一种单级高增益电流型光伏并网逆变器

茆美琴，郑亚军

（合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，合肥230009）

一种单级高增益电流型光伏并网逆变器

茆美琴，郑亚军

（合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，合肥230009）

光伏电池的输出电压范围很大程度上受到诸如温度、太阳辐射等环境因素的影响。由于在并网时光伏阵列较低的输出电压很难满足系统对电压的要求，因此，光伏并网逆变器需要具备较好的升压逆变能力。在传统三态电流型逆变器的基础上，提出了一种新型单级电流型升压逆变器。该逆变器采用了含有2个分别对称的电感和二极管的无源网络，在直流输入电压较低时仍能够实现中间母线电压幅值的较大提升，输出稳定的交流电压。分析了对该逆变器高增益的工作方式，并给出了调制策略的具体方案。通过理论分析和MATLAB仿真验证了该新型逆变器拓扑具有良好的性能。

单级；电流型逆变器；高增益；光伏

近年来，由于能源危机和环境问题全球化日益严峻，太阳能作为可再生绿色能源，是各国着力发展的新能源之一，光伏并网发电更具有广阔的发展前景，被研究和发展。在光伏并网发电系统中，逆变器是能量转换和控制方面的核心。其性能不仅影响和决定整个光伏并网系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行，也影响整个系统的使用寿命。基于安全性考量，光伏阵列输出电压一般较低，不能满足并网要求，且其最大功率运行点电压会随太阳辐射强度及温度的变化而变化。因此，为了确保并网发电以及并网的电能质量，要求并网逆变器具有较宽的直流输入电压范围，即较高的升压逆变能力。

为了解决上述问题，一般有2种常见方式来提高逆变器电压输出增益：一种是在逆变器后面加入一个工频升压变压器，另一种是采用多级式级联逆变器的结构[2]。前者由于工频变压器的存在，会增加系统的体积重量和成本，使系统的功率密度大为降低，效率较为低下，同时造成噪声污染；而后者中由于DC/DC升压部分电路的占空比有限，升压能力会受到限制，而该种结构尽管效率较高，但其拓扑电路较复杂，功率器件多，成本较高。近年来，单级升压逆变器因其所具备的高效性、可靠性以及低成本特性而成为了研究的热点[1]。Z源逆变器[6]和准Z源逆变器[7]虽然显现了独特的单级升降压特性，也具备较宽的电压输入范围，但是升压范围终究有限。另外，过大的直通占空比更会降低调制度和输出电压幅值。文献[3,10,15]对一种三态电流型逆变器CSI（current source inverter）进行了研究和分析。在传统CSI基础上，三态CSI通过增加了一个额外的开关管 ，消除了传统CSI控制的输出传递函数右半平面零点，并且有效地提高了动态响应，逆变器的稳态电压增益也略有提升。

为了确保逆变器拥有更高升压能力的同时具备较好的动态响应，可以将传统三态CSI的直流侧电感替换为一种简单的无源电感网络。本文提出了一种新型单级高增益三态CSI拓扑，对所提出新型逆变器拓扑的工作原理和高稳态电压增益特性进行了分析，并且给出了调制方式和仿真结果。

1 逆变器拓扑和工作原理

高增益三态三相CSI是在传统CSI拓扑的基础上，通过引入一个反向并有单开关管SW0的无源电感网络来替代原位于直流侧的储能电感，如图1所示。该无源网络包含2个在数值上完全相同的电感 L1、L2以及 3 个二极管 D7、D8、D9。

图2所示为逆变器工作状态简化电路，图中的三相交流侧是经过delta等效变换的负载和2阶LC滤波器。高增益三态CSI将工作于3种状态：直通状态、有源状态和续流状态，这与传统三态CSI相类似。文献[3]详细分析了三态CSI的3种工作状态及其在动态性能上的良好改善。由于直流侧无源网络不同，图2所示的高增益三态CSI的工作状态不同于传统三态CSI。

