新型单级Buck-Boost逆变器，无电解电容，适合中小功率光伏系统
燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室、国网冀北电力有限公司秦皇岛市抚宁区供电分公司的研究人员王立乔、李占一、刘乐、黄海文，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“一种无电解电容单级Buck-Boost逆变器”），针对中小功率光伏发电系统中电压源型逆变器不能升降压运行、直流侧需要大容量电解电容的问题，提出一种新型无电解电容单级Buck-Boost逆变器。
该逆变器具有升降压能力，不仅电路本身不含电解电容，而且其抵抗输入侧低频脉动的能力强，有利于减小输入侧滤波电容值，从而实现整个系统无电解电容化。该逆变器具有成本低、使用寿命长、可靠性高、短路及断路保护简单等优点，符合中小功率光伏发电系统的要求。
该文首先介绍该逆变器的工作原理，然后建立其数学模型，并设计闭环调节器。在理论分析的基础上，进行仿真和实验验证，仿真和实验结果证明了理论分析的正确性。
在光伏发电系统中，太阳能光伏电池对环境因素非常敏感，受外部因素影响，其输出电压具有很大的波动性，即光伏逆变器的输入电压是宽范围变化的。在中小功率光伏发电系统中，光伏逆变器多采用电压源型桥式逆变器，其输出电压峰值只能小于输入侧直流电压值，这造成输入侧电压波动范围较大时，电压源型桥式逆变器不能满足要求。
另外，受外界环境因素的影响，光伏阵列输出的直流电压会有小范围的低频脉动，同时考虑到逆变器缓冲无功能量的需求，一般需要加入一个电解电容进行稳压、滤波。为达到较好的稳压、滤波效果，并联电容往往需要使用大容量的电解电容，因此存在系统体积大、寿命以及可靠性低等问题。
解决输入电压宽范围变化的问题，常见的措施是采用具有升降压能力的逆变器。传统的具有升降压能力的逆变器可以分为隔离型逆变器和多级型逆变器。隔离型逆变器中存在工频或高频变压器，导致系统体积大、成本高。多级型逆变器在电压型逆变器前级加入升压型DC-DC电路，通过前级后级的协同控制实现升降压逆变，但各能量级之间使用了大容量电解电容进行稳压、滤波，导致系统效率低、可靠性差。
由于传统方案的不足，越来越多的学者开始研究单级非隔离结构的逆变器。与传统方案相比，单级非隔离升降压型逆变器有诸多优点：无需变压器、拓扑结构简单、所需元件少；相比多级式拓扑其只有一个能量环节，因此在效率方面具有优势。但是目前已经提出的单级升降压型逆变器大多没有解决滤波器尺寸大的问题。
有学者提出了Z源逆变器，Z源逆变器通过将无源储能元件组成的无源网络加入桥式结构中实现升降压逆变，但Z源逆变器中无源网络所需的电感和电容值较大，且其升压能力较弱，尽管可以通过改变无源网络使升压能力得到提高，但是改变后的无源网络结构复杂，硬件参数设计也变得困难。
有学者提出一种单级非隔离双Cuk逆变器，借助于Cuk电路的升降压能力，该逆变器可以实现升降压逆变，但是该逆变器中间电容值较大，且输出电压正负半周需要两个直流电源独立供电，增加了系统成本，虽可以采用单电源加两个电容分压的方式，但是分压电容往往需要容值很大的电解电容，这将进一步降低系统的可靠性。
有学者提出一种集成式逆变器，集成式逆变器将升降压型变换器和全桥逆变器通过共用功率器件的方式集成在一起，虽降低了元器件数量，但是该逆变器仍需要一个容值较大的电解电容。
针对已有方案的不足，本文提出一种基于Buck- Boost变换器的新型逆变器，该逆变器具有成本低、拓扑结构简单、无需电解电容和可靠性高等优点。该逆变器单级可以实现升降压功能，适用于输入电压宽范围变化的场合；其抵抗输入侧低频脉动能力强，有助于降低输入侧滤波电容值，实现整个电路无电解电容化；该逆变器在单位功率因数运行时，无需加入死区信号和叠流信号，因此可靠性强、输出电压总谐波畸变率（Total Harmonics Distortion, THD）低。本文理论分析了该逆变器的工作原理及调制方式，并通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。
图1 新型Buck-Boost逆变器拓扑结构
本文针对中小功率系统，提出一种新型单级非隔离Buck-Boost逆变器。对其拓扑结构、工作原理、调制方式、数学模型以及控制方法展开理论与仿真研究，最后搭建实验平台，通过实验验证了理论分析与仿真的正确性，得到以下结论：
1）新型单级非隔离Buck-Boost逆变器不含电解电容，所需有源和无源器件均较少，体积小、成本低、可靠性高，该逆变器单级可实现升降压功能，对光伏发电等宽范围输入场合的适应能力强。
2）该逆变器对输入电压低频脉动有一定的抵抗能力，且具有短路及断路保护简单、输出波形正弦度高的优点。
3）建立了逆变器的数学模型，设计了闭环控制系统，仿真和实验证明了在闭环控制下，逆变器就可以跟随给定、抵抗输入电压突变及负载突变扰动，具有良好的动静态性能。