一種非隔離型雙Buck光伏并網(wǎng)逆變器研究.docx

1、種非隔離型雙Buck光伏并網(wǎng)逆變器研究代云中，張榮飛，王一帆，顧述升(西'南石油大學(xué)，電氣信息學(xué)院，四川成都610500)摘要：為了抑制非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器(NPGCI)的共模漏電流，提出一種非隔離型雙Buck光伏并網(wǎng)逆變器(NDPGI)拓?fù)?。首先，使逆變器處于能使共模電壓保持恒定的半周期運(yùn)行模式。接著，對半周期運(yùn)行模式下NDPGI的運(yùn)行模態(tài)和共模漏電流進(jìn)行分析。之后，設(shè)計了采用滯環(huán)電流控制(HCC)的雙Buck光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，通過控制邏輯設(shè)計使NDPGI實現(xiàn)半周期運(yùn)行模式。最后，通過實驗驗證了NDPGI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性及其共模漏電流分析的正確性。關(guān)鍵詞：并網(wǎng)逆變器；共模電壓；滯

2、環(huán)電流控制中圖分類號：TM464文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號:1000-100X(2019)05-0053-04ResearchontheNon-isolatedDual-BuckPhotovoltaicGrid-connectedInverterDAIYun-zhong,ZHANGRong-fei,WANGYi-fan,GUShu-sheng(SouthwestPetroleumUniversitytChengdu610500,China)Abstract：Tosuppressthecommon-modeleakagecurrentofnon-isolatedphotovoltaicgrid-co

3、nnectedinverter(NPGCI),anovelnon-isolateddual-Buckphotovoltaicgrid-connectedinverter(NDPGI)topologyisproposed.Firstly,ahalf-cycleoperationmodecanmakethecommon-modevoltageconstantiscarriedout.Secondly,operatingmodesandcommon-modeleakagecurrentofNDPGIinthehalf-cycleoperationmodeareanalyzed.Thirdly,the

4、dual-Buckphotovoltaicgrid-connectedinvertersystemwithhysteresiscurrentcontroller(HCC)isdesigned.Meanwhile,thehalf-cycleoperationmodeisachievedbythedesignofcontrollogic.Finally,thecorrectnessofthenovelcircuittopologyandtheanalysisofcommon-modeleakagecurrentareverifiedbyexperimentalresults.Keywords:gr

5、id-connectedinverter；common-modevoltage；hysteresiscurrentcontrollerFoundationProject:SupportedbyNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2016YFF0203400)1引言NPGCI具有體積小、成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn)叫但因NPGCI沒有隔離變壓器來實現(xiàn)電氣隔離，使光伏電池板與電網(wǎng)間會形成閉合回路，當(dāng)共模電壓高頻變化時，會引發(fā)較大的共模漏電流。雙降壓式并網(wǎng)逆變器具有無器橋臂直通問題、開關(guān)管無需設(shè)置死區(qū)的特點(diǎn)，且交流側(cè)開關(guān)管仍存在直通問題。文獻(xiàn)

6、2提出了一種雙降壓全橋并網(wǎng)逆變器(DFGI)的方法，避免了交流側(cè)開關(guān)管的直通問題，但在續(xù)流階段，該拓?fù)洳⑽磳崿F(xiàn)直流側(cè)與電網(wǎng)的隔離，共模電壓不恒定，會導(dǎo)致DFGI存在漏電流，存在較大的缺陷。為此，提出一種NDPGI電路拓?fù)?，并設(shè)計相應(yīng)的滯環(huán)電流控制器，最后對其進(jìn)行實驗驗證。2NDPGI拓?fù)浼捌涔材Ｂ╇娏鞣治?.1NDPGI電路拓?fù)銷DPGI與DFGI拓?fù)潆娐啡鐖D1所示?；痦椖浚簢襾嶞c(diǎn)研發(fā)計劃(2016YFF0203400)定稿日期：2018-09-03作者簡介：代云中(1984-),男，四川瀘縣人，講師，研究方向為并網(wǎng)逆變器拓?fù)涔脴?gòu)。圖1NDPGI電路與DFGI電路拓?fù)銯ig.1NDPGIc

