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一种改进的正反激并网微型正弦波逆变器

反激正弦波逆变器存在输出电流纹波大、功率容量小等缺点;交错并联反激正弦波逆变器存在开关器件多、控制方式复杂等缺点。

针对上述问题,提出一种双变压器有源钳位正反激光伏并网正弦波逆变器结构,该正弦波逆变器二次侧仅用两个开关管,控制方式简单、可靠性高;采用双变压器可以分担功率、减小单个磁性元件尺寸。对该正弦波逆变器的电路拓扑、电流控制策略、稳态原理、特性等进行深入分析。最后通过仿真和实验验证了该正弦波逆变器结构的可行性。 

近年来,随着可再生能源技术的发展,太阳能作为可再生能源的重要组成部分,光伏并网发电作为利用太阳能的重要方式之一,一直是研究热点[1]。传统光伏发电系统中,集中式发电方式存在发电效率低、安装不易、电池板匹配困难等缺点[2]。因此基于微型正弦波逆变器的分布式发电方式逐渐成为研究热点[3-6]。 

单级式微型正弦波逆变器具有体积小、结构简单、损耗小等优点,因此在中小功率场合中被广泛应用。文献[7]通过将两个Buck-Boost电路采用输入串联、输出并联的方式组合,得到一种改进的双Buck- Boost正弦波逆变器,可实现单级直接升压逆变。文献[8]提出一种单级升压正弦波逆变器,可以使正弦波逆变器的升压能力得到提高。

文献[9]提出一种Z源正弦波逆变器结构,克服了现有拓扑由于电池板放电不连续导致功率限制的缺点。文献[10]提出一种非隔离型电压倍增并网正弦波逆变器,实现了半导体器件的零电流换向,限制了关断电压尖峰。但是上述结构的正弦波逆变器都没有实现电气隔离,安全系数较低。

 单级反激式微型正弦波逆变器具有器件少、控制简单、输入输出实现电气隔离等优点,在微型正弦波逆变器中被逐渐采用。文献[11]针对反激正弦波逆变器提出了一种新的控制策略,可以有效提高正弦波逆变器的功率因数。

 文献[12]提出一种零电压开关(Zero VoltageSwitching, ZVS)双开关反激正弦波逆变器,该结构可以减小一次侧开关管电压应力、提高正弦波逆变器效率。文献[13]提出一种改进控制策略的有源钳位反激并网正弦波逆变器,该拓扑一次侧引入有源钳位电路,可以减小一次侧主开关管的关断电压尖峰,并使一次侧开关管实现软开关,减小开关损耗。

 文献[14]提出一种反激正弦波逆变器,该结构的辅助电路没有开关管,因此控制方式简单。但是以上所提正弦波逆变器并没有有效解决反激正弦波逆变器输出电流纹波大、功率容量小等缺点。

 交错并联反激正弦波逆变器是解决单管反激正弦波逆变器输出电流纹波大、功率容量小等问题的有效方式之一[15,16]。文献[17]提出一种单相交错反激正弦波逆变器,可以使系统结构紧凑轻量化、减小一次侧开关损耗。文献[18]提出一种加权控制策略,提高系统效率。

文献[19]基于交错并联反激正弦波逆变器提出一种输出滤波器,减小了系统的体积和质量。文献[20]增加了负载平衡控制环,可以有效解决负载不平衡的问题。文献[21]提出了一种基于加权效率增强控制方法的交错反激式正弦波逆变器,减少二次侧输出二极管的损耗。但以上结构存在开关元件较多、所需驱动电路较多、控制方式复杂、可靠性较低等问题。

本文提出一种双变压器正反激光伏并网正弦波逆变器结构,输入输出能够实现电气隔离,安全系数高;二次侧仅用两个开关管,控制方式简单、所需驱动电路较少;输出电流连续、纹波较小;使用双变压器结构可以分担功率,减小单个变压器尺寸,减小系统整体体积,使正弦波逆变器小型化;同时,反激变压器可以兼作正激变压器输出滤波电感,省去二次侧滤波电感,减小系统成本;引入有源钳位电路,一次侧开关管可以实现软开关,提高系统效率,占空比可以大于0.5,具有较好的输入电压适应能力。

 正反激正弦波逆变器主电路图

图1 正反激正弦波逆变器主电路图

结论

本文提出一种正、反激式光伏并网微型正弦波逆变器,通过仿真和实验验证了该正弦波逆变器的可行性,该正弦波逆变器具有以下优点:

1)二次侧仅用两个开关管,开关器件少,控制方式简单,驱动电路较少,可靠性高。 

2)同反激正弦波逆变器相比具有输出电流纹波较小、功率容量较大等优点;与相同功率容量的交错反激正弦波逆变器相比具有开关器件少、控制方式简单等优点。 

3)使用双变压器结构可以分担单个变压器功率容量,减小单个变压器尺寸,减小系统整体体积,使正弦波逆变器小型化;同时,双变压器结构可以省去二次侧输出滤波电感,减小系统成本。 

4)一次侧引入有源钳位电路,一次侧开关管可以实现软开关,提高效率,占空比大于0.5,具有较好的输入电压适应能力。

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