橋臂放電階段如圖 4（d）。

1.1 基本工作原理及工作狀態(tài)

文中所提出的單級(jí)雙電感buck-boost逆變器工作在左右橋臂的工作原理基本相同，故只介紹其在左橋臂時(shí)的工作原理，功率開(kāi)關(guān)SW1與SW3的作用為控制逆變輸出電壓頻率，在左橋臂放電階段時(shí)，開(kāi)關(guān)器件SW1導(dǎo)通，二極管D1和D3導(dǎo)通，由于電壓差二極管D2被迫截止。此時(shí)左橋臂的等效電路如圖4（a）所示。此時(shí)，電感L1和L2并聯(lián)充電，其電壓值大小分別為:

當(dāng)功率開(kāi)關(guān)SW1關(guān)斷，二極管D1、D3被迫截止，二極管D2導(dǎo)通。電感L1、L2此時(shí)串聯(lián)放電，其等效電路如圖4（b）所示。其電壓值大小分為：

假設(shè)開(kāi)關(guān)器件SW1的開(kāi)關(guān)周期為T，導(dǎo)通時(shí)間是T1，關(guān)斷時(shí)間為 T2，且 T1+T2=T，則直通占空比D=根據(jù)電感L1和L2的電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間內(nèi)的平均值為 0[13]，結(jié)合方程式（1）~（4）可以得到：

整理求解可得：

圖4 單級(jí)雙電感buck-boost逆變器工作原理圖

1.2 電壓增益

G為單級(jí)開(kāi)關(guān)電感Boost逆變器的電壓增益，則其表達(dá)式為：

由方程式（7）可以知道變換器的電壓增益G會(huì)隨著直通占空比D的增加而增加，從而實(shí)現(xiàn)變換器的升壓功能。傳統(tǒng)boost變換器的電壓增益表達(dá)式為可知單級(jí)雙電感boost逆變器比傳統(tǒng)雙級(jí)boost逆變器具有更強(qiáng)的升壓能力。如圖5給出了相應(yīng)的關(guān)系曲線圖。

圖5 單級(jí)雙電感buck-boost逆變器與傳統(tǒng)雙級(jí)Boost逆變器增益比大小比較

由圖5可知，單級(jí)開(kāi)關(guān)電感Boost逆變器相比較傳統(tǒng)雙級(jí)Boost逆變器而言具有更高的升壓能力，原因在于分子由1變成了2D，顯然單級(jí)開(kāi)關(guān)電感Boost逆變器具有降壓的能力，但是當(dāng)D≥0.5時(shí)候其升壓能力會(huì)逐漸超過(guò)傳統(tǒng)雙級(jí)Boost逆變器，而且趨勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。并且隨著直通占空比D的增加，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)更加的明顯。

2 連續(xù)工作模式（CCM）

為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，要求電路工作在連續(xù)工作模式，導(dǎo)致其工作在連續(xù)工作模式（CCM）或斷續(xù)工作模式的關(guān)鍵在于電感的取值[14-15]。如圖6所示，給出了連續(xù)工作模式（CCM）下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期下的電感電流波形。

圖6 電感電流波形

由圖6可以得到電感L1和L2的電流紋波為：

那么，輸入電流紋波大小分別為：

為了使電路工作在連續(xù)工作模式要求流過(guò)電感的電流紋波ΔiL>IL，即當(dāng)輸入電感的平均電流小于電感的電流紋波時(shí)，變換器就會(huì)進(jìn)入連續(xù)工作狀態(tài)。由圖6得到的電感L1和L2的電流紋波:

其中L為電感值，Vin為輸入電壓，D為直通占空比，通過(guò)公式:

利用功率守恒原理，公式（11）可以分別得到輸入電流大小和電感電流大小的表達(dá)式:

由圖 4（a）可知:

則

那么由公式（11）和公式（15）可將 ΔiL>iL變換為:

當(dāng)K>Kcrit，單級(jí)boost逆變器工作的兩個(gè)橋臂都工作在連續(xù)工作模式。由此，當(dāng)在負(fù)載R值確定，占空比確定的情況下就可確定電感值L的取值范圍。

3 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)定輸入輸出參數(shù)即可求出電感參數(shù)及電容參數(shù)。輸入直流電壓Vin=10 V，輸出交流電壓Vo=20 V，占空比 D=0.5，功率開(kāi)關(guān) SW1、SW2 頻率 f（sw1）=f（sw2）=50 Hz，功率開(kāi)關(guān) SW3、SW4 頻率 f（sw3）=f（sw4）=40kHz，負(fù)載電阻R=10 Ω。下面通過(guò)給定的參數(shù)計(jì)算出電感及電容參數(shù)。

