5 kW單相光伏逆變器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李釗，張立強(qiáng)，袁紹民，邢文超，王議鋒（.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 0080；.天津天傳新能源電氣有限公司，天津 0080；.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 0007）

5 kW單相光伏逆變器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李釗1，張立強(qiáng)2，袁紹民2，邢文超2，王議鋒3
（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180；2.天津天傳新能源電氣有限公司，天津 300180；3.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

研究了單相光伏逆變器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用三電平半橋技術(shù)解決了單相光伏逆變器的共模電壓?jiǎn)栴}；系統(tǒng)分析了單相三電平光伏逆變器的模型與控制方法；提出了一種基于饋網(wǎng)電流的三電平電容中點(diǎn)電壓控制方式，成功解決了中點(diǎn)電壓不平衡問(wèn)題。通過(guò)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)5 kW單相光伏逆變器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

中點(diǎn)鉗位三電平；共模電壓；系統(tǒng)模型；中點(diǎn)電壓

近年來(lái)隨著石油、煤炭等不可再生資源的日益匱乏，太陽(yáng)能風(fēng)能等新能源技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。特別是近期國(guó)家電網(wǎng)推出相關(guān)政策允許個(gè)人用戶太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電，家庭或小商戶發(fā)電上網(wǎng)成為可能。另外光伏電池板的價(jià)格持續(xù)降低，光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資成本已能夠被個(gè)人用戶所接受。

光伏逆變器作為把光伏板的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電的重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行的可靠性、安全性、效率、諧波等技術(shù)指標(biāo)變得十分重要。由于電池板對(duì)地分布電容較大，如果逆變器工作過(guò)程中產(chǎn)生對(duì)地共模電壓，就會(huì)生成較大的共模電流即漏電流，造成安全隱患。北京鑒衡認(rèn)證中心認(rèn)證技術(shù)規(guī)范CGC/GF004：2011中對(duì)逆變器的漏電流有明確的要求。通過(guò)增加變壓器可以解決此問(wèn)題，但是變壓器又會(huì)帶來(lái)效率的降低和成本的增加。無(wú)變壓器型光伏逆變器怎樣抑制由功率管開關(guān)帶來(lái)的共模電壓干擾成為近期研究的焦點(diǎn)。

現(xiàn)有單相光伏逆變器大多采用H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］。H橋拓?fù)涞拈_關(guān)調(diào)制方式可分為雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制。單極性調(diào)制由于控制方式的原因會(huì)產(chǎn)生很大的共模電壓，需要增加較復(fù)雜的共模抑制電路（例如Π型濾波器），雙極性調(diào)制原理上不會(huì)產(chǎn)生共模電壓，但其每次開關(guān)換流過(guò)程都是在2個(gè)IGBT和2個(gè)二極管間進(jìn)行，開關(guān)損耗大，效率低。SMA公司推出的H5結(jié)構(gòu)在較高效率下能夠較好地解決H橋電路的共模電壓?jiǎn)栴}，但該方法具有專利保護(hù)限制，不能直接應(yīng)用于裝置研發(fā)。

針對(duì)于此，本文重點(diǎn)分析并設(shè)計(jì)了一款用于家庭或小商戶的5 kW單相光伏逆變器，其特點(diǎn)是采用三電平半橋無(wú)變壓器結(jié)構(gòu)。半橋三電平電路可以有效地解決共模電壓?jiǎn)栴}。另外三電平電路中每個(gè)開關(guān)管的耐壓值為兩電平的一半，因此開關(guān)管的開關(guān)速度更快、損耗小、逆變器效率高。逆變器控制系統(tǒng)采用矢量控制方式，電流諧波小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

1　單相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和共模干擾抑制方法分析

本文所采用的三電平半橋結(jié)構(gòu)可較好地解決共模電壓?jiǎn)栴}，如圖1所示，三電平半橋結(jié)構(gòu)的C1，C2中點(diǎn)加在電網(wǎng)的N線上，由于電網(wǎng)的N線與大地相連、電容上電壓不會(huì)突變，所以光伏板正負(fù)極與大地電壓恒定，不會(huì)出現(xiàn)共模電壓干擾。另外三電平半橋結(jié)構(gòu)在開關(guān)調(diào)制過(guò)程中，每次開關(guān)換流過(guò)程只在1個(gè)IGBT和1個(gè)二極管間進(jìn)行：在電網(wǎng)電壓為正時(shí)，V1，V3在PWM的互補(bǔ)的方式工作，V2常通，V4關(guān)斷；在電網(wǎng)電壓為負(fù)時(shí)，V4，V2在PWM的互補(bǔ)的方式工作，V3常通，V1關(guān)斷。開關(guān)損耗小，系統(tǒng)效率高。

