单级式双Buck全桥光伏并网逆变器的设计

摘要：全桥逆变器具有拓扑简单、成本较低的特点，因此得到广泛应用，但其逆变效率低，输出波形质量差。分析了户用型单级式双Buck全桥光伏并网逆变器的工作原理，实验中以变步长功率扰动观察法实现光伏系统的最大功率输入，并在逆变环节采用双Buck全桥拓扑结构以提高逆变效率，改善并网质量。整个系统采用带前馈补偿的电流内环、电压中环及最大功率点跟踪(MPPT)功率外环的三环控制策略，并在Matl ab仿真平台上验证了系统控制策略的正确性。制作了一台1．3 kW光伏并网逆变器样机，并网电流总谐波畸变率接近3％。
关键词：逆变器；光伏并网；最大功率点跟踪

1 引言
并网逆变器作为电网和光伏阵列的主要接口设备，其性能决定着整个光伏发电系统的性能。光伏并网发电系统中的主要问题是如何提高系统工作效率及改善并网波形质量。常见的单相光伏并网逆变器按照其功率拓扑级数可分为单级式、两级式和多级式。由于单级式逆变器只有一个能量变换环节，故其工作效率最高。常见的单级式桥式逆变器同一桥臂的上下开关管可能存在直通情况，降低了系统的可靠性，为防止直通情况的出现，需在驱动信号间加入死区，这就造成输出电流波形畸变；另一方面桥式逆变器中无独立的续流二极管，MOSFET和IGBT体二极管反向恢复时间长，造成开关管的开关损耗较大，且开关管的驱动频率不能过高。而双Buck逆变器可以解决上述问题，且所有功率管和电感在半个输出周期高频工作。
由于双Buck半桥逆变器存在直流侧电压利用率低的问题，这里以串联型输出的双Buck全桥逆变器模型为研究对象，提出了带前馈补偿的电流内环、电压中环及MPPT功率外环的三环控制结构，基于Matlab仿真平台验证了系统控制策略，并对并网逆变器的MPPT及逆变桥驱动方法进行了研究，最终设计了一台实验装置。

2 串联型输出双Buck全桥逆变器
单相单级式串联型输出的双Buck全桥光伏并网逆变器主电路拓扑如图1所示。其中，V1，L1，VD1构成一个Buck电路；V2，L2，VD2构成一个Buck电路。两个双Buck半桥逆变器输入并联，接PV输入端，输出串联接电网，组成了双Buck全桥逆变器，克服了双Buck半桥逆变器直流侧电压利用率低的问题，实现了两个双Buck半桥逆变器均压、均功率输出。由于双Buck逆变器需要的电感个数较多，设计中采用磁集成技术来减小电感的体积和重量，降低电感的功率损耗。

逆变全桥通常采用单极性SPWM、双极性SPWM两种驱动方式。为提高逆变效率，改善并网波形质量，采用单极性SPWM驱动方式驱动开关管。其工作模态如下：
(1)并网电流iL1与电网电压同向阶段。
模态1 功率开关管V1，V4导通，在输入电压和输出电压作用下，iL1与电网电压同向线性增加。
模态2 V1导通，V4断开，VD4导通，形成续流回路，在输入、输出电压作用下，iL1与电网电压同向线性减小。
(2)并网电流iL2与电网电压同向阶段。
模态3 功率开关管V3，V2导通，在输入、输出电压作用下，iL2与电网电压同向线性增加。
模态4 V3导通，V2断开，VD2导通，形成续流回路，在输入、输出电压作用下，iL2与电网电压同向线性减小。

3 光伏阵列MPPT
光伏系统MPPT的实现结合了恒压跟踪法和扰动观察法。在系统启动时，检测光伏阵列开路电压，用恒压跟踪法计算出理论最大功率点电压，此处电压作为扰动观察法跟踪的起始点。为快速准确地跟踪到最大功率点，采用变步长扰动跟踪，其程序流程如图2所示。dp=p(k)-p(k-1)，dt=t(k)-t(k-1)=T，α为正系数，Ts为PV端电压、电流采样周期。系统根据光伏阵列输出曲线特性，观测其输出功率变化率，调整跟踪步长，得到光伏阵列输出最大功率处参考电压。

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4 逆变器并网控制
逆变器输出可控制为电流源或电压源。若将并网逆变器控制为电压源，在并网过程中易产生环流，如图1所示。该逆变器是具有输出电流特性的电压并网逆变器。图3示出并网逆变器的控制策略框图。

控制系统采用了三环控制结构。MPPT功率外环的输出作为电压中环直流侧电压的给定。电压中环的输出与电网同步正弦信号的乘积作为电流内环的给定。根据图1可知：
uo-ug=SLiL，uo=SUpv (1)
式中：uo为桥侧输出的脉动电压；ug为电网电压；s为拉普拉斯算子；L为回路电感值；iL为进网电流；S为逆变器开关函数；Upv为光伏电池输入电压。
由式(1)可得：
iL=(SUpv-ug)／(sL) (2)
由式(2)可见，ug为并网电流的扰动量，会影响系统动态跟踪性能。故在电流内环中加入电网电压前馈控制以增强系统的抗干扰性。其前馈补偿系数为：
Kf=1／Upv (3)
在单位功率因数条件下，逆变器效率为η，根据并网逆变器交、直流侧功率平衡原则，有：
UpvIdcη=ugiL (4)
由式(4)可知，在稳定情况下，并网逆变器交流电流到直流电流的变比关系为：
KL=Idc／iL=ug／(ηUpv) (5)
由图1可知，在稳态情况下，母线电容Cpv两端的电压为：
Upv=(Ipv-Idc)／(sCpv) (6)
图3中，G1(s)，G2(s)分别为直流侧电压外环和电流内环调节器传递函数，通常采用PI调节器：

若忽略开关管非线性特性的影响，PWM环节可等效为一个比例惯性环节：
GPWM(s)=(Upv／Utri)[1／(1+sTc)] (8)
式中：Tc为高频载波周期。

5 仿真和实验
实验中采用TopCon系列可编程直流电源模拟太阳能光伏电池。为验证所提出系统的可行性，在Matlab／Simulink仿真平台上完成双Buck全桥并网逆变器控制模型的仿真。参数设置如下：采用可编程直流电压源，MPP电压设置为400 V，MPP电流设置为3．4 A，MPP功率为1．36 kW。电路中，电感L1～L4均为0．6mH。选用IKW15N120T2型开关管，其驱动电压18 V，高频载波频率为18 kHz。Matlab仿真模型的参数与实验样机保持一致。
并网电流的参考方向如图1所示。其中iLb表示输出正半周期的并网电流，iLd表示输出负半周期的并网电流。图4a，b分别为样机实验结果和仿真结果的波形图。可见，逆变器并网电流正负半轴波形与电网电压波形同频同相。功率因数接近1。

采用Matlab的FFT工具箱进行并网电流FFT分析，结果如图5所示。仿真所得并网电流谐波分量为3．13％，并网电流质量较高。

6 结论
针对普通全桥逆变器的缺点，设计了单级式串联型输出的双Buck全桥并网逆变器，并分析了其工作原理。通过改进型MPPT算法来提高MPPT的跟踪效果。实验和仿真结果表明设计的正确性，稳态状况下逆变器能输出较好的并网波形。