可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器研究

摘 要：把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做太陽能光伏發(fā)電裝置，逆變器是光伏發(fā)電裝置的核心部分。該文通過分析典型三相并網(wǎng)逆變器的共模電壓問題，提出一種可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器，其采用SVPWM策略控制技術(shù)，通過控制零矢量減小共模電壓的幅值。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB/Simulink對可控開關(guān)導(dǎo)通和切斷2種狀態(tài)對比仿真，驗證其抑制共模電壓的能力。

關(guān)鍵詞：逆變器；共模電壓；可控開關(guān)；光伏發(fā)電；仿真

中圖分類號：TK51 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0065-05

Abstract： A device that converts solar energy into electricity is called a photovoltaics device. The inverter is the core of a photovoltaic device. In this paper， the common-mode voltage of typical three-phase solar inverter is analyzed， and a controllable switching non-isolated solar inverter is proposed， the amplitude of common-mode voltage is reduced by controlling zero vector. On the basis of this， MATLAB/Simu link is used to compare and simulate the on-off states of the controllable switch， and the ability of suppressing common-mode voltage is verified.

Keywords： inverter; common-mode voltage; controllable switch; photovoltaic power generation; simulation

2023年12月，國務(wù)院印發(fā)《空氣質(zhì)量持續(xù)改善行動計劃》，指出清潔能源必將大力發(fā)展，截至2025年，化石能源消費比重將達80%以下[1]?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，鞏固電力裝備、新能源汽車、太陽能光伏、通信設(shè)備和動力電池等優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先地位。

光伏發(fā)電裝置作為新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的主要支柱，已成為助力環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有力因素，為“雙碳”目標的實現(xiàn)提供重要保障。把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做太陽能光伏發(fā)電裝置，光伏逆變器用在電池板或光伏陣列中，其作為裝置中交、直流電能的轉(zhuǎn)換設(shè)備，相當(dāng)于光伏的心臟，在整個光伏發(fā)電裝置中起著非常重要的作用。

為提高光伏發(fā)電裝置的工作效率，減小體積、成本與重量，本文以典型非隔離型三相光伏并網(wǎng)逆變器為研究對象。非隔離型逆變器由于沒有低頻或高頻隔離變壓器，逆變器交流側(cè)會出現(xiàn)直流分量，導(dǎo)致共模電壓的產(chǎn)生，進而產(chǎn)生共模電流。共模電流的諧波分量影響系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，其產(chǎn)生的輻射會對周圍元件造成干擾，故共模電壓是非隔離型并網(wǎng)逆變器必須解決的關(guān)鍵問題之一。

1 可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器

1.1 可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)圖

本文提出一種可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由7個控制開關(guān)、直流母線側(cè)電容、三相對地電容、輸出側(cè)濾波電路、傳感器和驅(qū)動電路等組成。該逆變器在典型非隔離型并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上，在其直流母線正極處加一可控開關(guān)S7。當(dāng)逆變器工作在零矢量狀態(tài)時，結(jié)合SVPWM策略控制技術(shù)，讓控制開關(guān)S7可靠斷開，使共?；芈窡o法形成，來解決典型非隔離型并網(wǎng)逆變器共模電壓存在高次諧波、共模電流較大的問題。

圖1中，Cdc為直流母線側(cè)電容，Ca、Cb、Cc分別為A、B、C三相對地電容，La、Lb、Lc為開關(guān)輸出側(cè)濾波電路的濾波電感，N為電網(wǎng)中性點，N′為直流母線與逆變器負端點，ua、ub、uc分別表示A、B、C三相電網(wǎng)電壓的瞬時值，S1～S7為控制開關(guān)，A、B、C為三相橋臂中點。

1.2 參數(shù)設(shè)計

1.2.1 開關(guān)管IGBT參數(shù)設(shè)計

此逆變器按20 kW額定功率運行時，系統(tǒng)電流有效值為30 A左右，最大值可達40 A左右。在充分考慮約1.5倍裕量的情況下，開關(guān)管IGBT的額定電流設(shè)置為65 A，與目前市場已有65 A開關(guān)管IGBT對比分析，選擇信號為LUH50G1204的開關(guān)管，其耐壓值為1 200 V，峰值為537 V左右?？紤]本系統(tǒng)每相220 V并網(wǎng)電壓的有效值及系統(tǒng)電壓運行損耗，并網(wǎng)線電壓峰值應(yīng)大于LUH50G1204的開關(guān)管峰值電壓，故直流母線電壓定為700 V。

1.2.2 直流穩(wěn)壓電容的參數(shù)設(shè)計

為穩(wěn)定逆變器直流輸入側(cè)的電壓值，可在直流母線側(cè)并穩(wěn)壓電容。當(dāng)三相系統(tǒng)的電壓發(fā)生偏移時，中性點電位改變，系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓會出現(xiàn)10%的電壓波紋，由上述分析可知，直流母線電壓為700 V，電容參數(shù)如式（1）所示

