一种新型的单相双Buck光伏逆变器的设计方案 高频变压器, 太阳能, 逆变器, 成本, 隔离

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引言

太阳能作为一种无污染的能源，有关其利用的研究一直是人们研究的热点。为了提高太阳能的电能转化效率，光伏并网逆变器的研究是光伏利用的重点。对于光伏并网逆变器，其拓扑结构按照变压器可以分为：

高频变压器型，工频变压器型和无变压器型。高频变压器体积小，重量轻，效率高，但是控制较为复杂；工频变压器体积大，重量重，结构简单；为了能够提高光伏并网系统的效率和降低成本，在没有特殊要求的时候可以采用无变压器型的拓扑结构。但是，由于没有变压器，输入输出没有电气隔离，光伏模块的串并联构成的光伏阵列对地的寄生电容变大，而且该电容受外界环境影响较大，由此产生的共模电流将会很大，对于漏电流的研究，现已有多种解决方案：当全桥逆变器采用单极性调制方式时，存在一开关频率脉动的共模电压，而采用双极性调制方式时，共模电压不变，其幅度等于母线电压的一半；在半桥逆变器中，对地寄生电容电压亦被输入分压大电容钳位在母线电压的一半，基本保持不变。这些都是基于桥式电路解决漏电流的方法，近年来出现了一种双Buck逆变器结构，这种逆变器具有无桥臂直通，体二极管不工作，双极性工作等突出特点，因而应用广泛。本文提出一种新型的三电平双Buck逆变器的方案，并置定相应的控制策略实现最大功率点的跟踪和并网控制。

三电平双Buck逆变器的总体方案

如图1所示，为双Buck逆变器的电路拓扑结构图，双Buck逆变器采用的是半周期工作模式，当输出电流在正半周时，功率管S1、续流二极管D1、滤波电感L1和滤波电容Cf共同构成了Buck1电路。当输出电流为负半周时，功率管S2、续流二极管D2、滤波电感L2和滤波电容Cf共同组成Buck2电路，两条Buck电路不同时工作。相比于传统的桥式逆变电路，电路无桥臂直通的可能，体二极管也不用参与工作过程。但是，这种情况下，功率管S1和S2在工作的半个周期内所承受的电压时直流母线电压Ud的两倍。由于其桥臂本身输出的电压波形依然是双极性的，所以其谐波含量依旧很大。


通过在双Buck逆变器拓扑结构上进行优化，用两个功率管和快恢复型二极管的组合开关电路(即S1&S3&D3和S4&S2&D4)替代原先的桥臂上的功率管。得到如图2所示的新型三电平双Buck逆变拓扑结构。


这种新型的三电平双Buck逆变器依据是半周期工作模式：当输出电感电流iL为正半周时，Buck1电路工作，当电感电流为负半周时，Buck2电路工作。其具体的工作模态如表1所示。经过优化的三电平双Buck逆变器由于将其对地的寄生电容电压牵制在输入电压的一半，所以其漏电流为零。


控制策略分析

为了能够实现最大功率点跟踪和实现输出电压电流的控制，整个控制采用复合控制策略，包括均压控制环，电流控制环和电流基准环如图3所示。


具体工作流程为：通过采集电容C1上的电压UC1，计算母线电压的一半得到UZ=Ubus/2；分别计算UC1与Uz的差值，将差值输入到均压环的调节器，输出控制电流变化量△i；母线电压经过最大跟踪环节取得入网基准电流ig，将基准电流iL减去控制电流变化量△i和入网电流ig，将最后求的的电流经过比例积分误差放大电路，与三角波相交并通过控制逻辑生成争先脉宽调制信号（SPWM波），通过输出的SPWM波形控制开关管的导通关断，实现电压调节功能。式中c1 U和c2 U为电容C1和电容C2的电压初始大小，假设两电容电压大小相等，则可得两电容电压的偏差大小为：

仿真和验证

对于上述的闭环系统，设置参数并进行仿真，具体参数设置如下：输入直流电压Ud=720V，输入电容C1=C2=1100uF，输出滤波电感L1=L2=750uH，预计输出的交流电压Uo=220V，频率为50Hz，额定输出功率Po=1KW.


具体的仿真结果如图4所示，ug表示为电网电压，iL为电感电流，Uc1为电容C1的电压，UC2为电容C2的电压，V1~V4分别表示逆变器对于功率开关管S1~S4的控制信号。具体的工作情况：当iL大于零，即工作在正半周，Buck1电路工作，功率开关管S1，S3导通，S2、S4截至，iL2=0，此时电压uB=ug；当iL小于零，即工作在负半周时，Buck2电路工作，功率开关管S1、S3截至，S2，S4导通，iL2=0，此时电压uA=ug，本闭环系统采集电容信号，实现输入均压控制，因此输入电容UC1和UC2保持稳定。

总结

本文分析了传统桥式逆变电路和新型三电平双Buck逆变电路的拓扑结构，分析了普通双Buck逆变电路漏电流的产生并提出了一种新型的单相双Buck光伏逆变器的方案，这种改进型的三电平双Buck逆变电路对于逆变桥臂与地之间的寄生电容通过分压电容进行电压钳制，对于电网频率的低频率变化，抑制了漏电流的大小。针对新型的三电平双Buck逆变器电路制定相应的控制策略，通过采样电压信号，实现最大功率跟踪和均压控制。最后通过仿真波形，验证三电平双Buck逆变电路的正确性，并取得了较好的实验结果。