7、ircuitandDFGIcircuittopology在圖la中，Vl%為功率開關(guān)管；LhL2,L3及上為防止同橋臂開關(guān)管直通的電感；La,Lb為并網(wǎng)濾波電感；峋為電網(wǎng)電壓；VD|,VD2為獨(dú)立高性能第53卷第5期2019年5月二極管/,8,C,0分別為上、下橋臂的中點(diǎn)，C點(diǎn)為峋接地點(diǎn)；P,N分別為直流電源的正、負(fù)端。Gv為N端，G點(diǎn)間的寄生電容。與圖lb中的DFGI相比較,NDPGI在直流電壓正端加了一個%,但減少了2個高性能二極管VD3,VD4,并不會增加功率管的成本；網(wǎng)側(cè)采用心,兒雙電感濾波可消除并網(wǎng)逆變器差模電壓。NDPGI采用了6個電感，其中L】,或L,及心這4個獨(dú)立電感采用解耦集

8、成技術(shù)實現(xiàn)耦合，與DFGI相比，不會增加電感磁芯和繞組的體積與重量，使實用性得到保障。2.2共模漏電流的抑制為減小器件V.-V5的開關(guān)損耗，NDPGI以半周期模式運(yùn)行。V.,V4及V、于正半周期導(dǎo)通，V2,V,于負(fù)半周期導(dǎo)通。VlV$的驅(qū)動波形和橋臂輸出電壓UAB,Ucd波形如圖2所示。其中，UgV5在正半周期與"N相同，在負(fù)半周期與相同；在正半周期u此保持導(dǎo)通狀態(tài)，L無需續(xù)流回路；同理，在負(fù)半周期峋、3保持導(dǎo)通狀態(tài)，心無需續(xù)流回路。圖2V.-V,驅(qū)動波形及山,叱,波形Fig.2V|V5driverwaveformsanduABtUcowaveforms為分析逆變器的共模漏電流，需建

9、立NDPGI的共模諧振等效電路。由于Gv具有隔離直流電源的作用，因此基僅與交流電壓源有關(guān)。當(dāng)不考慮,對.的影響時，從圖2可知在正半周期時ViN及隊工作,V2,V3一直關(guān)斷，再結(jié)合圖la可得NDPGI在正半周期等效共模諧振電路如圖3a所示。同理，圖3b為負(fù)半周期等效共模諧振電路O其中，“AN,UfiN,Ucfi及UflN為逆變器A,B,C,O點(diǎn)與直流電源負(fù)極N之間的電壓。Zg為逆變器和電網(wǎng)間的接地阻抗，且Z*的容性成分遠(yuǎn)小于Ci,感性成分遠(yuǎn)小于La,Lb,在諧振電路僅起阻性衰減作用，因此在漏電流分析時可忽略。(a)正半周期(b)負(fù)半周期圖3共模諧振等效電路Fig.3Equivalentcircu

10、itofcommon-moderesonantVol.53,No.5May2019設(shè)始為NDPGI有效共模電壓，由文獻(xiàn)3得：5=8+(知2)0|+七)-(心+疆/心+心+心+扇(1)式中：K.為共模電壓，如=(%+如)/2；如為差模電壓，由式可知，當(dāng)如L尹如扁時，如不為零。因此，為消除如對共模漏電流遍的影響，令L+La=L4+LBo為便于分析，令L=L2=£3=£4,La-Lb,則式(1)可改寫為：=(+)/2(2)由圖3可知，>可表示為：婦也(3)結(jié)合式(2),(3)可知，若皿件"於在正半周期保持恒定，則能有效抑制正半周期的3。同理，分析圖3b可得負(fù)半周期

11、的為：5=如=(“6+妃)/2(4)因此，若“G+Um在負(fù)半周期保持恒定，則能有效抑制負(fù)半周期的遍。3NDPGI工作原理與共模漏電流分析為分析NDPGI在正、負(fù)半周期的工作情況，設(shè)入網(wǎng)電流A在正半周期從4點(diǎn)流向8點(diǎn)時為正，玷在負(fù)半周期從C點(diǎn)流向D點(diǎn)時為正。根據(jù).的方向和VlVs的開關(guān)情況，可得NDPGI在一個周期內(nèi)的4種工作模態(tài)。模態(tài)1當(dāng)>0,V,V4及V5導(dǎo)通,V2,V3關(guān)斷時，U&,Vs,Vi,L】,LaM，Lb,L4及V4構(gòu)成正向充電閉合回路，祐正向增加，即：U4N=U4/?=i/<fc,UflN=0(5)將式(5)第2,3式代入式(2)中，可得模態(tài)1的以為:(%+如