式中：Udm為直流母線側(cè)電壓值；ΔUdm為直流母線側(cè)電壓波紋值；P為逆變器在額定狀態(tài)下的功率；f為電網(wǎng)電壓頻率。

代入?yún)?shù)可得Cdc為398.1 μF，在仿真過程中，可采用兩電容串聯(lián)的形式，故單個電解電容數(shù)值選取為1 000 μF，其可承受的最大電壓為450 V。滿足系統(tǒng)對電容參數(shù)的要求。

1.2.3 交流電感電容參數(shù)設(shè)計

綜合考慮直流穩(wěn)壓電容、濾波電路感抗、開關(guān)管參數(shù)、諧波電容和元器件發(fā)熱損耗等參數(shù)。

式中：f1為載波頻率；f為基波頻率；fLC為諧振頻率。

將參數(shù)帶入公式得

系統(tǒng)LC濾波器的諧振頻率見式（3）

式中：fLC為LC濾波器的諧振頻率；L為交流側(cè)電感值；C為交流側(cè)電容值。

公式（2）、公式（3）聯(lián)立可求出LC的值為[2]

根據(jù)上述分析計算可得，交流側(cè)電感值可選擇為0.66 mH，電容值可選擇為7.65 μF。

2 共模電壓的分析

2.1 共模電壓計算

由典型三相并網(wǎng)逆變器的分析可知，開關(guān)的通斷可使其呈現(xiàn)表1的8種狀態(tài)。其中，V1—V6為非零矢量狀態(tài)，V0、V7為零矢量狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)中，0表示上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，1則相反。

假設(shè)光伏電池對地電容數(shù)值不變，漏電流的大小直接受共模電壓影響。根據(jù)基爾霍夫定律可推導(dǎo)出系統(tǒng)電壓關(guān)系[3-4]

， （4）

式中：UAN、UBN、UCN分別為三相橋臂中點與中性點電壓差的瞬時值；ia、ib、ic分別為A、B、C三相瞬時電流值；ua、ub、uc分別為A、B、C三相瞬時電壓值；L為自感系數(shù)。

因系統(tǒng)三相對稱運行時，A、B、C三相電壓和為0。

又因|UBN|=|UBN′-UNN′| ， （5）

式中：UBN為任意相到中性點N的電壓瞬時值，UBN′為任意相到逆變器直流側(cè)母線負端N′的電壓瞬時值，UNN′為中性點N到逆變器直流側(cè)母線負端N′的電壓瞬時值。

可推導(dǎo)出，共模電壓的計算公式如下[5-6]

， （6）

式中：UAN′、UBN′、UCN′分別為三相橋臂中點到直流側(cè)母線負端的電壓瞬時值。

將開關(guān)狀態(tài)量帶入公式，可得

式中：Udc為直流電壓母線的電壓有效值。

計算結(jié)果見表1。

2.2 共模電壓抑制原理

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)開關(guān)S7處于導(dǎo)通狀態(tài)時，可控開關(guān)非隔離型逆變器與無可控開關(guān)的典型逆變器工作原理相同，開關(guān)在表1中的8種開關(guān)狀態(tài)下，共模電壓的幅值有0、1/3Udc、2/3Udc、Udc 4種。可見，逆變器工作在零矢量V7時，共模電壓幅值最大，對系統(tǒng)影響最大。此時，將開關(guān)S7置于關(guān)斷狀態(tài)，如圖1所示。上臂開關(guān)1、3、5全部導(dǎo)通，下臂開關(guān)2、4、6全部關(guān)斷，共?；芈窡o法形成，共模電壓為Udc的狀態(tài)不存在。故在可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器中，共模電壓的幅值只有1/3Udc、2/3Udc兩種，從而減小了共模電壓的幅值。

3 調(diào)制策略的實現(xiàn)

3.1 復(fù)平面SVPWM的扇區(qū)判斷

可控開關(guān)非隔離型逆變器控制策略采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)，SVPWM技術(shù)能有效削弱此逆變器的輸出的電流諧波幅值，有效減少電動機產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩增大的問題，具體實現(xiàn)方法如圖2所示，除去V0、V7兩個矢量，V1、V2、V3、V4、V5、V6六個非零矢量將αβ復(fù)平面分為6個扇區(qū)，將目標電壓矢量分解到其所在扇區(qū)兩側(cè)的基本矢量上。