图1 高增益三态三相CSI拓扑Fig.1 Topology for high gain tri-state CSI

图2 高增益三态三相CSI工作状态Fig.2 Operation states for high gain tri-state CS

图1中，当开关管SW0关断时，对于上桥臂开关管 （SW1、SW3、SW5）和下桥臂开关管（SW4、SW6、SW2），将任意桥臂的上、下开关管同时导通会使逆变器工作于直通状态。图2（a）为逆变器工作于直通状态的简化电路拓扑，由于某桥臂上、下开关管都导通使该桥臂发生短路，二极管D7和D8因正向偏置而导通，D9因反向偏置而关断。因此，L1和L2相互并联，直流电源对电感L1、L2同时充电。该逆变器工作于直通状态的状态方程为

式中：iL为电感网络电流，是电感L1和L2（L1=L2=L）上流过电流的代数和；if为滤波电感Lf上所流过电流；vout为逆变器输出交流线电压。

当逆变器工作于有源状态时，开关管SW0关断，任意两桥臂中，一个桥臂的上开关管和另一桥臂的下开关管同时导通。此时二极管D9正向偏置，二极管D7和D8反向偏置，直流源与电感网络中的电感L1、L2相串联，共同对交流侧相间负载放电。图2（b）为逆变器工作于有源状态的电路简化拓扑。有源状态的动态状态方程为

由于直流侧电感电流不允许开路，故传统CSI桥臂不能同时断开，而高增益三态CSI可以存在所有桥臂开路的状态。在图2（c）中，当开关管SW0闭合，高增益三态CSI工作于续流状态时，桥臂都是开路的，但是电感网络的电流可以通过SW0所在支路进行续流，避免了桥臂全部开路引起的电感电流开路。在该状态下，无源网络的工作方式与有源状态一致，储存在电感L1和L2内的电能基本没有损耗（L1、L2较为理想时），则续流状态状态方程为

假设，开关周期为T，直通状态占空比为Ds，有源状态占空比为Da，续流状态占空比为D0，3种占空比之和Ds+Da+Do=1。因此，这3个维度的控制占空比可以灵活控制。由式（1）～式（3），通过状态空间平均法可得到逆变器在单开关周期内的状态平均表达式，即

（5）设置冲刺规划会。团队负责人交底需要完成产品订单中的哪些订单项。团队决定在下一次冲刺中他们能够承诺完成多少订单项。在冲刺的过程中，没有人能够变更冲刺内容。团队必须在冲刺阶段自主工作。

对比式（5）～式（8），当 Da交流量为 0 不存在扰动时，则式（5）和式（6）在频域右半平面内不存在零点，系统是稳定的；而即便Ds不存在扰动，式（7）和式（8）在频域右半平面依然存在一个零点，系统是不稳定的。因此，为了获得比较好的动态响应，在进行PWM调制时可以保持Da为定值。

2 稳态电压增益

相比于传统CSI，三态CSI消除了控制/输出传递函数右平面零点效应[3]，具备良好动态响应，同时稳态电压增益也得到了提高。然而，本文所提出的逆变器保持了三态CSI优越动态性能，同时进一步提高了稳态电压增益。单开关周期T内，根据图2所示工作状态，假设两电感参数基本一致，对电感L1或L2进行伏秒平衡，得

对式（9）变换可得到高增益三态三相CSI稳态电压增益为

三态CSI的电压增益表达式[3]为

图3 三态CSI和高增益三态CSI电压增益对比Fig.3 Comparison between high gain tri-state CSI and tri-state CSI

调节相互独立的参数Ds和D0并保持Da不变，三态CSI和高增益CSI都可以获得较宽的电压增益范围。但是对比式（10）和式（11）可知，理论上高增益三态逆变器的稳态电压增益均为三态CSI的2倍。保持有源占空比Da不变，改变直通占空比Ds，可得到的三态CSI和高增益三态CSI的电压增益曲线如图3所示。通过以上理论分析和对比发现，高增益三态逆变器的升压能力有显著提升。文献[3,15]中，有源占空比Da保持不变而Ds可变，也可让两个参数同时可变。该特性使输入/输出功率能够独立地被控制，也使MPPT输入和逆变器输出电流有较小的THD，从而使逆变器能更好地应用于光伏并网系统[12，15]。

