用于光伏應用的Buck-Boost共模無變壓器逆變器

于 耀，黃友銳

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232000)

1 引言

化石燃料的迅速消耗以及人類生活方式對電力能源的日益依賴，促使人們開始大規(guī)模采用太陽能和風能轉換系統(tǒng)。太陽能電池板產生的電力是直流電，為了實際應用，應該將其轉換成交流電[1]，這是通過高效的逆變電路實現的。傳統(tǒng)上，太陽能逆變器使用變壓器來提供電氣隔離和電壓水平匹配。然而，這導致了規(guī)模、成本和體積的增加。因此，研究人員提出了效率更高、成本更低、體積更小的無變壓器拓撲結構[2]。

變壓器的移除給電網供電光伏系統(tǒng)帶來了一些問題，如漏地電流和直流注入電網。因此，為了克服這些問題，本文討論各種無變壓器拓撲。從根本上說，漏地電流的產生是由于在光伏陣列的寄生電容上出現高頻電壓[3]。為了減輕這一問題，本文列出了各種解決方案。

2 變換器拓撲

筆者提出的拓撲結構由兩個開關降壓變換器與常規(guī)四開關逆變器級聯組成，如圖1所示。由于直流-直流變換器的逆變特性，太陽能陣列連接方向上，P為正極，N為負極。開關S1和S2同時工作，即它們同時閉合和打開。將S3切換到S6，形成傳統(tǒng)的四開關單相逆變器。

圖1 提出Buck-Boost共模無變壓器逆變器

3 拓撲結構的操作和控制

降壓升壓變換器的工作原理與常規(guī)變換器相同，對直流電感采用伏安平衡可以得到相同的增益表達式，電路參數的選擇使直流-直流變換器始終工作在深連續(xù)導通模式下[4]。圖2和圖3顯示了該變換器的工作狀態(tài)，其優(yōu)勢在于，雖然直流側和交流側之間存在連接，但交流側電流不會干擾直流側的運行。同樣的連接導致太陽能陣列的寄生電容出現恒壓現象。為簡便起見，將并網逆變器建模為電流接收器。逆變器的運行狀態(tài)與傳統(tǒng)逆變器完全相同。在圖2中，當兩個開關都打開時，電感電流線性上升，能量儲存在其中。由于總電壓的阻塞，兩個二極管都反向偏置。在圖3中，當開關關閉時，二極管打開，電感在直流鏈路電容中轉儲能量。

圖2 運行狀態(tài)1(適用于雙開關dc-dc變換器)

圖3 運行狀態(tài)2(適用于雙開關dc-dc變換器)

系統(tǒng)的控制目標如下:光伏陣列電壓需要處于其MPP(最大功率點)值，這是由最大功率點跟蹤控制器決定的。同時，逆變器的直流鏈路電壓需要控制在大于電網電壓峰值的范圍內，以保證單位功率因數運行。

為了實現這些目標，直流鏈路電壓由逆變器控制，光伏電壓由降壓升壓變換器控制。PV電壓和PV電流被感知并作為輸入給MPPT塊，生成降壓升壓變換器的參考值。逆變器的外電壓控制回路采用比例積分(PI)控制器，該控制器產生電流基準的同相分量[5]。針對電流內環(huán)設計了合適的PI控制器來控制電網電流，參考信號是由內部電流控制器產生的，并給PWM模塊。這樣就產生了S1和S2的開關信號。

同樣，逆變器的控制也采用了電壓外環(huán)和電流內環(huán)的級聯控制。一個恒定的400 V參考是作為電壓控制器的參考；PI控制器用于控制電壓，為內環(huán)電流提供參考。這個基準乘以一個與電網電壓同相位的單位正弦信號，該參考電流與實際電流進行比較，并給出比例諧振(PR)控制器[6]。這個PR控制器是調諧的，以提供非常高的增益在基頻。因此電網電流被嚴格調節(jié)到參考電壓，該控制器為逆變器開關(S3到S6)產生調制信號。

