抑制漏電流：新型單相雙Buck光伏逆變器方案

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，其拓撲結(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型二極管的組合開關(guān)電路(即S1S3D3和S4S2D4)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：當輸出電感電流iL為正半周時，Buck1電路工作，當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)管的導通關(guān)斷，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能。

式中 c1U 和 c2U 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，預計輸出的交流電壓Uo=220V，頻率為50Hz，額定輸出功率Po=1KW。