雙Buck光伏逆變器方案如何實(shí)現并網(wǎng)控制？

1.引言

太陽(yáng)能是一種不受污染的能源，是人們一直研究的熱點(diǎn)，更希望提高它的電能轉化效率，光伏并網(wǎng)逆變器正是光伏利用的研究重點(diǎn)。光伏并網(wǎng)逆變器其拓撲結構按照變壓器分為：高頻變壓器、工頻變壓器、無(wú)變壓器。高頻變壓器體積小，重量輕，效率高，但控制起來(lái)較為復雜；工頻變壓器體積大，重量沉，結構簡(jiǎn)單；為了提高光伏并網(wǎng)系統的效率并降低成本，在沒(méi)有特殊要求的情況下可以采用無(wú)變壓器型的拓撲結構。

但是，由于沒(méi)有變壓器，輸入輸出沒(méi)有電氣隔離，光伏模塊的串并聯(lián)構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(huì )很大，對于漏電流的研究，現已有多種解決方案：當全橋逆變器采用單極性調制方式時(shí)，存在一開(kāi)關(guān)頻率脈動(dòng)的共模電壓，而采用雙極性調制方式時(shí)，共模電壓不變，其幅度等于母線(xiàn)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(xiàn)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(lái)出現了一種雙Buck逆變器結構，這種逆變器具有無(wú)橋臂直通，體二極管不工作，雙極性工作等突出特點(diǎn)，因而應用廣泛。本文提出一種新型的三電平雙Buck逆變器的方案，并制定相應的控制策略實(shí)現最大功率點(diǎn)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逆變器的電路拓撲結構圖，雙Buck逆變器采用的是半周期工作模式，當輸出電流在正半周時(shí)，功率管S1、續流二極管D1、濾波電感L1和濾波電容Cf共同構成了Buck1電路。當輸出電流為負半周時(shí)，功率管S2、續流二極管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(shí)工作。相比于傳統的橋式逆變電路，電路無(wú)橋臂直通的可能，體二極管也不用參與工作過(guò)程。但是，這種情況下，功率管S1和S2在工作的半個(gè)周期內所承受的電壓時(shí)直流母線(xiàn)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(guò)在雙Buck逆變器拓撲結構上進(jìn)行優(yōu)化，用兩個(gè)功率管和快恢復型二極管的組合開(kāi)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逆變拓撲結構。

這種新型的三電平雙Buck逆變器依據是半周期工作模式：當輸出電感電流iL為正半周時(shí)，Buck1電路工作，當電感電流為負半周時(shí)，Buck2電路工作。其具體的工作模態(tài)如表1所示。經(jīng)過(guò)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

為了能夠實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤和實(shí)現輸出電壓電流的控制，整個(gè)控制采用復合控制策略，包括均壓控制環(huán)，電流控制環(huán)和電流基準環(huán)如圖3所示。

具體工作流程為：通過(guò)采集電容C1上的電壓UC1，計算母線(xiàn)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)的調節器，輸出控制電流變化量△i；母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)最大跟蹤環(huán)節取得入網(wǎng)基準電流ig，將基準電流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(guò)比例積分誤差放大電路，與三角波相交并通過(guò)控制邏輯生成爭先脈寬調制信號(SPWM波)，通過(guò)輸出的SPWM波形控制開(kāi)關(guān)管的導通關(guān)斷，實(shí)現電壓調節功能。

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，設置參數并進(jìn)行仿真，具體參數設置如下：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(kāi)關(guān)管S1~S4的控制信號。具體的工作情況：當iL大于零，即工作在正半周，Buck1電路工作，功率開(kāi)關(guān)管S1、S3導通，S2、S4截至，iL2=0，此時(shí)電壓uB=ug；當iL小于零，即工作在負半周時(shí)，Buck2電路工作，功率開(kāi)關(guān)管S1、S3截至，S2、S4導通，iL2=0，此時(shí)電壓uA=ug，本閉環(huán)系統采集電容信號，實(shí)現輸入均壓控制，因此輸入電容UC1和UC2保持穩定。

5.總結

基于傳統橋式逆變電路和新型三電平雙Buck逆變電路的拓撲結構，通過(guò)普通雙Buck逆變電路漏電流的產(chǎn)生提出一種新型單相雙Buck光伏逆變器方案，這種改進(jìn)方案對于逆變橋臂與地之間的寄生電容通過(guò)分壓電容進(jìn)行電壓鉗制，對于電網(wǎng)頻率的低頻率變化抑制漏電流的大小。針對新型的三電平雙Buck逆變器的電路制定相應控制策略，通過(guò)對采樣電壓信號的實(shí)施，實(shí)現最大功率的跟蹤與均壓控制，最后，通過(guò)仿真波形驗證三電平雙Buck逆變電路的實(shí)用性，在實(shí)驗中取得良好的結果。