验证全桥逆变器双Buck型调制研究系统的正确性

只看该作者 · 2013-10-26 10:43

全桥逆变器双Buck型调制，不增加拓扑结构复杂程度，保留了双降压半桥逆变器(DBHBI)无桥臂直通的优点，克服了直流电压利用率低等缺点。采用电流瞬时值反馈SPWM控制策略，给出了该双Buck型调制工作的原理，分析了其实现方法，通过仿真和实验验证了系统的正确性。

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1 引言
随着可再生能源在世界范围内的发展，逆变器系统作为新能源与电网的接口设备越来越受到关注，提高开关频率和实现高效率是目前研究的主要方向。全桥双Buck型控制模式在不增加拓扑结构复杂程度基础上，克服了传统桥式逆变器存在的桥臂直通问题，避免了加入死区造成输出波形的畸变现象，具有高可靠性。工作在单极性调制方式下，输出波形的谐波含量较小。
2 并网逆变器的系统原理
2.1 系统结构
并网逆变器系统结构如图1所示。直流侧输入电压为350 V，由太阳能光伏阵列经DC/DC升压电路获得。逆变桥输出经滤波器和并网开关S连接到电网上。当S闭合时，逆变器输出与电网连接，负载上的电压由电网维持，并网功率的大小由并网电流决定。系统的控制算法由TMS3 20LF2808型DSP实现，当捕捉引脚检测到电网电压正向过零点时，启动内部并网控制算法程序，实现对电网频率的锁相跟踪，并经过运算，产生逆变器并网运行所需要的驱动信号，控制逆变器的开关动作，使逆变器实现单位功率因数并网运行。

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2.2 双Buck型调制模式的工作原理
双Buck型调制模式不仅具有半桥型逆变器无需设置死区时间的优点，而且解决了传统半桥逆变器(CHBI)因加入死区而引起的输出波形畸
变问题，上述内容中提到的双极性的缺点在该方案中也不存在，而且每半个周期内只有一个开关管在高频斩波，在一定程度上减小了开关损耗，提高了逆变器效率。
双Buck型调制模式即每半个周期的工作情况都类似于一个Buck电路，工作原理简单描述为：
(1)电感电流为正方向时，VS1开通，VS2，VS3关断，VS4斩波。当VS4开通时，VS1，L1，L2，RL，VS4构成闭合回路;当VS4关断时，VS1，L1，L2，RL，VD3构成闭合回路，电路通过VD3续流。
(2)电感电流为负方向时，VS3开通，VS1，VS4关断，VS2斩波。当VS2开通时，VS3，RL，L1，L2，VS2构成闭合回路。当VS2关断时，VS1，L1，L2，RL，VD1构成闭合回路，电路通过VD，续流。

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2.3 调制方案
逆变器并网目标是逆变器输出高质量的正弦电流，使其与电网电压同频同相位。电流控制方法一般采用电流瞬时值SPWM控制方式和电流滞环控制方式。前者是将与电网电压同频同相的基准信号iref与实际电感电流反馈信号iL进行比较，其差值经PR调节后与三角波(或锯齿波)进行比较，从而输出SPWM驱动信号。与电流滞环控制方式相比，电流瞬时值SPWM控制方式具有固定的开关频率，因此网侧输出滤波电感设计相对容易。

双Buck型调制模式属于单极性调制，相对于双极性调制，该方法调制谐波分量小，易于消除，开关损耗小。这里采用电流瞬时值反馈SPWM控制策略，其调制原理如图2所示。
3 仿真与实验
此处利用PSIM软件对电路进行仿真，其中Udc=350 V，ug为220V/50 Hz，额定功率P=2 kW，参考电流iref=12.86A，开关频率fs=20 kHz。L1=1.2 mH，L2=0.22 mH，C=2μF。图3为仿真波形。

由图3a可知，该调制方案输出的电网电流波形质量较好，达到了并网要求。由图3b可知，在iL为正方向时，VS1，VS4调制工作，VS2，VS3关断；iL为负方向时，VS2，VS3调制工作，VS1，VS4关断。仿真结果实现了双Buck型调制，验证了理论分析的正确性。
根据以上分析和仿真，进行对比实验验证。全桥功率模块采用光伏逆变器专用模块V23990-P897-E-PM。实验波形如图4所示。

由图可见，控制逻辑很好地实现了电流方向的检测和驱动信号的形成。

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4 结论
双Buck型调制具有以下特点：①保留了双降压半桥逆变器无桥臂直通的优点；②克服了直流电压利用率低的缺点，适合高压的输入场合；③其桥臂输出为谐波含量小的单极性调制波；④其输入侧不再像半桥型逆变器那样需要2个大电容进行分压。
通过电路分析和仿真、实验，验证了该SPWM控制的双Buck型调制逆变器方法的正确性和可行性。基于以上优点考虑该方式适用于对逆变器可靠性要求高的场合。

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