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一种新型的单相双Buck光伏逆变器方案

时间:02-08 来源:互联网 点击:

摘要:为了提高光伏并网逆变器的效率,本文以无变压器式的光伏并网逆变器为研究对 象,研究其产生漏电流的原因,改进逆变器原有的拓扑结构,提出了一种新型的单相双Buck逆变器方案,该方案中的逆变器是一种改进型的三电平逆变器,适合 中高压大功率场合,具有减少了输出电压的谐波等特点。本文对于逆变器控制策略,提出了电压电流的双闭环控制策略,最后设置具体参数,进行波形仿真,验证控 制策略的正确性。

  1.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。

  2.三电平双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。

  

  3.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:

  

  

  4.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

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