單相單級升降壓逆變器的拓撲分析與比較

章勇高，康淦明，李 洋，王 妍，常凱旋

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013）

隨著社會的不斷進步和發展，傳統能源越來越不能滿足人類生活對能源的需求，人們不斷尋求更多的新型能源來補充或代替傳統能源，近年來，作為清潔能源的光伏發電越來越受到人們的關注。光伏發電系統就是將變化的光伏陣列直流輸出電壓轉換成符合電網電壓和頻率的交流輸出，并向電網注入電流。

光伏發電系統主要具有集中式和分布式兩種結構形式，其中分布式光伏發電系統［1-4］的效率更高，一次性投入更低，壽命更長且組裝簡單，具有一定的發展優勢。尤其是2012年10月26日國家電網公司向社會發布《關于做好分布式光伏發電并網服務工作的意見》，國家電網做出接納分布式光伏發電并網的承諾［5］，意在促進國內光伏產業走出困局，保持健康持續發展，各地紛紛允許中小型分布式光伏發電并接電網［6］，使得分布式光伏發電［7-8］具有更大的發展空間。光伏發電系統主要由光伏陣列和光伏逆變器組成，其中逆變器的拓撲結構決定著整個系統的運行效率和成本，因此，分布式光伏發電系統的發展必將促進中小功率單相光伏逆變器的快速發展。

根據變換級數逆變器可分為單級和多級變換器，其中多級變換器采用兩級或多級功率單元實現能量變換，其技術比較成熟，但結構復雜，效率較低，成本和體積均較大，適合于集中式光伏發電系統。而單相單級逆變器僅采用一級功率單元實現分布式電源的變換，具有電路簡單、元器件少、輸入電壓范圍寬［9-10］、可靠性高、效率高、功耗低的優點，更加適合于分布式發電系統的小型化低成本應用［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構，因此單相單級升降壓逆變器將成為分布式逆變器的研究熱點。

圍繞單相單級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撲結構的性能指標，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展趨勢，為分布式逆變器的設計提供重要的指導原則。

1 單級升降壓逆變器的拓撲結構分析

單相單級分布式升降壓逆變器常采用工頻或高頻變壓器實現電網和光伏系統的隔離，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。為降低系統成本，簡化拓撲結構，近年來提出了很多非隔離型逆變器拓撲結構［13-14］，逐漸成為研究熱點之一。

1.1 非隔離型單相單級升降壓逆變器

圖1（a）所示逆變器拓撲是由Kasa提出的一種Buck-Boost（升降壓）電路的單級非隔離型逆變器［15］。該逆變器由4個開關管、2個升壓電感構成的兩組Buck-Boost電路組成。兩個Buck-Boost電路交替工作。正負半周期各有兩個工作階段，一個電感充電，一個電感放電。負半周期工作情況類似，極性相反。從而使得逆變器在電網正負半周期內工作對稱。由于每半個周期內高頻工作的開關管只有兩個，從而具有開關損耗低、EMI弱等優點。對于輸入電壓范圍，這里對最低輸入電壓有所要求。由于功率一般做不大，所以只能應用在小容量的光伏并網系統中。比較適合用于住宅光伏發電系統。但是，該拓撲結構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。

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升降壓逆變器［16］。如圖1（b）所示。該逆變器也由4個開關管、2個二極管構成。S3，S4零電流導通。且正負半周期只有一個開關管高頻工作。故開關損耗和EMI大大降低，效率可達到90%以上。但是該逆變器的最大缺點在于諧振控制過程較為復雜。

圖1（c）所示為一種電流源型升降壓逆變器［17］，該逆變器4個功率開關S1，S2，S3，S4和2個功率電感L1，L2構成，在電網的正半周期僅有一個開關管高頻工作，另一個開關管為常通狀態，因此，控制起來比較容易，可直接采用SPWM方式［18］。且電網正負半周期工作狀態對稱。從而消除了直流并網電流，另外，該逆變器還具有開關損耗低，EMI干擾小的優點。由于該拓撲有專門電感和開關來處理功率，故適用的功率等級較大。

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

1.2 隔離型單相單級升降壓逆變器

圖2所示為兩種由3個開關管以及一個反激變換器組成的新型隔離型逆變器［19-20］，具有開關數目少，結構簡單，開關損耗以及EMI低的優點［21］。該逆變器正負半周期的工作過程對稱，不產生直流偏置電流。在每半個周期，均分成兩個工作過程。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，直流側與交流側被隔離變壓器隔開。沒有對地漏電流產生。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個副邊繞組，正負半周的工作過程完全對稱，而三繞組的變壓器增大了系統成本，降低系統效率，使得效率低于90%，且由于初級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）的改進型結構［24］，隔離變壓器僅有一個副邊繞組，故正負半周工作不對稱，而將三繞組改進為二繞組。降低了系統成本和體積，降低損耗還提高了系統效率，高于90%，功率可以達到1 kW。