3.1 電感參數(shù)的確定

當(dāng)光伏逆變器在斷續(xù)工作模式（DCM）與連續(xù)工作模式（CCM）之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)，電路的輸出特性會(huì)隨之發(fā)生很大的變化，因此保持工作模式不變是光伏發(fā)電的一個(gè)關(guān)鍵所在，而電感決定著逆變器的工作狀態(tài)[16]。為了保證所提逆變器持續(xù)工作在連續(xù)導(dǎo)電模式不變就要對(duì)電感的參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密認(rèn)真的設(shè)計(jì)。

由此可知電感所滿足的條件為：

根據(jù)公式 （16）可計(jì)算出連續(xù)工作模式下電感L<3.1×10-4。

3.2 電容參數(shù)的確定

電感 L1、L2、D1與電容 C構(gòu)成了一個(gè)諧振回路。這個(gè)過(guò)程里L(fēng)1、L2存儲(chǔ)的電能向電容C轉(zhuǎn)移，其等效電路圖如圖7所示。

圖7 諧振階段等效電路

4 單級(jí)雙電感buck-boost電路仿真

為了體現(xiàn)單級(jí)雙電感boost逆變器具有的良好性能，利用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)該變換器進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析[17]。設(shè)定仿真參數(shù)Vin=10 V，電感L1=L2=L3=L4=2×10-4H，輸出儲(chǔ)能電容 C=0.01 μF，功率開(kāi)關(guān)管 SW1、SW2 頻率 f（sw1）=f（sw2）=50 Hz，使輸出電壓為頻率50 Hz的交流輸出。功率開(kāi)關(guān)管SW3、SW4 頻率 f（sw3）=f（sw4）=40 kHz。圖 8 為單級(jí)雙電感buck-boost電路仿真模型。

圖9給出了輸出電容電壓和電感L1電流波形，由圖可以看出：電容的放電階段對(duì)應(yīng)著電感的充電階段，電容放電結(jié)束對(duì)應(yīng)著電感的充電結(jié)束。電容的大部分充電時(shí)間對(duì)應(yīng)著電感的放電階段。電容在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完成了一次充放電過(guò)程。

如圖10所示，當(dāng)D=0.8時(shí)，SDIBI的升壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)boost逆變器，并且隨著占空比的增加，其高升壓優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。另外，利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真存在著一定的誤差，都在允許的范圍內(nèi)。

5 結(jié) 論

SDIBI具有比傳統(tǒng)雙級(jí)boost逆變器更高的升壓能力，并且這種優(yōu)勢(shì)隨著占空比的增加會(huì)越來(lái)越明顯；與傳統(tǒng)boost變換器相似的是影響變換器工作效率的主要因素是開(kāi)關(guān)器件和靠近負(fù)載的二極管的導(dǎo)通損耗，可以通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等控制策略來(lái)控制降低導(dǎo)通損耗，提高工作效率；SDIBI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊并且具有良好的對(duì)稱性，控制方法更為簡(jiǎn)單。

圖8 單級(jí)雙電感buck-boost電路仿真模型

圖9 電容電壓和電感電流波形圖

圖10 輸出電壓仿真圖

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Research on single-stage double inductor buck-boost inverter

GAO Shen-hao，CHEN Chao-bo
（Xi’an Technological University，Xi’an 710016， China）

Propse a double inductors structure，which is enbedded into a single-stage buck-boost inverter，merge a new type single-stage double inductors （SDIBI） buck-boost inverter.The SDIBI has the ability to boost and buck voltage.In the simulation experiment，compared with the traditional pv inverter ，SDIBI has stronger boost ability，with the duty cycle increase the capacity of boost will become more and more obvious.The structure enables the range of input voltage become wider，and the output amplitude can be higher or lower than the input DC voltage at a power level by controling the duty cycle.The structure is simple and compact and has good symmetry，which makes it easier to control.SDIBI solved the problem of the narrow input voltage range，complex structure and the insufficient boost ability of traditional PV inverter.

PV； inverter； buck-boost； boost ability

TN7

A

1674－6236（2017）12-0109-06

2016-09-08稿件編號(hào)：201609084

陜西省國(guó)際科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目（2016KW-062）；西安市未央?yún)^(qū)科技計(jì)劃（201610）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2014JM2-6093）

高申昊（1992—），男，河北邯鄲人，碩士。研究方向：控制理論與控制工程。