3 改进型的PWM调制策略

三态CSI的调制策略可适用于高增益三态CSI，本文采取一种改进型PWM调制方式[8]。

传统CSI与改进型CSI调制方式的对比说明，如图4所示，图中的载波均为三角波。图4（a）中的三相正弦调制波Urefa、Urefb和Urefc与三角波相比较，生成能够分别控制传统CSI开关管 {SW1,SW4}、{SW3,SW6}和 {SW5,SW2}的控制信号。 对图 4（a）中三相调制波进行修正，得到图4（b）中的Ua和 U'a，Ub和 U'b，Uc和 U'c。

式中：T1=T0/T；T2=T0/（3T）；x 和 y 分别为同桥臂的上、下半桥臂， x={a，b，c}，y={a'，b'，c'}； max（）， mid（），min（）分别表示最大值、中间值和最小值函数，Umax=max （Urefa,Urefb,Urefc）=Urefa，Umid=mid （Urefa,Urefb,Urefc）=Urefb,Umin=min （Urefa,Urefb,Urefc）=Urefc；Uoff是为获得较高质量波形作的偏移[8]，Uoff=－0.5（Umax+Umin）。

图4 传统CSI和改进型CSI调制方式的实现Fig.4 Implementation for conventional and improved CSI modulation

图4（b）中，Urefa修正后得到的调制波Ua和U'a与载波分别相交于（t1-T0/2）和（t1-T0/6），并形成阴影区域 [1,0,0,1,1,1]（开关管[SW1,SW3,SW5,SW4,SW6,SW2]状态）用“1”表示导通，“0”表示关断；Urefb修正后的调制波Ub和U'b与载波分别相交于（t2-T0/6）和（t2+T0/6），形成阴影区域[1,1,0,0,1,1]；Urefc修正后的调制波 Uc和U'c，与载波分别相交于（t3+T0/6）和（t3+T0/2），形成阴影区域[1,1,1,0,0,1]（由于载波对称性，右半周期不再叙述）。对比图（a）和图（b），有源状态[1,0,0,0,1,1]和[1,1,0,0,0,1]分别整体向左和右平移了T0/6，将部分传统零电压状态转变续流状态（阴影区域），而单周期内有源状态时间却没改变。

由于开关管SW0在有源和直通状态时一直关断，在续流状态时一直导通，且在续流状态桥壁开关管是全部断开的，因此可以据此对SW0进行控制。按照调制得到的6路独立控制信号与所需控制信号间的映射关系，对6路独立信号逻辑映射出用于高增益三态CSI的控制信号。

4 仿真与结果

本文通过MATLAB/Simulink平台对高增益三态CSI进行了该逆变器开环带负载情况、与同条件下三态CSI仿真结果[13]比较以及所搭建的光伏并网系统模型的仿真。

4.1 开环带负载仿真

设Da为0.5，且不变，改变D0和Ds进行仿真。在输入电压Vdc为60 V时不同D0下，高增益三态CSI和三态CSI三相输出交流相电压仿真结果分别如图5和图6所示。

由式（10）、式（11）计算出高增益三态 CSI和三态 CSI输出相压峰值 Vout1h、Vout2h和 Vout1、Vout2，即

由于三相调制时存在的偏移量，实际稳态电压增益需乘1.15。比较仿真和理论值，两者比较吻合。对比图5和图6中两逆变器在同条件下的仿真结果，高增益三态CSI的逆变升压能力比三态CSI要优越得多。