圖1　三電平半橋系統(tǒng)圖Fig.1　Three level half bridge system graph

2　單相三電平半橋光伏逆變器系統(tǒng)模型及控制方法

式中：uaabc為逆變器輸出端交流電壓；iabc為逆變

傳統(tǒng)三相光伏逆變器的系統(tǒng)模型為［4-5］器輸出電流；R為輸出電阻；L為輸出電感；uiabc為電網(wǎng)端交流電壓。

式（1）經(jīng)過(guò)abc軸到αβ軸變換后為

式（2）經(jīng)過(guò)αβ軸到dq軸的同步角頻率ω旋轉(zhuǎn)變換后為

式（3）中，Lω項(xiàng)為耦合項(xiàng)，可采用前饋的方法進(jìn)行解耦控制。

逆變器側(cè)控制目標(biāo)是通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓來(lái)控制并網(wǎng)點(diǎn)電流，達(dá)到向電網(wǎng)輸送電能或調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功功率等目的。加在電感兩端的控制量uc為

此控制對(duì)象為一階慣性系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)控制理論，采用反饋控制+PI控制器的方式能使系統(tǒng)電流達(dá)到快速無(wú)超調(diào)無(wú)差的控制效果。系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制原理圖Fig.2　System control theory graph

單相系統(tǒng)相比于三相系統(tǒng)只有一相的電壓電流，直觀來(lái)說(shuō)不具備abc軸到αβ軸，αβ軸到dq軸的坐標(biāo)變換條件。如果沿用上述三相系統(tǒng)控制方法，就需要虛擬出比α軸滯后90°的β軸，即電流控制中所需的iβ量。

圖3　虛擬β軸電流原理圖Fig.3　Virtualβaxis current theory graph

構(gòu)造iβ本文采取如圖3所示的通過(guò)虛擬在β軸同樣存在電感電阻濾波網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)。圖3 中uiβ通過(guò)鎖相環(huán)模塊生成［2］，Udelay為模擬電力電子器件帶來(lái)的小時(shí)間常數(shù)的滯后。

3　單相三電平半橋中點(diǎn)電壓控制方法

三電平半橋電路的電容中點(diǎn)作為拓?fù)渲械闹匾?jié)點(diǎn)參與到能量傳輸?shù)倪^(guò)程中［3，6-7］。但如果不把電容電壓平衡作為控制目標(biāo)的話，由于器件參數(shù)差異、采樣偏差等原因會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電位漂移，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)會(huì)失去控制甚至損壞功率器件。

三電平中點(diǎn)不平衡的原因分析：如圖1所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓運(yùn)行于正半周時(shí)，上半橋電容C1輸出能量；當(dāng)電網(wǎng)電壓運(yùn)行于負(fù)半周時(shí)，下半橋電容C2輸出能量。假設(shè)由于器件參數(shù)不對(duì)稱、溫漂等原因，在一個(gè)工頻周期中，C1上輸出的能量大于C2；另外由于相對(duì)于光伏板充電回路C1，C2為串聯(lián)連接，充電電流相同，在相同時(shí)間內(nèi)C1，C2所充的能量相等；那么在相同初始電壓（1/2Udc）的前提下，一個(gè)工頻周期后，C1上平均電壓會(huì)小于1/2Udc，C2上平均電壓大于1/2Udc。在沒(méi)有其他控制策略的情況下C1無(wú)法得到額外的能量補(bǔ)充，幾個(gè)工頻周期后就會(huì)出現(xiàn)明顯的中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題。

為解決此問(wèn)題，本文提出一種控制饋網(wǎng)電流有效值的方法。檢測(cè)一個(gè)工頻周期內(nèi)的C1上電壓U+和C2上電壓U-的平均值。當(dāng)U+＞U-時(shí)，增加C1的出力，減小C2的出力，即增加電網(wǎng)電壓為正時(shí)的電流有效值，降低電網(wǎng)電壓為負(fù)時(shí)的電流有效值；當(dāng)U+＜U-時(shí)，控制相反。因?yàn)樵斐芍悬c(diǎn)電壓不平衡的原因在控制系統(tǒng)中作為擾動(dòng)考慮，其擾動(dòng)值一般較??；另外上下組電容電壓允許在一定的電壓差下運(yùn)行，所以電壓平衡控制方式采用比例控制Idelta=K×［（U+）-（U-）］；系統(tǒng)控制框圖如圖4所示，有功電流給定Id由電壓外環(huán)算出，Idelta加入到Id中。通過(guò)檢測(cè)上下組電容的電壓差，生成Idelta控制信號(hào)，控制饋網(wǎng)電流有效值大小的方法，實(shí)現(xiàn)電容中點(diǎn)電壓平衡控制的目的。

圖4　電容中點(diǎn)電壓控制系統(tǒng)框圖Fig.4　Capacitance midpoint potential voltage control system graph

4　仿真分析

為驗(yàn)證5 kW單相光伏逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，本文首先通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5給出的是系統(tǒng)在沒(méi)有加入中點(diǎn)電壓控制的情況下，上、下半橋的電容電壓波形?？梢钥闯鲈? s以后電壓的不平衡性開始顯現(xiàn)，到2 s以后十分明顯。圖6給出的是系統(tǒng)在加入中點(diǎn)電壓控制的情況下，上、下半橋的電容電壓波形。可以看出不平衡問(wèn)題被有效的抑制。

