光伏并網逆變器新型拓撲結構研究

引言

進入21世紀以來,為減少對煤炭等化石能源的依賴,國內外學者在如何開發(fā)利用光伏等綠色清潔能源方面開展了大量研究。為了獲得更高的應用效率和可靠性,很多研究通過改進逆變器拓撲結構及控制方案來降低光伏并網發(fā)電過程中的漏電流。漏電流問題主要有兩種解決方法,一是通過解耦,二是使用共接地連接。在解耦技術中,導致漏電流循環(huán)的共模路徑每隔一定時間中斷一次,從而在零模期間切斷共模路徑,然而,這些基于解耦技術的拓撲結構都不能完全抑制漏電流。

接地型(CGT)逆變器因其在降低漏電流方面的有效性得到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。文獻提出可通過虛擬直流總線來降低漏電流,但是作為虛擬直流總線的飛跨電容只能在正半周期內充電,而在負半周期內放電,因此實際應用中需要配置較大的濾波器。近年來,也有學者指出可采用半橋拓撲結構,通過采用調制解調技術和電容電壓閉環(huán)控制來完全消除漏電流,但同時也提高了元器件投資應用成本和控制方案的復雜度,一定程度上約束了其工業(yè)應用范圍。

本文提出了一種應用于光伏發(fā)電領域可實現零漏電流的三電平逆變器拓撲結構。該逆變器總共需要6個開關器件,其中4個開關使用半橋型拓撲模塊實現,該結構中飛跨電容在每個開關周期中完成充電。同時也提出了一種簡單的基于邏輯門的脈沖產生方案。最后,通過仿真實驗驗證了理論分析的正確性和控制方法的有效性及可行性。

1六開關逆變器拓撲結構

本文提出的并網接地型三電平逆變器如圖1(a)所示,從圖中可以看出,逆變器由6個開關組成,因此也可以稱為六開關逆變器。該逆變器拓撲結構能使光伏陣列輸出負極和電網直接連接,可完全消除漏電流。本文提出的六開關逆變器有三種工作模式,即兩種有源狀態(tài)和一種零狀態(tài),如圖1(b)(c)(d)所示。

(1)正電壓:在該狀態(tài)下,s1和s3處于導通狀態(tài),其他開關處于關閉狀態(tài),如圖1(b)所示,輸入電壓源連接在產生正電壓電平的輸出端子上,這種模式下工作的開關器件數量為2個。

(2)零電壓:在該狀態(tài)下,s1、s4、s5開關處于導通狀態(tài),其余開關處于關閉狀態(tài),如圖1(c)所示,輸入電壓源與飛跨電容串聯(lián),通過控制開關s5的導通可以使輸出端短路,從而產生零電壓電平,這種模式下工作的開關器件數量為4個。

(3)負電壓:在該狀態(tài)下,s2和s4開關處于導通狀態(tài),其余開關處于關閉狀態(tài),如圖1(d)所示,充電后的飛跨電容為負載提供電源。飛跨電容以一種產生負電壓電平的方式連接,這種模式下工作的開關器件數量為2個。

以上三種工作模式的交替變化將會導致逆變器輸出端產生斬波單極電壓,由于六開關逆變器在每次正電壓或負電壓狀態(tài)后都處于零電壓狀態(tài),從而使飛跨電容電壓保持了充放平衡,無須任何控制干預。此外,雙向開關s5的使用也減少了一個門驅動器數量,間接降低了投資成本。

2調制方案實現

通過將單個高頻載波波形)2car)與參考正弦信號)2ref)進行比較,設計了一種簡單的單極脈寬調制方案)PwM)來控制該六開關逆變器,如圖2所示。按照開關表中的順序切換執(zhí)行并對輸出進行比較,推導出相應的門控脈沖。由于6個開關中有3個開關在半個電源周期中只運行一次,從而可獲得最小的開關損耗。

3仿真試驗

為了驗證所提出的六開關逆變器及其控制方法的有效性,進行了仿真試驗。由于該試驗主要目的在于驗證逆變器的性能,因此在仿真模型中光伏陣列電源由200V的恒定直流電源代替,開關器件柵極電壓為110VRMs,耦合濾波電感為1.5mH,飛跨電容為100uF,電網頻率為50Hz,逆變器開關頻率為10kHz。下面將通過4個試驗d來驗逆變器拓撲及控制策略的可行性。

試來一(穩(wěn)態(tài)跟蹤):輸入電網的參考電流ig,ref設定為幅值l0A、相位與電網電壓相同的正弦電流,功率因數為1,如圖3(a)所示?？梢钥闯鲭娋W電壓和輸入電流之間的相位角差為零,逆變器輸出電流即流入電網的實際電流ig緊緊跟隨參考電流變化,其總諧波失真值僅為l.5%。同時,飛跨電容在充放電結束后其電壓總能維持在參考值200V左右。

試來二(階躍擾動):輸入電網的參考電流ig,ref設定為初始幅值5A,在t=0.04s時刻發(fā)生階躍變化增加至l0A運行,如圖3(b)所示?？梢钥闯鲈趨⒖茧娏靼l(fā)生階躍擾動后,流入電網的實際電流ig隨之發(fā)生變化并穩(wěn)定在新的參考電流值上,沒有任何延遲,同時飛跨電容電壓也顯現了很好的穩(wěn)態(tài)運行精度。

試來三(無功支撐):為測試該拓撲逆變器支撐電網無功功率需求的能力,設定在初始階段輸入電網的參考電流ig,ref與電網電壓,g同相位運行,而在0.04s時刻參考電流相位改變,滯后于電網電壓運行,導致功率因數降低,運行波形如圖3(b)所示。可以看出,不論參考電流怎么變化,流入電網的實際電流ig總是能緊密跟隨變化,保持很好的動態(tài)跟蹤性能。

試來四(無功支撐):該試來與試來三相似,僅是考量輸入電網的參考電流ig,ref相位超前電網電壓相位運行的變化趨勢,如圖3(c)所示,也獲得了與試來三相同的試來效果。兩個試來下,飛跨電容電壓均具有很好的穩(wěn)態(tài)精度。

4結語

本文提出了一種可產生零漏電流的三電平接地型逆變器,即六開關逆變器。六開關逆變器由兩個半橋模塊和兩個分立開關器件組成,在降低拓撲結構硬件設計復雜性的同時,也提高了該光伏逆變器的輸出功率密度。此外,由于該拓撲結構具有交流去耦的優(yōu)點,確保了飛跨電容在充放電過程中的電壓平衡。仿真結果驗證了所提六開關逆變器的可操作性和有效性,也為光伏并網的工業(yè)應用探索了一種新思路。