12、)/2=(班+0)/2=i/J2(6)模態(tài)2當(dāng)婦>0,V】導(dǎo)通,V2,V3,V4,V5關(guān)斷時島，心和VD?構(gòu)成正向放電續(xù)流回路,小正向減小。續(xù)流通路不通過性能較差的體二極管，減小了反向恢復(fù)損耗，實現(xiàn)了逆變器在續(xù)流階段電網(wǎng)與直流電壓的隔離，可提高逆變器的效率和可靠性，可知Uab=qo當(dāng)V4,V5為相同類型的開關(guān)管時,V4,V5的電壓應(yīng)力相同，即：Uw=Uv5(7)式中：V4與0V5分別為V4與V5兩端電壓。由基爾霍夫電壓定律(KVL)可得“AN,"曲為：UAN=U&-Uvs,Ubn=Uv4,皿N=UfiN(8)聯(lián)立式(7),(8),即：u-ubh=UJ2(9)正半周期負(fù)半

13、周期表1NDPGI運(yùn)行模態(tài)與.Table1NDPGIrunningmodeandum5jinn.V.V4jinn,jp圖4滯環(huán)電流控制的NDPGIFig.4HysteresiscurrentcontrolledNDPGI/(5ms/格)圖5峋和波形Fig.5Waveformsofutandi.將式(9)代入式(2)可得模態(tài)2的虬為：u(Uan+Ugs)/2=U陽2(10)模態(tài)3當(dāng)<O,V2,V3及V5導(dǎo)通，V|,V關(guān)斷時，VsM,如婦及V2構(gòu)成反向充電閉合回路,*負(fù)向增加，即：Ucd=S,UcN=0t(11)將式(11)第2,3式代入式(4)可得到模態(tài)3的婦為：站=(瞄+蜘)/2=(0+

14、/&)/2=震2(12)模態(tài)4當(dāng)<0,V3導(dǎo)通,V,V2,V4,V5關(guān)斷時，峋和么構(gòu)成反向放電續(xù)流回路,*負(fù)向減小，實現(xiàn)了逆變器在負(fù)向續(xù)流階段電網(wǎng)與直流電壓的隔離，得”8=0。當(dāng)與V?為相同類型的開關(guān)管時，¥與V2的電壓應(yīng)力相同，即：Uvs=Uw(13)式中：Uw和g分別為開關(guān)管V,與V2兩端電壓。由KVL可得：Uai=U&-Uvs,化CN=V2,(14)聯(lián)立式(13),(14)可得為：5=如=如2(15)將式(15)代入式(4)可得模態(tài)4的久為：U瑚(g+u渝12=UJ2(16)表1為NDPGI的工作模態(tài)及共模電壓。其中4個模態(tài)的兒保持恒定且為：UtUgU溫2

15、(17)根據(jù)式(3)可知，所提NDPGI拓?fù)湓诎胫芷谶\(yùn)行模式下可有效抑制逆變器存在的福。4控制策略HCC具體響應(yīng)快，可實現(xiàn)自動調(diào)整開關(guān)頻率，以產(chǎn)生足夠大的偏置電流，能自動對失真的輸出電流進(jìn)行校正。因此采用HCC對NDPGI進(jìn)行控制，如圖4所示。HCC的滯環(huán)環(huán)寬為H分別為正半周期與負(fù)半周期電感電流；L為并網(wǎng)電流參考信號，為L的幅值，。為的相位，可通過鎖相環(huán)(PLL)電路檢測臨得到。將L與零信號進(jìn)行比較得到V,與V3驅(qū)動信號。當(dāng)iQ0,M一直處于導(dǎo)通狀態(tài),i«=O,V2,V3保持關(guān)斷。當(dāng)L>0且M>L+h時，VVs以相同高頻驅(qū)動信號關(guān)斷&正向減?。划?dāng)婦>0且訂&

