蔡亞丁　裴旭東

摘 要：提出了一種基于飛跨電容型逆變器結(jié)構(gòu)的新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，可以將電網(wǎng)中性點(diǎn)直接與光伏陣列負(fù)母線連接，因此具有零漏電流的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)。該逆變器拓?fù)洳捎霉I(yè)中廣泛應(yīng)用的半橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用了一種簡單的單極脈寬調(diào)制和基于邏輯門的門控脈沖產(chǎn)生方案。此外，由于在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對飛跨電容進(jìn)行循環(huán)充電，所以可選用電容值較低的飛跨電容?，F(xiàn)介紹了所提出調(diào)制方案的工作原理，并通過仿真試驗(yàn)和對比研究，驗(yàn)證了所提方法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)越性和有效性。

關(guān)鍵詞：飛跨電容型逆變器；光伏發(fā)電系統(tǒng)；零漏電流；半橋型拓?fù)?/p>

中圖分類號：TM464? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0022-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.007

0? ? 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，為減少對煤炭等化石能源的依賴，國內(nèi)外學(xué)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(yīng)用效率和可靠性，很多研究通過改進(jìn)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方案來降低光伏并網(wǎng)發(fā)電過程中的漏電流[1-3]。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(shù)中，導(dǎo)致漏電流循環(huán)的共模路徑每隔一定時(shí)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(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[4]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(nèi)充電，而在負(fù)半周期內(nèi)放電，因此實(shí)際應(yīng)用中需要配置較大的濾波器。近年來，也有學(xué)者指出可采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]，通過采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)和電容電壓閉環(huán)控制來完全消除漏電流，但同時(shí)也提高了元器件投資應(yīng)用成本和控制方案的復(fù)雜度，一定程度上約束了其工業(yè)應(yīng)用范圍。

本文提出了一種應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)零漏電流的三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該逆變器總共需要6個(gè)開關(guān)器件，其中4個(gè)開關(guān)使用半橋型拓?fù)淠K實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)中飛跨電容在每個(gè)開關(guān)周期中完成充電。同時(shí)也提出了一種簡單的基于邏輯門的脈沖產(chǎn)生方案。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出的并網(wǎng)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(gè)開關(guān)組成，因此也可以稱為六開關(guān)逆變器。該逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能使光伏陣列輸出負(fù)極和電網(wǎng)直接連接，可完全消除漏電流。本文提出的六開關(guān)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(dǎo)通狀態(tài)，其他開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖1（b）所示，輸入電壓源連接在產(chǎn)生正電壓電平的輸出端子上，這種模式下工作的開關(guān)器件數(shù)量為2個(gè)。

（2）零電壓：在該狀態(tài)下，S1、S4、S5開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，其余開關(guān)處于關(guān)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(guān)S5的導(dǎo)通可以使輸出端短路，從而產(chǎn)生零電壓電平，這種模式下工作的開關(guān)器件數(shù)量為4個(gè)。

（3）負(fù)電壓：在該狀態(tài)下，S2和S4開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，其余開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖1（d）所示，充電后的飛跨電容為負(fù)載提供電源。飛跨電容以一種產(chǎn)生負(fù)電壓電平的方式連接，這種模式下工作的開關(guān)器件數(shù)量為2個(gè)。

以上三種工作模式的交替變化將會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出端產(chǎn)生斬波單極電壓，由于六開關(guān)逆變器在每次正電壓或負(fù)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(yù)。此外，雙向開關(guān)S5的使用也減少了一個(gè)門驅(qū)動(dòng)器數(shù)量，間接降低了投資成本。

2? ? 調(diào)制方案實(shí)現(xiàn)

通過將單個(gè)高頻載波波形（vcar）與參考正弦信號（vref）進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)了一種簡單的單極脈寬調(diào)制方案（PWM）來控制該六開關(guān)逆變器，如圖2所示。按照開關(guān)表中的順序切換執(zhí)行并對輸出進(jìn)行比較，推導(dǎo)出相應(yīng)的門控脈沖。由于6個(gè)開關(guān)中有3個(gè)開關(guān)在半個(gè)電源周期中只運(yùn)行一次，從而可獲得最小的開關(guān)損耗。

