新型单级Buck_Boost光伏逆变器研究

收稿日期 2010- 05- 18基金项目 湖南省教育厅资助项目 （ 10C0832 ）作者简介 岳舟 1982 ， 男， 湖南省人， 硕士， 主要研究方向为电力电子与电力传动 、 计算机控制 。1160新型单级 Buck- Boost 光伏逆变器研究岳 舟（湖南人文科技学院 通信与控制工程系， 湖南 娄底 417001）摘要 提出了一种新型单级 Buck- Boost 光伏逆变器的拓扑结构 。 该拓扑只需要五个功率开关和两个电力二极管， 结构简单紧凑， 无需直流分裂电容， 开关频率低， 通过占空比的调节， 能在一个功率级内产生幅值高于或低于输入直流电压的交流电压， 适用于 AC 模块 。 详细分析了所提逆变器的工作原理， 并利用状态空间平均法建立了系统数学模型 。 利用串联谐振环节能实现所有开关的零电流开通和辅助开关的零电流关断，减小了开关损耗，提高了系统效率 。 采用SPWM 控制方法， 在 Matlab/Simulink 环境下建立了控制系统的仿真模型 。 仿真结果验证了该变换器的优点和 SPWM控制方法的有效性 。关键词 逆变器； Buck- Boost ； 状态空间平均法； 脉冲宽度调制； 串联谐振中图分类号 TM 464 文献标识码 A 文章编号 1002- 087 X201011- 1160- 03Study on novel single stagephotovoltaic buck-boost inverterYUE ZhouDepartmentof Communication and Engineering,Hunan University of Humanities and Scienceand Technology, Loudi Hunan 417001,ChinaAbstract A novel single- stage Buck- Boost PV inverter topology was proposed, which included only five switchesand two power diodes, with a compact structure and low switch frequency. It did not have a DC capacitor, couldgenerate an AC output voltage larger or lower than the input one in a single stage, and could be used in AC module.The operation principle was analyzed in detail and the mathematics model was founded by the state- space averagemethod. The new inverter circuit topology provided all the switches for turn- on and the auxiliary switches for turn- offat zero current switching ZCSby a resonant tank, so that the switching loss was reduced and the system efficiencywas improved. The simulation of the control system was constructed in Matlab/Simulink by SPWM control method.The simulation results show that the validity and effectiveness of the proposed inverter is verified.Key words inverter; Buck- Boost; state- space average; SPWM; series- resonant随着传统能源消费的增长 、 生态环境的日益恶化和人类可持续发展的要求，世界各国都在积极开发无污染可再生的新能源 。 太阳能资源丰富 、 分布广泛 、 可以再生 、 不污染环境，使得太阳能光伏发电成为新能源开发中的主流 。 而光伏逆变器是太阳能光伏发电系统中的核心部分， 其效率的高低 、 可靠性的好坏将直接影响整个光伏系统的性能和投资 。 本文研究了一种新型的光伏发电用单级型 Buck-Boost 逆变器 。Buck 和 Boost 电路是 DC-DC 变换中最基本的两种电路 。 一方面， 它们应用广泛； 另一方面， 由它们可以衍生出很多其他的电路拓扑 。 但是 Buck 电路只能降压， 而 Boost 电路只能升压， 应用受到一定的限制 [1-2]。 而在 Boost 电路结构前加上Buck 结构， 通过简化， 则可以得到 Buck-Boost 电路， 既可升压亦可降压， 即输出电压平均值的幅度通过占空比的调节， 可以高于或低于其输入直流电压 [3-4]。 它广泛应用于逆变电路， 各种低压单电源输入 、 多电源需求的电子电路及功率因数校正PFC电路中 。 许多研究 DC-AC 逆变的工作者喜欢以它作为拓扑的主电路 [5-6]， 本文的研究也是基于这个拓扑开展的 。目前， 光伏逆变器拓扑的研究都向着更紧凑的设计 、 更宽的输入输出电压范围 、 更高效率的方向发展 。 本文基于Buck-Boost 电路结构， 并引入串谐振环节， 提出了一种新型的光伏逆变器的拓扑结构 。 该逆变器结构紧凑，适用于 AC 模块， 并且工作在谐振电感电流不连续的方式下， 因此能实现所有开关的零电流开通和辅助开关的零电流关断，大大降低了开关损耗， 提高了系统效率 。 根据其输入输出特性， 基于 SP-WM 方法对该逆变器的控制进行了 Matlab/Simulink 仿真 。 仿真结果验证了理论分析的合理性和可行性 。1 拓扑结构及工作原理图 1 给出了所提出的新型单级 Buck-Boost 逆变器的电路拓扑结构 。 其主要部分为串联谐振功率换模块， 它由 2 个独立的桥臂构成 。 左桥臂由主开关 S1， 辅助开关 S2， 二极管 D 1 和谐振电感 L1 组成， 右桥臂由主开关 S3、 S5， 辅助开关 S4， 二极管 D 2 和谐振电感 L2 组成 。 两个谐振桥臂共用一个谐振电容C， L 3 为输出滤波电感， R 为负载电阻 。图 1 所示的单级 Buck-Boost 逆变器有两个相互独立的研 究 与 设 计2010.11 Vol.34 No.111161uCt uCt1cosω t－ t1Z[i Lt1－ IL 3]sinω t－ t1 4式中 ω 为谐振角频率； Z 为特征阻抗 。3 放电阶段 III[ t2， t3] t t2 时， L1 上储存的能量变为 0， D 1截止， C 向负载放电直到 t t3 时刻， 下一个开关周期的驱动脉冲到达 。 i Lt和 uCt在这期间的表达式分别为 iLt0 5uCt uCt0－ t－ t0IL3/C 6在 Buck-Boost 逆变器中， iLt不连续， iL3t连续， 在一个开关周期内的稳态分析可由状态空间平均法描述 。 对一个开关周期内的 3 个动态状态， 都存在着不同的开关矩阵， 用相应的状态空间表达式描述如下 。在充电阶段 I， 即时间间隔 dTs 内 [t0， t1]， 这里 d t0－ t1/Ts， 有 7在 谐 振 阶 段 II ， 即 时 间 间 隔 d TS 内 [t1， t2]， 这 里 d t2 t1TS， 有 8在放电阶段 III ， 即时间间隔 1－ d－ d TS 内 [t2， t3]， 有 图 1 新型单级 Buck- Boost 逆变器图 2 主要工作状态1/ LC LC2010.11 Vol.34 No.11研 究 与 设 计1162分析研 究 与 设 计2010.11 Vol.34 No.11