雙Buck光伏逆變器方案如何實現(xiàn)并網(wǎng)控制？

1.引言

太陽能是一種不受污染的能源，是人們一直研究的熱點，更希望提高它的電能轉(zhuǎn)化效率，光伏并網(wǎng)逆變器正是光伏利用的研究重點。光伏并網(wǎng)逆變器其拓撲結(jié)構(gòu)按照變壓器分為：高頻變壓器、工頻變壓器、無變壓器。高頻變壓器體積小，重量輕，效率高，但控制起來較為復(fù)雜；工頻變壓器體積大，重量沉，結(jié)構(gòu)簡單；為了提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的效率并降低成本，在沒有特殊要求的情況下可以采用無變壓器型的拓撲結(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，并制定相應(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逆變器的電路拓撲結(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逆變器拓撲結(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逆變拓撲結(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)

基于傳統(tǒng)橋式逆變電路和新型三電平雙Buck逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)，通過普通雙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，這種改進方案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(yīng)控制策略，通過對采樣電壓信號的實施，實現(xiàn)最大功率的跟蹤與均壓控制，最后，通過仿真波形驗證三電平雙Buck逆變電路的實用性，在實驗中取得良好的結(jié)果。