劉周成,洪 峰,萬(wàn)運(yùn)強(qiáng)

（南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,江蘇南京,210016）

0 引言

傳統(tǒng)隔離型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中常含有工作于高頻或工頻的變壓器，而這些變壓器的存在，使得系統(tǒng)功率變換級(jí)數(shù)增加，降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)增大了系統(tǒng)體積和重量。與之相比非隔離型結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器，且具有功率變換級(jí)數(shù)少、轉(zhuǎn)換效率高等性能優(yōu)勢(shì)，而且體積更小、成本更低，因此在光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中現(xiàn)多采用非隔離型結(jié)構(gòu)的逆變器。

雙buck逆變器（Dual Buck Inverter，DBI）是一種典型的非隔離型逆變器，該逆變器中續(xù)流二極管的應(yīng)用解決了橋式逆變器存在的橋臂直通問(wèn)題，其續(xù)流回路通過(guò)獨(dú)立的快恢復(fù)二極管而非性能較差的功率開(kāi)關(guān)器件的體二極管,顯著降低了因續(xù)流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)損耗，有效地提高了系統(tǒng)的效率和可靠性，但是，其橋臂輸出電壓只能是“+1”和“－1”兩種電平，電路雙極性調(diào)制方式工作，橋臂輸出電壓諧波含量大，需采用較高的開(kāi)關(guān)頻率和較大的濾波器件。

本文在雙buck電路的基礎(chǔ)上分析研究了一種非隔離型三電平雙buck光伏并網(wǎng)逆變器，保留了雙buck電路無(wú)橋臂直通、無(wú)功率器件體二極管反向恢復(fù)問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使其橋臂輸出為三電平單極性PWM波，有效地降低了逆變器輸出的諧波含量，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。

1 三電平雙buck光伏并網(wǎng)逆變器原理

三電平雙buck光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。Uin為逆變器輸入母線電壓，S1～S4是四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，D1、D2分別為串聯(lián)在S2、S4兩端的續(xù)流二極管，C1、C2為直流分壓電容，L1、L2為雙buck電路的濾波電感，us為光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)輸出端即電網(wǎng)電壓。三電平雙buck光伏并網(wǎng)逆變器采用半周期工作模式，在輸出并網(wǎng)電流正半周內(nèi)，由S1、D1、L1構(gòu)成的buck I電路工作，buck II電路不工作；在輸出并網(wǎng)電流負(fù)半周期內(nèi)，由S3、D2、L2構(gòu)成的buck II電路工作，buck I電路不工作。

圖1 三電平雙buck光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)銯ig.1 Topology of three-1evel dual buck photovoltaic grid-connected inverter

逆變器仿真時(shí)序如圖2所示。us為輸出并網(wǎng)電壓，uA、uB分別為逆變器橋臂A、B兩點(diǎn)電壓，iL為輸出并網(wǎng)電流，iL1、iL2分別為電感L1、L2上電流。iL等于兩電感上電流之和，即iL=iL1+ iL2。具體工作模態(tài)如圖3所示。

圖2 三電平雙buck并網(wǎng)逆變器工作時(shí)序圖Fig.2 Key waves of three-1evel dual buck photovoltaic grid-connected inverter

（1）當(dāng)輸出并網(wǎng)電壓us大于零時(shí)，電感L2上電流iL2=0，iL=iL1>0，buck I電路工作，buck II 電路不工作，電路包含兩個(gè)工作模態(tài)。

工作模態(tài)1：如圖3(a)所示，S1、S2開(kāi)通，S3、S4斷開(kāi)，此時(shí)C1放電，uC1下降，由于uC2=Uin/2-uC1，所以u(píng)C2上升，橋臂A點(diǎn)輸出電壓uA=+Uin/2，輸出電流iL=iL1，線性上升。

工作模態(tài)2：如圖3(b)所示，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，S3、S4斷開(kāi)，C1、C2兩端電壓uC1、uC2保持不變，橋臂A點(diǎn)輸出電壓uA=0，電感電流iL1通過(guò)D1續(xù)流，線性下降。

（2）當(dāng)輸出并網(wǎng)電壓us小于零時(shí)，電感L1上電流iL1=0，iL=iL2<0，buck I電路不工作，buck II 電路工作。電路包括兩個(gè)工作模態(tài)：

工作模態(tài)3：如圖3(c)所示，S1、S2斷開(kāi)，S3、S4導(dǎo)通，此時(shí)C1放電導(dǎo)致電壓uC2下降，由于uC1=Uin/2-uC2，所以u(píng)C1上升，橋臂B點(diǎn)輸出電壓uB=-Uin/2，輸出電流iL=iL2線性上升。

工作模態(tài)4：如圖3(d)所示，S1、S2斷開(kāi)，S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通，C1、C2兩端電壓uC1、uC2保持不變，橋臂B點(diǎn)輸出電壓uB=0，電感電流iL2通過(guò)D2續(xù)流，線性下降

圖3 工作模態(tài)Fig.3 Working modes

2 逆變器控制分析

光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是使逆變電路的輸出為穩(wěn)定的、與電網(wǎng)電壓同頻同相且低總諧波失真（THD）、高質(zhì)量的正弦波電流。逆變器采取的控制方式根據(jù)其控制的目標(biāo)類(lèi)型分為電壓控制和電流控制兩種方式，本文采用電流控制的方式。通過(guò)控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，使其與電網(wǎng)電壓同頻、同相即可達(dá)到并網(wǎng)逆變器電流源與電網(wǎng)電壓源并聯(lián)運(yùn)行的目的。此外，兩輸入電容存在電壓不均衡問(wèn)題，可根據(jù)輸入電容上存在的電壓偏差信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)調(diào)節(jié)濾波電感上的電流，使其產(chǎn)生的一部分電流平衡兩輸入電容上電壓，從而解決均壓?jiǎn)栴}，故控制中加入均壓環(huán)。圖4為三電平雙buck并網(wǎng)逆變器的控制框圖。

