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一种新型单级非隔离双 Cuk 逆变器

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LV6
高级工程师
  • 2020-3-19 09:53:33
近年来,随着能源危机和环境污染的加剧,风能、太阳能等可再生能源作为替代能源已经得到广泛应用。可再生能源经由发电装置转化为电能,再通过电力电子装置进行电能变换使之符合相关标准;变换后的电能可直接提供给负载,也可并入主干电网[1]。逆变器就是完成能量变换所需的最常用的电力电子装置[2-3]由于可再生能源深受气候、气象和环境等外部因素的影响,其能量输出具有很大的随机性和不确定性[4]。这种随机性和不确定性的具体表现之一是输出功率的大范围波动,在光伏电池、燃料电池和小型直流风力发电机组中即表现为输出直流电压的宽范围变化,这需要作为能量变换装置的逆变器能承受宽范围的输入电压波动。而逆变器不论是独立为负载供电,还是并网发电,都需要稳定的输出。常规的逆变器拓扑有电压型和电流型两种[5]电压型逆变器只能实现降压,即交流侧电压峰值低于直流侧电压;电流型逆变器只能实现升压,既交流侧电压高于直流侧电压。如果直流侧电压的变化幅度较宽,两种逆变器结构都不能满足要求。目前,通过采用两种方法解决上述问题,一种是采用多级电路,先用 DC/DC 电路调整电压等级再用常规逆变器实现逆变,这种方式的缺点是系统变换级数多、器件数目大、效率较低;另一种是采用隔离式电路[6-7],采用工频变压器隔离则系统造价提高、效率降低,采用高频变压器则较难实现于较大功率场合。为此,研究和探索能够在直流电压宽范围波动时能够稳定工作的单级非隔离升降压型逆变器就成为逆变器拓扑结构研究的一个方向[8]研究和探索单级非隔离升降压型逆变器的一种重要思路是在直流电源和电压型逆变器之间加入无源阻抗网络,使逆变器可工作在降压和升压两种工作模式。这方面取得重要成果的例子就是 Z 源逆变器[9]Z 源逆变器虽然可实现升降压变换,但升压能力受限;虽然也有一些用其它无源阻抗网络取Z 源网络以提高升压能力的研究成果,但阻抗网络结构较为复杂,硬件参数设计也较为困难[10-11]构造升降压型逆变器的另一种思路,是采用基DC/DC 变换电路组合的方式,直接构造新型逆变器拓扑[12]。具体而言,又可分为串联组合和并联组合两种方式。所谓串联组合就是将两个具有升降压功能的 DC/DC 变换器通过输入侧并联、输出侧串联的方式组合在一起,采用适当的工作方式,实现逆变功能,也有文献将这种组合方式称为“差分”方式。目前在这方面已经有了一些相关研究成[13-16]。但串联方式的输入输出不共地,构成三相电路较为困难;输出为“差分”方式,相当于电压源,不易实现并联和并网运行。根据拓扑学上的对偶原理,也可以采用并联组合方式构成升降压逆变器,即将两个具有升降压功能的 DC/DC 变换器通过输入侧串联、输出侧并联的方式组合在一起实现逆变功能。并联方式的输入输出共地,容易构成三相电路;可工作于电流源输出模式,易于并联和并网运行;电路运行时高频开关无短路故障,因而无须设置死区,输出波形品质和效率大大提高。文献[17]中采用 Buck-Boost 电路,构成了并联组合的升降压型逆变器,并将其应用于光伏并网发电系统。考虑到 Buck-Boost 电路的输入电流和输出电流均为断续,造成电流波形脉动较大、谐波成分较高,且功率不易提升。本文提出一种基于 Cuk 电路的新型并联组合型升降压逆变器拓扑结构。该逆变器结构具有 Cuk变换器的所有优点,可实现升降压,电流连续,适用于直流输入电压宽范围变化的可再生能源发电系统。本文首先给出这种新型逆变器的拓扑结构,介绍其工作原理,并对其进行仿真和试验研究,验证理论分析的正确性。




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