圖5　未加入中點(diǎn)電壓控制的電容電壓仿真波形Fig.5　Capacitance without midpoint potential voltage simulation wave

圖6　加入中點(diǎn)電壓控制的電容電壓仿真波形Fig.6　Capacitance without midpoint potential voltage simulation wave

圖7a、圖7b給出的是系統(tǒng)在沒(méi)有加入中點(diǎn)電壓控制的情況下，并網(wǎng)點(diǎn)電流波形。其中圖7b是在2 s的時(shí)刻電流展開波形?？梢钥闯? s后電流有了比較明顯的畸變。

圖7　未加入中點(diǎn)電壓控制的并網(wǎng)點(diǎn)電流仿真波形Fig.7　Feedback to grid current simulation wave not add capacitance midpoint potential voltage control

圖8a、圖8b給出的是系統(tǒng)在加入中點(diǎn)電壓控制的情況下，并網(wǎng)點(diǎn)電流波形?？梢钥闯? s時(shí)刻的電流波形比較光滑，畸變得到了很好的抑制。

圖8　加入中點(diǎn)電壓控制的并網(wǎng)點(diǎn)電流仿真波形Fig.8　Feedback to grid current simulation wave add capacitance midpoint potential voltage control

根據(jù)光伏板對(duì)地的寄生電容值在雨天或潮濕的環(huán)境下達(dá)到200 nF/kWp的參數(shù)指標(biāo)，仿真中對(duì)地加入1μF電容以模擬5 kW光伏板對(duì)地寄生電容。圖9給出的是系統(tǒng)寄生電容所產(chǎn)生的共模電流波形，可看出共模電流小于3mA，完全達(dá)到系統(tǒng)安全要求［8］。

圖9　系統(tǒng)漏電流仿真波形Fig.9　System leakage current simulation wave

5　實(shí)驗(yàn)分析

在仿真分析的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)制作一臺(tái)5 kW單相三電平半橋式光伏逆變器樣機(jī)驗(yàn)證了上述理論。樣機(jī)中的IGBT選用英飛凌公司F3L75R07W 2E3三電平橋模塊，此模塊集成度較高，可提高系統(tǒng)功率密度，減小產(chǎn)品體積。逆變器輸出濾波電抗的電感值選為3mH，電阻值為0.05Ω。

圖10是電網(wǎng)電壓波形和并網(wǎng)點(diǎn)電流波形。

圖10　電網(wǎng)電流電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.10　Grid current and voltage experiment wave

圖11是對(duì)樣機(jī)中電流電壓進(jìn)行的諧波等數(shù)據(jù)指標(biāo)的詳細(xì)分析?？梢钥闯鰳訖C(jī)在5 kW功率輸出下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并網(wǎng)點(diǎn)電流諧波達(dá)到了較好的指標(biāo)。

圖11　并網(wǎng)電流電壓數(shù)據(jù)分析Fig.11　Grid current and voltage data analysis

圖12為上下組電容電壓差的波形?？梢钥闯銎渲话涣鞒煞郑悬c(diǎn)電位漂移得到了有效的抑制。

圖12　上下組電容電壓差波形Fig.12　The difference voltage of up and down capacitance

6　結(jié)論

本文給出了單相光伏逆變器的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)每種結(jié)構(gòu)對(duì)共模電壓的影響進(jìn)行了分析，選定新穎的三電平半橋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)單相光伏逆變器電流電壓的控制，此方法可有效地抑制共模電壓的干擾，系統(tǒng)效率高。對(duì)系統(tǒng)的模型及控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并重點(diǎn)對(duì)三電平中點(diǎn)電壓不平衡問(wèn)題提出了基于饋網(wǎng)電流的控制方式，成功地解決了此問(wèn)題。最后通過(guò)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

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5 kW Single Phase Solar Inverter System Design

LIZhao1，ZHANG Liqiang2，YUAN Shaomin2，XING Wenchao2，WANG Yifeng3
（1.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China；2.Tianjin TRIED New Energy Electric Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China；3.Ministry of Education Smart Grid Laboratory，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Studied on the system design of 5 kW single-phase solar inverter.The inverter adopted single-phase split-capacitor three-level neutral-point-clamped（NPC）half bridge structure to solve the common mode voltage problem of solar inverter.The model and control method of the single phase NPC solar inverter were analyzed.A new capacitance midpoint potential voltage of NPC control method based feedback to the grid current control was proposed.It solved the problem of the unbalance of capacitance midpoint potential voltage.Finally the system design of5 kW single-phase solar inverter was verified by simulation and experiment.

three-level neutral-point-clamped；common mode voltage；system model；midpoint potential voltage

TM461

A

2015-09-12

修改稿日期：2016-01-19

李釗（1983-），男，碩士，工程師，Email：lizhao@tried.com.cn