4.2 应用于光伏并网系统仿真

为了测试高增益三态CSI用于光伏并网系统的适用性和性能，搭建了光伏并网系统的模型，对该逆变器在MATLAB/Simulink上进行仿真。该系统控制策略，主要包含直流侧MPPT控制[14]、交流侧功率前馈控制[12]以及改进型SPWM控制，如图7所示。为了便于实现，MPPT控制采用了传统的扰动观测法。光伏系统相关参数设定为：光伏模块开路电压为408.5 V，短路电流为11.7 A，最大功率点电压为11.24 A，最大功率为3 784 W；直流侧电容为1 500 μF，直流侧电感L1和L2均为5 mH；滤波电容为10 μF，滤波电感1 mH；电网相压有效值为220 V。设定载波频率为10 kHz，光伏组件工作环境为标况（温度 T=25℃，光照 S=1 000 W/m2）。

图5 D0=0.1，Ds=0.4时三相输出线电压对比Fig.5 Comparison of output line voltages for high gain tri-state and tri-state CSI when D0=0.1，Ds=0.4

图6 D0=0.3,Ds=0.2时三相输出线电压对比Fig.6 Comparison of output line voltages for high gain tri-state and tri-state CSI when D0=0.3,Ds=0.2

图8为光伏并网系统仿真结果。由图可见系统稳定时，直流侧光伏输出电流和电压保持稳定，交流侧输出电压和电流THD约为4.01%，波形质量较好，这表明高增益三态CSI能够有效应用于光伏并网。为了满足并网要求，三态CSI并网系统光伏组件输出直流电压至少为153 V；而高增益三态CSI需要提供的电压仅为102 V。由此看来，高增益三态CSI在光伏输出低电压时仍能满足并网要求，能够很好地逆变，说明该逆变器具备满足并网要求的较宽电压范围。该特性将会减少直流侧光伏组件的串接数量，避免由于低光照和低温环境所引起的输出电压不足问题。

图7 高增益三态三相光伏并网系统控制策略Fig.7 Control strategy for high gain tri-state three phases CSI in PV grid-connected system

图8 光伏并网系统仿真结果Fig.8 Simulation results of PV grid-connected system

5 结语

本文提出了一种适用于光伏并网的单级高增益三态CSI。该逆变器在三态CSI基础上引入电感网络替代了原直流侧电感，理论上使得逆变后的稳态电压增益几乎增加了1倍；同时，通过对直通占空比进行控制，使得输出母线电压获得很大程度的提升。理论分析和仿真结果表明，本文所提出的逆变器克服了大多单级型逆变器升压能力较低的不足，同时能很好地应用于光伏并网系统。

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茆美琴

茆美琴（1961－）,女，中国电源学会会员，通信作者，博士，教授，研究方向：电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用、 微网系统，E-mail：pvcenter@hf ut.edu.cn。

郑亚军（1989－），男，硕士，研究方向：电力电子技术在微电网中的应用，E-mail：869082186@qq.com。

A Single-stage High Gain Current Source Inverter for Grid-connected Photovoltaic System

MAO Meiqin,ZHENG Yajun
（Reach Center for Photovoltaic System Engineering of Ministry of Education,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

The output voltage range of photovoltaic（PV） cells is widely influenced by the environment factors,such as temperature,solar radiation,etc.Since the lower output voltage of solar array can hardly meet the requirements for grid-connected operation of the system,the better voltage boosting capacity is necessary for the PV grid-connected inverter.Based on the tranditional tri-state current source inverter,this paper presents a novel single-stage high gain current source inverter（CSI）.The topology of the pro-posed inverter is derived from tri-state current source inverter by replacing the inductor in dc side with an impedance network consisting of two symmetrical inductors and three diodes separately,obtaining a much high voltage in dc bus and increases the ac output voltage amplitude.Theoretical analysis of operation modes and high voltage gain performance for the proposed inverter is presented，followed by the simulation of the proposed inverter in grid-connected photovoltaic system carried out on MATLAB.

single-stage;current source inverter（CSI）;high-gain;photovoltaic

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.82

TM464

A

2016-03-08；

2016-06-12

国家自然科学基金资助项目（51577047）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20130111110005）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51577047）;Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education（20130111110005）