16、lt;5時,V4,V5以相同高頻驅(qū)動信號導(dǎo)通q正向增加；當(dāng)l<o,V3保持導(dǎo)通狀態(tài),ix=o,v1,v4保持關(guān)斷；當(dāng)L<0且l-a時,v2,v5以相同高頻驅(qū)動信號關(guān)斷，訪反向減??；當(dāng)<0且-iB>ih時,v2,v5以相同高頻驅(qū)動信號開通，姑反向增加。5實驗驗證為了驗證理論研究和控制策略的正確性，搭建實驗樣機(jī)進(jìn)行驗證，電路參數(shù)如下：以=360V；(/m=220V；Pw=1.2kW/=5kHz；/=50Hz；LA=LB=450jiH；£,=L2=25Op.H；L3=L4=250頭H。其中開關(guān)管型號為2MBI75N-060,續(xù)流二極管型號為DSEI30-06/為電網(wǎng)

17、電壓頻率/為開關(guān)頻率。圖5為入網(wǎng)電壓、電流的波形，其中，入網(wǎng)電壓表現(xiàn)為平滑的正弦曲線，且電壓與電網(wǎng)電流同相位，功率因數(shù)較高。圖6a,b分別為NDPGI橋臂輸出電壓如，如和u+u及其正半周期虛線框放大波形。由圖6a可見，在正半周期(如>0),如在180V與360V之間交替變化；u質(zhì)在。和180V之間交替變化。由圖6b可見，n和如n的幅值互補(bǔ)，如n+妃為常數(shù)，其值約為360Vo圖6c,d分別為y和瞄+及其負(fù)半周期虛線框放大波形。由圖6c可見,在負(fù)半周期(如0),“6在0與180V之間交替變化，岫在180V和360V之間交替變化；由圖6d可見與的幅值互補(bǔ)，且ixe+um為常數(shù)，其值約為360V

18、o(2ms/格)(c)/、H>n及/k%N波形(2ms/格)(c)/、H>n及/k%N波形(矣A00SM(注、>oor«wr<、»*aak4»:；4-t/(2ms/格)(b)正半周期瓏稅樞放大波形t/(2ms/格)(d)負(fù)半周期戒線柩放大波形圖6實驗波形Fig.6Experimentalwaveforms圖7為NDPGI共模電壓與、.波形。(2ms/fft)(2ms/fft)圖7y與Ln波形Fig.7Waveformsof岫and，(煉、VEOei.專A00Ml可見，在整個工頻周期內(nèi),Ue保持恒定值約為180V,的幅值約為50mA,滿足VD

19、E-0126-1-1標(biāo)準(zhǔn)。通過理論分析可知，該漏電流為低頻的虬作用在Cpv上產(chǎn)生的電流。因此，實驗結(jié)果驗證了上述對NDPGI的始分析的正確性，即(/在一個周期內(nèi)保持恒定，有效抑制了正、負(fù)周期存在的6結(jié)論通過控制NDPGI電路使開關(guān)管處于半周期工作模式，降低了開關(guān)損耗，且續(xù)流階段并網(wǎng)電流不通過性能較差的體二極管，因此與DFGI類似,NDPGI具有高效率和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)；對共模漏電流問題的研究表明NDPGI一個周期內(nèi)的共模電壓都為直流電源的一半，因此，NDPGI可消除DFGI存在的共模漏電流；采用滯環(huán)電流控制策略的NDPGI,并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流保持同相位，因此系統(tǒng)具有較高的功率因數(shù)。參考文獻(xiàn)1YaoZL,LanX.Two-switchDual-BuckGrid-connectedInverterWithHysteresisCurrentControlJ.IEEETrans,onPowerElectronics,2012,27(7):3310-3318.2 徐少華，李建林，惠東.多儲能逆變器并聯(lián)系統(tǒng)在微網(wǎng)孤島條件下的穩(wěn)定性分析及其控制策略J.高電壓技術(shù),2015,41(10)；3266-3273.3 姚志壘，肖嵐，魏星.雙降壓全橋并網(wǎng)逆變器J.中國電機(jī)工程學(xué)報,2011,31(12):29-31.(上接第44頁)1.