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

2 性能對比分析

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

1）從表中可以看出，三開關逆變器的總體效率大于四開關逆變器［25］。說明了開關數及其他元器件數對逆變器的效率、成本、體積影響較大，進而影響系統、功率密度。

2）儲能電感功率將限制逆變器的功率等級，因此，減少儲能電感，優化電感設計獎大大提高系統功率。

3）圖1（a）中，每半周期有2個開關器件處在高頻狀態，而圖1（b），（c）僅有1個開關器件在高頻工作，故圖1（c）中的逆變器EMI和效率性能指標相對圖1（a），（b）更優。

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

5）圖2 中逆變器的功率等級低于1 kW，而圖1 中逆變器的功率等級可以達到幾個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的光伏應用場合。

干擾P2X7受體后，關節滑膜細胞MH7A的炎癥細胞因子L-1β和IL-6表達水平明顯下調（表2，圖4A、B），與此對應的是，關節滑膜細胞MH7A培養上清中L-1β和IL-6含量也明顯下調（表2，圖4C、D）。

6）盡管非隔離型逆變器具有結構簡單、質量輕、成本低，但是由于光伏陣列具有較好的輸出等級電壓，導致整個系統需具備較高的絕緣等級，否則容易出現漏電現象［26］，因而有一些國家禁止隔離型逆變器并網運行。

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

對于光伏逆變器的設計和開發，主要根據其是否并網運行、元器件數目、系統效率、EMI干擾、功率等級以及輸出直流分量的抑制等方面進行評估。這些性能指標相互影響、相互制約。故選擇方案時應該綜合考慮。從而得到最優化設計。

光伏逆變器有并網和離網運行兩種模式，他們對于功率流的方向，負載特性和系統接地具有不同的要求。對于并網運行，功率僅從電源流向負載。而離網運行時，則功率流方向為雙向的，此時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，以使電流從負載流向直流側。圖1（a）和圖2（a）,（b）中逆變器無反饋能量通道。故只能并網運行。而圖1（b），（c）采用了全橋逆變和反饋二極管結構。故可運行在并網和離網兩種工作模式下。

關于輸出直流分量的抑制。從理論上講，并網逆變器將交流電流注入到電網里。然而，由于逆變器工作不對稱，使得并網電流中含有直流分量。從而對電網設備產生不良影響，如引發互感器飽和、變電所接地網腐蝕等問題。通常在實際應用中，需通過適時的檢測并網電流的直流分量。采用閉環控制算法，以補償逆變器的輸出脈寬，從而抵消并網電流中的直流分量。

在逆變器中產生EMI 干擾的主要原因在于開關管的高頻工作、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的EMI干擾，高頻變壓器改進的優劣對于逆變器的性能影響較大。另外，為降低EMI干擾，盡量降低開關管的數目也是努力的方向，如圖1（b），（c），圖2（a），（b）均只有一個開關器件工作在高頻工作狀態下，從而大大降低了系統EMI。最后，軟開關技術也是降低EMI干擾的重要技術，如圖1（c）所示。

系統成本和效率一直是光伏逆變器的關注焦點。影響成本和效率的因素有拓撲結構的簡易程度，如開關器件以及儲能器件數，變壓器體積和重量。中間轉換環節、以及是否軟開關動作。圖2中逆變器具有3個開關管，結構較簡單，而圖1中逆變器具有4個開關器件。工作情況較為復雜。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很大，要求光伏逆變器能適應寬輸入電壓范圍，從而從光伏陣列中提取最大能量。圖1（a），（b）直流側電壓不得低于42 V。圖2（b）的直流側輸入電壓不得低于50V；而圖2（a）的直流側輸入電壓很低，它們對直流輸入電壓的魯棒性好；具有高可靠性的優點。

4 結論

光伏逆變器是光伏發電系統中的一個重要組成部分，它決定著整個系統的性能，成本、效率以及使用壽命。針對隔離型和非隔離型逆變器［24］，圍繞開關器件數目、是否并網運行、直流分量抑制、EMI 干擾、工作對稱性、功率等級以及成本和效率方面進行對比分析。提出了光伏逆變器中的發展趨勢以及設計考慮：

1）減少功率開關和儲能元件個數，簡化拓撲結構，降低系統成本并提高系統效率。

2）優化磁性元件設計，盡量采用帶有高頻變壓器的隔離型逆變器結構，不僅降低了系統體積和重量，而且有利于效率的提高。

3）減少高頻工作的開關數，從而降低EMI干擾，提高系統效率。

4）控制光伏逆變器工作在對稱狀態，從而減少直流分量注入電網中，或采用對消法來補償產生的直流分量，從而降低或消除直流分量。

5）拓寬直流輸入電壓范圍，提高系統對直流輸入的魯棒性。保證在較低直流輸入電壓狀態下仍能向電網注入電流，提高系統的工作可靠性。

最后，光伏逆變器的使用壽命也是光伏應用中必須考慮的，一般情況下，光伏陣列以及半導體的工作壽命較長，可以達到10年左右，而作為儲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，研究無電解電容光伏逆變器將成為未來發展的重要趨勢。

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