控制框圖如圖4所示；PR控制器的bode圖如圖5所示。PR控制器是非理想的，可以看出，PR控制器在基頻上提供了33 dbB高增益。PR控制器使用的參數如表1所示。

表1 比例諧振控制器參數

圖4 提出的拓撲的閉環(huán)控制技術

4 效率的計算

太陽能逆變器的效率在能源均等化成本的決定中起著至關重要的作用[7]。因此，分析所提出的電路拓撲結構的效率至關重要。對于逆變開關，采用標準制造商的650 V 50 A IGBT(絕緣柵雙極晶體管)器件?？梢钥闯?，當PV電壓為600 V時，S1、S2和D1、D2上的電壓應力超過650 V。為此，選擇了1200 V 50 A igbt和二極管,對buck-boost變換器的損耗進行估計;為了計算逆變器的損耗，計算通過開關的平均電流和均方根電流,這些電流，連同預期占空比，被用來估計導通損耗[8]。根據數據表中給出的(Eon)和(Eoff)值估計開關損耗;圖6顯示了所提出的逆變器在恒定情況下的效率功率2500 W,PV電壓在200～600 V之間變化。

圖5 用于平均電流控制的比例諧振控制器的Bode圖

圖6 計算了光伏電壓200～600 V時，逆變器在恒功率 2.5 kW時的效率

5 仿真結果與討論

為了驗證所提概念的可行性，在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下進行了仿真。

情況1(Boost模式工作):電路工作在Boost模式下，光伏陣列電壓從200 V升壓到400 V。額定功率2.5 kW，按單位功率因數饋入電網。圖7為升壓模式成功運行時的電網電流和電網電壓；圖8顯示了當升壓時直流-直流變換器令人滿意的運行；圖9顯示了情況1的泄漏性能；圖10為情況1的電網電流頻域分析，電網電流失真(1.99%)完全在IEEE 519(5%)規(guī)定的范圍內。由于共模布置，接地漏電流(5 mA)實際上可以忽略不計，完全符合標準規(guī)定的要求[9]。

情況2(Buck模式工作):結構工作在Buck模式下，PV電壓從600 V降低到400 V,額定功率2.5 kW，按單位功率因數饋入電網。如圖11所示為buck模式成功運行時的電網電流和電網電壓;圖12顯示了在buck模式下直流-直流變換器令人滿意的運行;圖13顯示了情況2的泄漏性能;圖14為情況2的電網電流頻域分析。柵極電流失真(1.86%)完全在IEEE519(5%)規(guī)定的范圍內,由于共模布置，對地漏電流(5 mA)非常小。

圖7 用于升壓模式操作的電網電壓、逆變器電壓和電網電流(情況1)

圖8 升壓模式運行時直流母線電容器C2上的電壓和光伏陣列上的電壓(情況1)

圖9 升壓模式運行時太陽能電池陣列寄生電容上的電壓和接地泄漏電流(情況1)

圖10 升壓模式運行時電網電流的FFT結果(情況1)

6 結論

本文提出了一種新型的由直流鏈路降壓和升壓運行的共模無變壓器電網饋電拓撲。其優(yōu)點在于將兩個開關升壓變換器與四個開關逆變器耦合在一起，從而使寄生電容產生恒定電壓，這導致非常低的對地漏電流[10]。由于電網側看到的前端是傳統(tǒng)的四開關逆變器，因此該結構具有較高的轉換效率和注入無功功率的能力,詳細說明了所提拓撲結構的運行控制。計算結果表明，在PV電壓變化較大的情況下，該電路仍具有較高的效率,仿真結果也驗證了該電路的有效性。

圖11 用于升壓模式操作的電網電壓、逆變器電壓和電網電流(情況2)

圖12 Buck模式下直流母線電容C2的電壓和光伏陣列的電壓(情況2)

圖13 Buck模式工作時太陽能陣列寄生電容與地漏電流之間的電壓(情況2)

圖14 buck模式下柵極電流的FFT結果(情況2)