单相双Buck三电平逆变器设计方案

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，即工作在负半周时，Buck2电路工作，功率开关管 S1,S3截至，S2,S4导通，iL2=0,此时电压uA=ug,本闭环系统采集电容信号，实现输入均压控制，因此输入电容UC1和UC2保持稳定。

5.总结

本文分析了传统桥式逆变电路和新型三电平双Buck逆变电路的拓扑结构，分析了普通双Buck逆变 电路漏电流的产生并提出了一种新型的单相双Buck光伏逆变器的方案，这种改进型的三电平双Buck逆变电路对于逆变桥臂与地之间的寄生电容通过分压电容 进行电压钳制，对于电网频率的低频率变化，抑制了漏电流的大小。针对新型的三电平双Buck逆变器电路制定相应的控制策略，通过采样电压信号，实现最大功 率跟踪和均压控制。最后通过仿真波形，验证三电平双Buck逆变电路的正确性，并取得了较好的实验结果