一種新型的單相雙Buck光伏逆變器的設(shè)計(jì)方案
太陽(yáng)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(diǎn)。為了提高太陽(yáng)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(diǎn)。對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器,其拓?fù)浣Y(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(fù)雜;工頻變壓器體積大,重量重,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)候可以采用無變壓器型的拓?fù)浣Y(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(duì)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(duì)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(shí),存在一開關(guān)頻率脈動(dòng)的共模電壓,而采用雙極性調(diào)制方式時(shí),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(duì)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(diǎn),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,并置定相應(yīng)的控制策略實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤和并網(wǎng)控制。
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?fù)浣Y(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(shí),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(fù)半周時(shí),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(shí)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(gè)周期內(nèi)所承受的電壓時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化,用兩個(gè)功率管和快恢復(fù)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?fù)浣Y(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(shí),Buck1電路工作,當(dāng)電感電流為負(fù)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)過優(yōu)化的三電平雙Buck逆變器由于將其對(duì)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。
控制策略分析
為了能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的控制,整個(gè)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(jì)算母線電壓的一半得到UZ=Ubus/2;分別計(jì)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(zhēng)先脈寬調(diào)制信號(hào)(SPWM波),通過輸出的SPWM波形控制開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷,實(shí)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:
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