3? ? 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出的六開關(guān)逆變器及其控制方法的有效性，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。由于該試驗(yàn)主要目的在于驗(yàn)證逆變器的性能，因此在仿真模型中光伏陣列電源由200 V的恒定直流電源代替，開關(guān)器件柵極電壓為110 V RMS，耦合濾波電感為1.5 mH，飛跨電容為100 μF，電網(wǎng)頻率為50 Hz，逆變器開關(guān)頻率為10 kHz。下面將通過4個(gè)試驗(yàn)來驗(yàn)證逆變器拓?fù)浼翱刂撇呗缘目尚行浴?/p>

試驗(yàn)一（穩(wěn)態(tài)跟蹤）：輸入電網(wǎng)的參考電流ig，ref設(shè)定為幅值10 A、相位與電網(wǎng)電壓相同的正弦電流，功率因數(shù)為1，如圖3（a）所示?？梢钥闯鲭娋W(wǎng)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(wǎng)的實(shí)際電流ig緊緊跟隨參考電流變化，其總諧波失真值僅為1.5%。同時(shí)，飛跨電容在充放電結(jié)束后其電壓總能維持在參考值200 V左右。

試驗(yàn)二（階躍擾動(dòng)）：輸入電網(wǎng)的參考電流ig，ref設(shè)定為初始幅值5 A，在t=0.04 s時(shí)刻發(fā)生階躍變化增加至10 A運(yùn)行，如圖3（b）所示?？梢钥闯鲈趨⒖茧娏靼l(fā)生階躍擾動(dòng)后，流入電網(wǎng)的實(shí)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(shí)飛跨電容電壓也顯現(xiàn)了很好的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行精度。

試驗(yàn)三（無功支撐）：為測試該拓?fù)淠孀兤髦坞娋W(wǎng)無功功率需求的能力，設(shè)定在初始階段輸入電網(wǎng)的參考電流ig，ref與電網(wǎng)電壓vg同相位運(yùn)行，而在0.04 s時(shí)刻參考電流相位改變，滯后于電網(wǎng)電壓運(yùn)行，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，運(yùn)行波形如圖3（c）所示?？梢钥闯?，不論參考電流怎么變化，流入電網(wǎng)的實(shí)際電流ig總是能緊密跟隨變化，保持很好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。

試驗(yàn)四（無功支撐）：該試驗(yàn)與試驗(yàn)三相似，僅是考量輸入電網(wǎng)的參考電流ig，ref相位超前電網(wǎng)電壓相位運(yùn)行的變化趨勢，如圖3（d）所示，也獲得了與試驗(yàn)三相同的試驗(yàn)效果。兩個(gè)試驗(yàn)下，飛跨電容電壓均具有很好的穩(wěn)態(tài)精度。

4? ? 結(jié)語

本文提出了一種可產(chǎn)生零漏電流的三電平接地型逆變器，即六開關(guān)逆變器。六開關(guān)逆變器由兩個(gè)半橋模塊和兩個(gè)分立開關(guān)器件組成，在降低拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜性的同時(shí)，也提高了該光伏逆變器的輸出功率密度。此外，由于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有交流去耦的優(yōu)點(diǎn)，確保了飛跨電容在充放電過程中的電壓平衡。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提六開關(guān)逆變器的可操作性和有效性，也為光伏并網(wǎng)的工業(yè)應(yīng)用探索了一種新思路。

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收稿日期：2023-01-31

作者簡介：蔡亞?。?995—），男，甘肅人，助理工程師，研究方向：高低壓電器產(chǎn)品試驗(yàn)。

通信作者：裴旭東（1990—），男，甘肅人，高級工程師，研究方向：發(fā)輸變電工程及高電壓技術(shù)。