HERIC型并網逆變器直流分量的研究

國網湖北省電力公司武漢市沌口經濟開發區供電公司 崔 璨

0 引言

日益加劇的能源危機使得各種新能源發電迅猛發展，越來越多的分布式能源并入電網中，為電力系統提供電能輸出。其中，太陽能發電以其成熟的技術、能源利用率高、發電無污染等特點受到了廣泛的使用[1-3]。太陽能發電有并網運行和孤島運行兩種方式，其中并網運行是目前最為主要的發展方向。太陽能在并網的過程中，通常不適用傳統的變壓器進行變壓并網，而是通多電力電子電路進行整流逆變后，最后并入電力系統中[4]。這個過程對比與傳統變壓器來說，減少了大量的經濟成本和空間成本，而且減少了能源損耗，因此受到了廣泛的使用。但隨著這種逆變器并網的數量和規模逐漸增大，其產生的問題也漸漸顯露出來：典型的全橋并網逆變器在并網的過程中會產生大量的共模電流和直流分量[5-7]。這些直流分量進入電網后，將對電網的安全運行和設備造成不小的危害：引起變壓器偏磁，容易造成電感和變壓器飽和，磁芯過度飽和，設備溫度升高等等。因此，在典型的并網逆變器并網過程中，其產生的直流分量成為了一個不得不解決的問題。目前許多文獻對逆變器直流分量的產生進行了分析，在實際并網的過程中，由于各種檢測原件和開關管、控制原件的偏移，性能差異，導致不同管子間的開通關斷時間存在差別，造成逆變器輸出電流中正負周期的波形不一致，從而產生了直流分量[8]。如何消除并網逆變器中的直流分量成為了目前亟待解決的一個難題，合理控制系統中的直流分量，并且嚴格控制直流分量的含量顯得十分重要。目前針對并網逆變器的研究主要從兩個方面在進行，一方面是針對逆變器的閉環控制策略著手來對直流分量進行抑制，另一方面就是從不同的拓撲結構出發，研究產生直流分量少的拓撲來代替現有拓撲結構[9-10]。本文學習了一種HERIC型并網逆變器，它具有一定的直流抑制作用。

圖1 HERIC型并網逆變器拓撲結構

1 HERIC型并網逆變器

為了減少電力系統中典型并網逆變器工作時產生的直流分量，本文學習了一種HERIC型并網逆變器，其拓撲結構如圖1所示[11-13]。其中，S1-S7為7個反向并聯二極管的功率管，C1、C2為兩個規格相同的電容，Vin為輸入電源，Vgrid為電網電壓。HERIC型并網逆變器與傳統單相全橋并網逆變器的區別在于，在直流側添加了一個隔離支路，在續流情況下能夠將直流電源與交流電網隔離開來。

HERIC型并網逆變器的工作過程可以分為四個模態：

（1）模態一：正半周工作狀態。開關管S1、S4導通，其余關斷，此時電流從電源正極出發，通過S1、L1、Grid、L2、S4，到達電源負極形成回路。在此模態下，有uAN=Vin，uBN=0，此時的共模電壓為uCP=0.5(uAN+uBN)=0.5Vin。

（2）模態二：正半周續流狀態。開關管S5、S7導通，其余關斷。由于電感的存在，電流不會立即減小到0，而是通過L1、Grid、L2、D6、S5形成續流回路，該續流回路將直流電源與電網有效地隔離開來。此外，在此模態下，若Q點電位高于D點電位，則反向并聯的二極管D7導通，電容C1、C2將Q點電位箝位至0.5Vin；同理若Q點電位低于D點電位，則開關管S7正向導通，電容C1、C2仍然將Q點電位箝位至0.5Vin。在正半周續流狀態下，有uAN=0.5Vin，uBN=0.5Vin，此時的共模電壓為uCP=0.5Vin。

（3）模態三：負半周工作狀態。開關管S2、S3導通，其余關斷。此時電流從電源正極出發，通過S3、L2、Grid、L1、S2，到達電源負極形成回路。在此模態下，有uAN=0，uBN=Vin，此時的共模電壓為uCP=0.5(uAN+uBN)=0.5Vin。

（4）模態四：負半周續流狀態。開關管S6、S7導通，其余關斷。此時工作狀態與模態二相類似，電流通過L2、Grid、L1、D5、S6形成續流回路，且Q點電位被箝位至0.5Vin。在負半周續流狀態下，有uAN=0.5Vin，uBN=0.5Vin，此時的共模電壓為uCP=0.5Vin。