首先以相差120°的3個扇區(qū)邊界線構(gòu)造符號函數(shù)，得到目標電壓矢量Vref所在的扇區(qū)，設(shè)f1、f2、f3滿足

（8）

再定義A、B、C三個變量分別為A=sign（f1）、B=sign（f2）、C=sign（f3），通過判斷符號函數(shù)f1、f2、f3與0的大小關(guān)系，從而判斷A、B、C三個變量與組合變量N的賦值為1還是0，其中組合變量N為A+2B+4C。具體分析如下，經(jīng)計算推導(dǎo)，A、B、C、N的分析結(jié)果見表2。

3.2 電壓矢量作用時間

與復(fù)平面內(nèi)SVPWM的扇區(qū)判斷分析過程類似，先將目標電壓矢量分解為基本矢量，再計算出各個矢量在一個開關(guān)周期內(nèi)的持續(xù)作用時間，以時間的長短表示矢量的大小[7-9]，則有：

式中：t0為零矢量狀態(tài)下作用時間；t4、t6分別為非零矢量V4、V6在一個開關(guān)周期內(nèi)的持續(xù)作用時間；T是開關(guān)周期；Vα表示在兩相靜止坐標系下α軸的電壓；Vβ表示在兩相靜止坐標系下β軸的電壓；Udc為直流電壓母線的電壓有效值。

令矢量作用時間為X、Y、Z，則扇區(qū)I、扇區(qū)II、扇區(qū)III、扇區(qū)Ⅳ、扇區(qū)V和扇區(qū)VI電壓矢量作用時間結(jié)果如下

TI1=Z；TI2=Y；TII1=Y；TII2=-X；TIII1=-Z；TIII2=X；

TⅣ1=-X；TⅣ2=Z；TV1=X；TV2=-Y；TVI1=-Y；TVI2=Z。

（10）

3.3 扇區(qū)矢量切換點的確定

由上述共模電壓抑制原理可知，當(dāng)V1—V6作用時，使直流母線上的可控開關(guān)S7閉合，共模電壓的幅值只有1/3Udc、2/3Udc兩種；當(dāng)共模電壓在零矢量V0、V7作用時，S7斷開，共?；芈窡o法形成，可得出扇區(qū)矢量切換點。

4 仿真驗證

在完成可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器的設(shè)計后，為了驗證其有效性，通過MATLAB/Simulink仿真平臺對分析結(jié)果進行驗證，所述逆變器仿真平臺如圖3所示。圖中ua、ub、uc分別表示A、B、C三相電網(wǎng)電壓的瞬時值。當(dāng)可控開關(guān)S7導(dǎo)通時，為理想模型系統(tǒng)，當(dāng)可控開關(guān)S7斷開時，為可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器模型系統(tǒng)。其共模電壓仿真平臺參數(shù)設(shè)置如下：直流側(cè)電壓設(shè)為400 V，負載電阻設(shè)為18 Ω，光伏電池板對地等效電容為1 μF；逆變器功率設(shè)為20 kW，濾波電感L設(shè)為3.16 mH，等效串聯(lián)電阻R設(shè)為0.5 Ω，逆變器三相并網(wǎng)電壓、電流的仿真在220 V的電網(wǎng)電壓下進行。

如圖3所示，將可控開關(guān)非隔離型并網(wǎng)逆變器仿真平臺中可控開關(guān)S7置于導(dǎo)通狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖4所示。

再將仿真平臺中可控開關(guān)S7置于斷開狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，當(dāng)逆變器處于零矢量狀態(tài)時，將可控開關(guān)S7置于斷開或?qū)?種模式時，逆變器的共模電壓與共模電流的幅值大小均不同。由圖4、圖5分析可知，逆變器可控開關(guān)S7斷開時，共模電壓與共模電流的幅值較小，共模電流有效值為0.382 A；而逆變器可控開關(guān)S7導(dǎo)通時，共模電壓與共模電流的幅值較大，共模電流有效值為0.796 A。通過仿真可見，在典型非隔離型并網(wǎng)逆變器的直流母線正極處加一可控開關(guān)S7，通過SVPWM調(diào)控策略，可以消去零矢量狀態(tài)下，幅值為0、Udc的共模電壓，減小逆變器中共模電壓的幅值，進而減小其共模電流。

5 結(jié)論

典型非隔離型逆變器由于沒有低頻或高頻隔離變壓器，其交流側(cè)會出現(xiàn)直流分量，導(dǎo)致共模電壓的產(chǎn)生，共模電壓會影響逆變器的正常運行。本文在典型三相并網(wǎng)逆變器的母線正極處安裝了一個可控開關(guān)S7，結(jié)合SVPWM策略控制技術(shù)，當(dāng)逆變器工作在零矢量V7時，斷開可控開關(guān)S7，抑制共模電壓的產(chǎn)生，仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

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作者簡介：金麗娜（1989-），女，講師。研究方向為電氣自動化。