開(kāi)關(guān)管S2、S4處于工頻工作狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，即當(dāng)電網(wǎng)鎖相同步基準(zhǔn)iref>0時(shí)，開(kāi)關(guān)管S2開(kāi)通，S4關(guān)斷；當(dāng)iref<0時(shí)，開(kāi)關(guān)管S4開(kāi)通，S2關(guān)斷。在單相三電平逆變器中，單極性SPWM調(diào)制的方案已得到成功應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)證可有效提高逆變器輸出電壓及電源電流諧波的性能，故本文在逆變電路采用單極性倍頻SPWM調(diào)制的方案。控制過(guò)程具體如下：對(duì)輸入電容C2上的電壓進(jìn)行采樣，得到的電壓值與母線電壓的一半進(jìn)行相減后得到表征輸入電容C1、C2上不均壓程度的誤差信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行比例誤差放大得到ie；電網(wǎng)電壓經(jīng)鎖相環(huán)鎖相并進(jìn)行相關(guān)采樣，光伏陣列完成 MPPT后與之處理得到逆變器的并網(wǎng)電流基準(zhǔn)，與ie相減后得到實(shí)際的電流環(huán)基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)與逆變器輸出并網(wǎng)電流的反饋信號(hào)iL完成PI處理后進(jìn)行單極性倍頻SPWM調(diào)制，對(duì)得到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行邏輯處理后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路送至相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管，最終完成該并網(wǎng)逆變器的控制。

3 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)具體技術(shù)指標(biāo)中允許可承受最大輸入電容上電壓偏差，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)電容值。此外，在光伏并網(wǎng)逆變器采取的單極性倍頻SPWM調(diào)制方案中，輸出濾波電感的作用是濾除功率開(kāi)關(guān)器件在整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中所產(chǎn)生的高頻電流成分，并且能夠有效地抑制輸出并網(wǎng)電流的波動(dòng)，從而降低其總諧波失真（THD）、提高并網(wǎng)質(zhì)量。因此逆變器中電感量的選取與系統(tǒng)的工作性能有直接關(guān)系。

當(dāng)輸出電壓uo即電網(wǎng)電壓處于正半周期時(shí)，并網(wǎng)電流iL=iL1，iL2=0，電感L1上的電流與電壓的關(guān)系如下：

其中式（1）中uL1(t)為電感L1兩端的電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓處于峰值時(shí)，逆變器輸出并網(wǎng)電流的紋波最大，此時(shí)刻記為t1，T為高頻開(kāi)關(guān)周期，D為此開(kāi)關(guān)周期的占空比。再由電感伏秒平衡原則可得到：

由上，當(dāng)直流母線輸入電壓Uin=720V，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率f為60KHz，電網(wǎng)電壓峰值usmax=×220=311V時(shí)，逆變器額定的輸出功率為500W，其輸出峰值紋波電流iL1max=(500/220) ×=3.2136A，實(shí)際中逆變器并網(wǎng)電流紋波需保證ΔiL1<20%·iL1max，因此由式（5）可得：輸出電感應(yīng)滿足L1>1.0977 mH。綜合考慮，最終選用感值為1.5mH的濾波電感。電感L2的選取方法與之類(lèi)似，在此不贅述。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

參照仿真參數(shù)搭建三電平雙buck并網(wǎng)逆變器原理樣機(jī)，具體參數(shù)如下：主電路功率開(kāi)關(guān)管采用1MBH60D-100A，功率二極管采用DSEI60-06A，輸入電容取C1=C2=800uF，輸出濾波電感L1=L2=1.5mH，輸入母線電壓為Ud=380V，輸出單相并網(wǎng)電壓為us=220VAC/50Hz。逆變器額定輸出功率為500W。

圖4 三電平雙buck并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.4 Control block diagram of Three-1evel Dual Buck Photovoltaic Grid-connected Inverter

圖5 三電平雙buck并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experiment waves of Three-1evel Dual Buck Photovoltaic Grid-connected Inverter

實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示：us為電網(wǎng)電壓，iL、uA分別為逆變器輸出并網(wǎng)電流和橋臂A點(diǎn)的電壓，可以看出：當(dāng)電網(wǎng)電壓為正半周時(shí)，buck I電路工作，開(kāi)關(guān)管S1有驅(qū)動(dòng)信號(hào)u1，橋臂A點(diǎn)的輸出電壓uA與之對(duì)應(yīng)，有+Uin/2和0兩個(gè)電平。當(dāng)電網(wǎng)電壓為負(fù)半周時(shí)，buck I電路不工作，開(kāi)關(guān)管S1驅(qū)動(dòng)信號(hào)u1為0，此時(shí)橋臂A點(diǎn)的輸出電壓uA等于電網(wǎng)電壓。由此可進(jìn)一步驗(yàn)證了三電平雙buck并網(wǎng)逆變器的可行性與正確性。

5 結(jié)論

本文研究了一種非隔離型的三電平雙buck型光伏并網(wǎng)逆變器，分析了該電路的詳細(xì)工作過(guò)程并對(duì)其進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論分析以及原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同表明該逆變器保留了雙buck電路無(wú)橋臂直通的優(yōu)點(diǎn)，避免了電流通過(guò)性能較差的功率開(kāi)關(guān)器件（體二極管），能有效降低逆變器輸出的諧波含量，提高直流端電壓的利用率，可廣泛運(yùn)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展前景。

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