单相双Buck三电平逆变器设计方案
1.引言
太阳能作为一种无污染的能源，有关其利用的研究一直是人们研究的热点。为了提高太阳能的电能转化效率，光伏并网逆变器的研究是光伏利用的重点。对于光伏并网逆变器，其拓扑结构按照变压器可以分为：
高频变压器型，工频变压器型和无变压器型。高频变压器体积小，重量轻，效率高，但是控制较为复杂； 工频变压器体积大，重量重，结构简单；为了能够提高光伏并网系统的效率和降低成本，在没有特殊要求的时候可以采用无变压器型的拓扑结构。但是，由于没有变压器，输入输出没有电气隔离，光伏模块的串并联构成的光伏阵列对地的寄生电容变大，而且该电容受外界环境影响较大，由此产生的共模电流将会很大，对于漏电 流的研究，现已有多种解决方案：当全桥逆变器采用单极性调制方式时，存在一开关频 率脉动的共模电压，而采用双极性调制方式时，共模电压不变，其幅度等于母线电压的一半；在半桥逆变器中，对地寄生电容电压亦被输入分压大电容钳位在母线电 压的一半，基本保持不变。这些都是基于桥式电路解决漏电流的方法，近年来出现了一种双buck逆变器结构，这种逆变器具有无桥臂直通，体二极管不工作，双极性工作等突出特点，因而应用广泛。本文提出一种新型的三电平双buck逆变器的方案，并置定相应的控制策略实现最大功率点的跟踪和并网控制。
2.三电平双buck逆变器的总体方案 如图1所示，为双buck逆变器的电路拓扑结构图，双buck逆变器采用的是半周期工作模式，当输出电流在正半周时，功率管s1、续流二极管d1、滤波电感l1 和滤波电容cf共同构成了buck1电路。当输出电流为负半周时，功率管s2、续流二极管d2、滤波电感l2和滤波电容cf共同组成buck2电路，两条 buck电路不同时工作。相比于传统的桥式逆变电路，电路无桥臂直通的可能，体二极管也不用参与工作过程。但是，这种情况下，功率管s1和s2在工作的半 个周期内所承受的电压时直流母线电压ud的两倍。由于其桥臂本身输出的电压波形依然是双极性的，所以其谐波含量依旧很大。
通过在双buck逆变器拓扑结构上进行优化，用两个功率管和快恢复型二极管的组合开关电路（即s1&s3&d3和s4&s2&d4）替代原先的桥臂上的功率管。得到如图2所示的新型三电平双buck逆变拓扑结构。
这种新型的三电平双buck逆变器依据是半周期工作模式：当输出电感电流il为正半周 时，buck1电路工作，当电感电流为负半周时，buck2电路工作。其具体的工作模态如表1所示。经过优化的三电平双buck逆变器由于将其对地的寄生 电容电压牵制在输入电压的一半，所以其漏电流为零。
3.控制策略分析 为了能够实现最大功率点跟踪和实现输出电压电流的控制，整个控制采用复合控制策略，包括均压控制环，电流控制环和电流基准环如图3所示。
具体工作流程为：通过采集电容c1上的电压uc1,计算母线电压的一半得到uz=ubus/2,分 别计算uc1与uz的差值，将差值输入到均压环的调节器，输出控制电流变化量△i;母线电压经过最大跟踪环节取得入网基准电流ig,将基准电流il减去控 制电流变化量△i和入网电流ig,将最后求的的电流经过比例积分误差放大电路，与三角波相交并通过控制逻辑生成争先脉宽调制信号（spwm波），通过输出 的spwm波形控制开关管的导通关断，实现电压调节功能。
式中 c1 u 和 c2 u 为电容c1和电容c2的电压初始大小，假设两电容电压大小相等，则可得两电容电压的偏差大小为：
4.仿真和验证 对于上述的闭环系统，设置参数并进行仿真，具体参数设置如下：输入直流电压ud=720v,输入电容c1=c2=1100uf,输出滤波电感l1=l2=750uh,预计输出的交流电压uo=220v,频率为50hz,额定输出功率po=1kw.
具体的仿真结果如图4所示，ug表示为电网电压，il为电感电流，uc1为电容c1的电压，uc2 为电容c2的电压，v1~v4分别表示逆变器对于功率开关管s1~s4的控制信号。具体的工作情况：当il大于零，即工作在正半周，buck1电路工作， 功率开关管s1,s3导通，s2,s4截至，il2=0,此时电压ub=ug;当il小于零，即工作在负半周时，buck2电路工作，功率开关管 s1,s3截至，s2,s4导通，il2=0,此时电压ua=ug,本闭环系统采集电容信号，实现输入均压控制，因此输入电容uc1和uc2保持稳定。
5.总结 本文分析了传统桥式逆变电路和新型三电平双buck逆变电路的拓扑结构，分析了普通双buck逆变 电路漏电流的产生并提出了一种新型的单相双buck光伏逆变器的方案，这种改进型的三电平双buck逆变电路对于逆变桥臂与地之间的寄生电容通过分压电容 进行电压钳制，对于电网频率的低频率变化，抑制了漏电流的大小。针对新型的三电平双buck逆变器电路制定相应的控制策略，通过采样电压信号，实现最大功 率跟踪和均压控制。最后通过仿真波形，验证三电平双buck逆变电路的正确性，并取得了较好的实验结果
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2.三电平双buck逆变器的总体方案 如图1所示，为双buck逆变器的电路拓扑结构图，双buck逆变器采用的是半周期工作模式，当输出电流在正半周时，功率管s1、续流二极管d1、滤波电感l1 和滤波电容cf共同构成了buck1电路。当输出电流为负半周时，功率管s2、续流二极管d2、滤波电感l2和滤波电容cf共同组成buck2电路，两条 buck电路不同时工作。相比于传统的桥式逆变电路，电路无桥臂直通的可能，体二极管也不用参与工作过程。但是，这种情况下，功率管s1和s2在工作的半 个周期内所承受的电压时直流母线电压ud的两倍。由于其桥臂本身输出的电压波形依然是双极性的，所以其谐波含量依旧很大。
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