用于光伏应用的Buck-Boost共模无变压器逆变器

2022-03-04黄友锐

绿色科技 2022年2期

于耀，黄友锐

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232000)

1 引言

化石燃料的迅速消耗以及人类生活方式对电力能源的日益依赖，促使人们开始大规模采用太阳能和风能转换系统。太阳能电池板产生的电力是直流电，为了实际应用，应该将其转换成交流电[1]，这是通过高效的逆变电路实现的。传统上，太阳能逆变器使用变压器来提供电气隔离和电压水平匹配。然而，这导致了规模、成本和体积的增加。因此，研究人员提出了效率更高、成本更低、体积更小的无变压器拓扑结构[2]。

变压器的移除给电网供电光伏系统带来了一些问题，如漏地电流和直流注入电网。因此，为了克服这些问题，本文讨论各种无变压器拓扑。从根本上说，漏地电流的产生是由于在光伏阵列的寄生电容上出现高频电压[3]。为了减轻这一问题，本文列出了各种解决方案。

2 变换器拓扑

笔者提出的拓扑结构由两个开关降压变换器与常规四开关逆变器级联组成，如图1所示。由于直流-直流变换器的逆变特性，太阳能阵列连接方向上，P为正极，N为负极。开关S1和S2同时工作，即它们同时闭合和打开。将S3切换到S6，形成传统的四开关单相逆变器。

图1 提出Buck-Boost共模无变压器逆变器

3 拓扑结构的操作和控制

降压升压变换器的工作原理与常规变换器相同，对直流电感采用伏安平衡可以得到相同的增益表达式，电路参数的选择使直流-直流变换器始终工作在深连续导通模式下[4]。图2和图3显示了该变换器的工作状态，其优势在于，虽然直流侧和交流侧之间存在连接，但交流侧电流不会干扰直流侧的运行。同样的连接导致太阳能阵列的寄生电容出现恒压现象。为简便起见，将并网逆变器建模为电流接收器。逆变器的运行状态与传统逆变器完全相同。在图2中，当两个开关都打开时，电感电流线性上升，能量储存在其中。由于总电压的阻塞，两个二极管都反向偏置。在图3中，当开关关闭时，二极管打开，电感在直流链路电容中转储能量。

图2 运行状态1(适用于双开关dc-dc变换器)

图3 运行状态2(适用于双开关dc-dc变换器)

系统的控制目标如下:光伏阵列电压需要处于其MPP(最大功率点)值，这是由最大功率点跟踪控制器决定的。同时，逆变器的直流链路电压需要控制在大于电网电压峰值的范围内，以保证单位功率因数运行。

为了实现这些目标，直流链路电压由逆变器控制，光伏电压由降压升压变换器控制。PV电压和PV电流被感知并作为输入给MPPT块，生成降压升压变换器的参考值。逆变器的外电压控制回路采用比例积分(PI)控制器，该控制器产生电流基准的同相分量[5]。针对电流内环设计了合适的PI控制器来控制电网电流，参考信号是由内部电流控制器产生的，并给PWM模块。这样就产生了S1和S2的开关信号。

同样，逆变器的控制也采用了电压外环和电流内环的级联控制。一个恒定的400 V参考是作为电压控制器的参考；PI控制器用于控制电压，为内环电流提供参考。这个基准乘以一个与电网电压同相位的单位正弦信号，该参考电流与实际电流进行比较，并给出比例谐振(PR)控制器[6]。这个PR控制器是调谐的，以提供非常高的增益在基频。因此电网电流被严格调节到参考电压，该控制器为逆变器开关(S3到S6)产生调制信号。

控制框图如图4所示；PR控制器的bode图如图5所示。PR控制器是非理想的，可以看出，PR控制器在基频上提供了33 dbB高增益。PR控制器使用的参数如表1所示。

表1 比例谐振控制器参数

图4 提出的拓扑的闭环控制技术

4 效率的计算

太阳能逆变器的效率在能源均等化成本的决定中起着至关重要的作用[7]。因此，分析所提出的电路拓扑结构的效率至关重要。对于逆变开关，采用标准制造商的650 V 50 A IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件。可以看出，当PV电压为600 V时，S1、S2和D1、D2上的电压应力超过650 V。为此，选择了1200 V 50 A igbt和二极管,对buck-boost变换器的损耗进行估计;为了计算逆变器的损耗，计算通过开关的平均电流和均方根电流,这些电流，连同预期占空比，被用来估计导通损耗[8]。根据数据表中给出的(Eon)和(Eoff)值估计开关损耗;图6显示了所提出的逆变器在恒定情况下的效率功率2500 W,PV电压在200～600 V之间变化。

图5 用于平均电流控制的比例谐振控制器的Bode图

图6 计算了光伏电压200～600 V时，逆变器在恒功率 2.5 kW时的效率

5 仿真结果与讨论

为了验证所提概念的可行性，在MATLAB/Simulink软件环境下进行了仿真。

情况1(Boost模式工作):电路工作在Boost模式下，光伏阵列电压从200 V升压到400 V。额定功率2.5 kW，按单位功率因数馈入电网。图7为升压模式成功运行时的电网电流和电网电压；图8显示了当升压时直流-直流变换器令人满意的运行；图9显示了情况1的泄漏性能；图10为情况1的电网电流频域分析，电网电流失真(1.99%)完全在IEEE 519(5%)规定的范围内。由于共模布置，接地漏电流(5 mA)实际上可以忽略不计，完全符合标准规定的要求[9]。

情况2(Buck模式工作):结构工作在Buck模式下，PV电压从600 V降低到400 V,额定功率2.5 kW，按单位功率因数馈入电网。如图11所示为buck模式成功运行时的电网电流和电网电压;图12显示了在buck模式下直流-直流变换器令人满意的运行;图13显示了情况2的泄漏性能;图14为情况2的电网电流频域分析。栅极电流失真(1.86%)完全在IEEE519(5%)规定的范围内,由于共模布置，对地漏电流(5 mA)非常小。

图7 用于升压模式操作的电网电压、逆变器电压和电网电流(情况1)

图8 升压模式运行时直流母线电容器C2上的电压和光伏阵列上的电压(情况1)

图9 升压模式运行时太阳能电池阵列寄生电容上的电压和接地泄漏电流(情况1)

图10 升压模式运行时电网电流的FFT结果(情况1)

6 结论

本文提出了一种新型的由直流链路降压和升压运行的共模无变压器电网馈电拓扑。其优点在于将两个开关升压变换器与四个开关逆变器耦合在一起，从而使寄生电容产生恒定电压，这导致非常低的对地漏电流[10]。由于电网侧看到的前端是传统的四开关逆变器，因此该结构具有较高的转换效率和注入无功功率的能力,详细说明了所提拓扑结构的运行控制。计算结果表明，在PV电压变化较大的情况下，该电路仍具有较高的效率,仿真结果也验证了该电路的有效性。