引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),為減少對(duì)煤炭等化石能源的依賴(lài),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在如何開(kāi)發(fā)利用光伏等綠色清潔能源方面開(kāi)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(guò)改進(jìn)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方案來(lái)降低光伏并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中的漏電流。漏電流問(wèn)題主要有兩種解決方法,一是通過(guò)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)提出可通過(guò)虛擬直流總線(xiàn)來(lái)降低漏電流,但是作為虛擬直流總線(xiàn)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(lái),也有學(xué)者指出可采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過(guò)采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)和電容電壓閉環(huán)控制來(lái)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(kāi)關(guān)器件,其中4個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)周期中完成充電。同時(shí)也提出了一種簡(jiǎn)單的基于邏輯門(mén)的脈沖產(chǎn)生方案。最后,通過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)組成,因此也可以稱(chēng)為六開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài),其余開(kāi)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(guò)控制開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài),其余開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)須任何控制干預(yù)。此外,雙向開(kāi)關(guān)s5的使用也減少了一個(gè)門(mén)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(guò)將單個(gè)高頻載波波形)2car)與參考正弦信號(hào))2ref)進(jìn)行比較,設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的單極脈寬調(diào)制方案)PwM)來(lái)控制該六開(kāi)關(guān)逆變器,如圖2所示。按照開(kāi)關(guān)表中的順序切換執(zhí)行并對(duì)輸出進(jìn)行比較,推導(dǎo)出相應(yīng)的門(mén)控脈沖。由于6個(gè)開(kāi)關(guān)中有3個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗。

3仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出的六開(kāi)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200V的恒定直流電源代替,開(kāi)關(guān)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(wǎng)頻率為50Hz,逆變器開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。下面將通過(guò)4個(gè)試驗(yàn)d來(lái)驗(yàn)?zāi)孀兤魍負(fù)浼翱刂撇呗缘目尚行浴?

試來(lái)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l0A、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。可以看出電網(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l.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200V左右。

試來(lái)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5A,在t=0.04s時(shí)刻發(fā)生階躍變化增加至l0A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(méi)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。

試來(lái)三(無(wú)功支撐):為測(cè)試該拓?fù)淠孀兤髦坞娋W(wǎng)無(wú)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,g同相位運(yùn)行,而在0.04s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(b)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。

試來(lái)四(無(wú)功支撐):該試來(lái)與試來(lái)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(shì),如圖3(c)所示,也獲得了與試來(lái)三相同的試來(lái)效果。兩個(gè)試來(lái)下,飛跨電容電壓均具有很好的穩(wěn)態(tài)精度。

4結(jié)語(yǔ)

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(kāi)關(guān)逆變器。六開(kāi)關(guān)逆變器由兩個(gè)半橋模塊和兩個(gè)分立開(kāi)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(guò)程中的電壓平衡。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提六開(kāi)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。