單相雙Buck三電平逆變器設(shè)計方案

1.引言

太陽能作為一種無污染的能源，有關(guān)其利用的研究一直是人們研究的熱點。為了提高太陽能的電能轉(zhuǎn)化效率，光伏并網(wǎng)逆變器的研究是光伏利用的重點。對于光伏并網(wǎng)逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照變壓器可以分為：

高頻變壓器型，工頻變壓器型和無變壓器型。高頻變壓器體積小，重量輕，效率高，但是控制較為復(fù)雜； 工頻變壓器體積大，重量重，結(jié)構(gòu)簡單；為了能夠提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的效率和降低成本，在沒有特殊要求的時候可以采用無變壓器型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，由于沒有變壓器，輸入輸出沒有電氣隔離，光伏模塊的串并聯(lián)構(gòu)成的光伏陣列對地的寄生電容變大，而且該電容受外界環(huán)境影響較大，由此產(chǎn)生的共模電流將會很大，對于漏電 流的研究，現(xiàn)已有多種解決方案：當(dāng)全橋逆變器采用單極性調(diào)制方式時，存在一開關(guān)頻 率脈動的共模電壓，而采用雙極性調(diào)制方式時，共模電壓不變，其幅度等于母線電壓的一半；在半橋逆變器中，對地寄生電容電壓亦被輸入分壓大電容鉗位在母線電 壓的一半，基本保持不變。這些都是基于橋式電路解決漏電流的方法，近年來出現(xiàn)了一種雙Buck逆變器結(jié)構(gòu)，這種逆變器具有無橋臂直通，體二極管不工作，雙極性工作等突出特點，因而應(yīng)用廣泛。本文提出一種新型的三電平雙Buck逆變器的方案，并置定相應(yīng)的控制策略實現(xiàn)最大功率點的跟蹤和并網(wǎng)控制。

2.三電平雙Buck逆變器的總體方案

如圖1所示，為雙Buck逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，雙Buck逆變器采用的是半周期工作模式，當(dāng)輸出電流在正半周時，功率管S1、續(xù)流二極管D1、濾波電感L1 和濾波電容Cf共同構(gòu)成了Buck1電路。當(dāng)輸出電流為負(fù)半周時，功率管S2、續(xù)流二極管D2、濾波電感L2和濾波電容Cf共同組成Buck2電路，兩條 Buck電路不同時工作。相比于傳統(tǒng)的橋式逆變電路，電路無橋臂直通的可能，體二極管也不用參與工作過程。但是，這種情況下，功率管S1和S2在工作的半 個周期內(nèi)所承受的電壓時直流母線電壓Ud的兩倍。由于其橋臂本身輸出的電壓波形依然是雙極性的，所以其諧波含量依舊很大。

通過在雙Buck逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，用兩個功率管和快恢復(fù)型二極管的組合開關(guān)電路（即S1&S3&D3和S4&S2&D4）替代原先的橋臂上的功率管。得到如圖2所示的新型三電平雙Buck逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

這種新型的三電平雙Buck逆變器依據(jù)是半周期工作模式：當(dāng)輸出電感電流iL為正半周 時，Buck1電路工作，當(dāng)電感電流為負(fù)半周時，Buck2電路工作。其具體的工作模態(tài)如表1所示。經(jīng)過優(yōu)化的三電平雙Buck逆變器由于將其對地的寄生 電容電壓牽制在輸入電壓的一半，所以其漏電流為零。

3.控制策略分析

為了能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點跟蹤和實現(xiàn)輸出電壓電流的控制，整個控制采用復(fù)合控制策略，包括均壓控制環(huán)，電流控制環(huán)和電流基準(zhǔn)環(huán)如圖3所示。

具體工作流程為：通過采集電容C1上的電壓UC1,計算母線電壓的一半得到UZ=Ubus/2,分 別計算UC1與Uz的差值，將差值輸入到均壓環(huán)的調(diào)節(jié)器，輸出控制電流變化量△i;母線電壓經(jīng)過最大跟蹤環(huán)節(jié)取得入網(wǎng)基準(zhǔn)電流ig,將基準(zhǔn)電流iL減去控 制電流變化量△i和入網(wǎng)電流ig,將最后求的的電流經(jīng)過比例積分誤差放大電路，與三角波相交并通過控制邏輯生成爭先脈寬調(diào)制信號（SPWM波），通過輸出 的SPWM波形控制開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能。

式中 c1 U 和 c2 U 為電容C1和電容C2的電壓初始大小，假設(shè)兩電容電壓大小相等，則可得兩電容電壓的偏差大小為：

4.仿真和驗證

對于上述的閉環(huán)系統(tǒng)，設(shè)置參數(shù)并進行仿真，具體參數(shù)設(shè)置如下：輸入直流電壓Ud=720V,輸入電容C1=C2=1100uF,輸出濾波電感L1=L2=750uH,預(yù)計輸出的交流電壓Uo=220V,頻率為50Hz,額定輸出功率Po=1KW.

具體的仿真結(jié)果如圖4所示，ug表示為電網(wǎng)電壓，iL為電感電流，Uc1為電容C1的電壓，UC2 為電容C2的電壓，V1~V4分別表示逆變器對于功率開關(guān)管S1~S4的控制信號。具體的工作情況：當(dāng)iL大于零，即工作在正半周，Buck1電路工作， 功率開關(guān)管S1,S3導(dǎo)通，S2,S4截至，iL2=0,此時電壓uB=ug;當(dāng)iL小于零，即工作在負(fù)半周時，Buck2電路工作，功率開關(guān)管 S1,S3截至，S2,S4導(dǎo)通，iL2=0,此時電壓uA=ug,本閉環(huán)系統(tǒng)采集電容信號，實現(xiàn)輸入均壓控制，因此輸入電容UC1和UC2保持穩(wěn)定。

5.總結(jié)

本文分析了傳統(tǒng)橋式逆變電路和新型三電平雙Buck逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了普通雙Buck逆變 電路漏電流的產(chǎn)生并提出了一種新型的單相雙Buck光伏逆變器的方案，這種改進型的三電平雙Buck逆變電路對于逆變橋臂與地之間的寄生電容通過分壓電容 進行電壓鉗制，對于電網(wǎng)頻率的低頻率變化，抑制了漏電流的大小。針對新型的三電平雙Buck逆變器電路制定相應(yīng)的控制策略，通過采樣電壓信號，實現(xiàn)最大功 率跟蹤和均壓控制。最后通過仿真波形，驗證三電平雙Buck逆變電路的正確性，并取得了較好的實驗結(jié)果