以上四個模態中，模態一、二在電網正半周期交替出現，模態三、四在電網負半周期交替出現。

2 直流分量的產生

HERIC型并網逆變器在工作的四個模態下，以上四個模態中，模態一、二在電網正半周期交替出現，模態三、四在電網負半周期交替出現。在HERIC型并網逆變器工作的整個過程中，共模電壓保持不變，且能夠實現直流電源與網側在續流時的隔離，這在一定程度上起到了對直流分量抑制的作用。

相較于傳統逆變器來說，HERIC型并網逆變器在拓撲結構上的改進，使得它工作在續流階段時，直流分量得到了有效的抑制。這里進一步對其工作在逆變狀態下的直流分量進行分析。

當逆變器工作在模態三時，有：

因此A、B兩點在一個工作周期內的平均電壓為：

于是，HERIC型并網逆變器的并網電流ig可表示為：

不難得出，與傳統逆變器相類似地，HERIC逆變器在工作狀態下產生直流分量的原因在于A、B兩點之間的電壓在一個周期內的變化量不為0，而采樣傳感器的零點漂移、驅動信號的不一致、開關性能差異等原因均會造成ts1與ts2的波動，進而導致uAB不為0。

總的來說，在HERIC型并網逆變器工作的過程中，雖然能夠抑制部分的直流分量，但其工作特性并不能徹底消除系統中存在的直流分量。

3 仿真分析

使用Matlab中的Simulation模塊建立了HERIC型并網逆變器的仿真模型，對其輸出波形進行觀察和分析，并與傳統單相全橋逆變器的輸出作對比[20]。仿真過程中HERIC型并網逆變器的參數設置如下：直流側電壓Vin為400V，C1和C2均為5mF，濾波電感為2mH，濾波電容為330uF，電網電壓頻率fg為50Hz，HERIC電路中的開關管開關頻率為20KHz。

圖2 單相全橋逆變器輸出電流波形

圖3 單相全橋逆變器輸出電流頻譜

如圖2所示為相同參數條件下，傳統單相全橋逆變器的輸出電流波形，圖3表示為該拓撲下的輸出電流的頻譜分析圖形。從圖2中可以看出，輸出電流波形相對于縱坐標軸的0點并不是完全對稱，而是存在微小的偏移，這是因為輸出電流中存在少量的直流分量所導致的。在對圖3進行分析時，只需對其在頻率為0時的諧波含量即為系統中的直流分量，根據圖中的顯示可以看出，在單相全橋的拓撲下的直流分量約為0.027%，該直流分量將對電網的安全運行造成困擾，帶來較大的負擔。

圖4 HERIC型逆變器輸出電流波形

如圖4所示為HERIC型逆變器輸出電流波形，圖5為HERIC型逆變器輸出電流頻譜。在圖4中可以看出，相較于單相全橋拓撲中的輸出電流波形，HERIC型逆變器相較于縱坐標0點具有更高的對稱性，即直流分量更少。圖5中能夠看出，此時的直流分量約為0.007%，相比于傳統單相全橋拓撲下的0.027%有了較大的提神，但此時的直流分量并不為零，這是由于HERIC逆變器在工作狀態下時，仍然會存在采樣傳感器的零點漂移、驅動信號的不一致、開關性能有差異等現象造成的，這與前文的理論性研究一致。但整體來說直HERIC型并網逆變器結構能夠較好地抑制電網的直流分量注入，提高了系統的安全性，相應延長了系統中某些裝置的使用壽命。

圖5 HERIC型逆變器輸出電流頻譜

4 結論

大量分布式能源并入電網，給電力系統帶來能量的同時，也帶來了大量的諧波和直流分量進入了電網中。針對并網逆變器并網時產生的直流分量，本文研究了一種帶鉗位的HERIC型并網逆變器，對HERIC型并網逆變器的電路結構和工作模態做出了詳細分析，并分析了其在續流階段具有直流抑制作用的原因，分析了它在工作階段產生直流分量的原因。通過Matlab搭建HERIC模型進行仿真驗證，將仿真結果對比于傳統單相全橋并網逆變器，確定HERIC型并網逆變器相較于單相全橋逆變器具有更好的直流抑制效果，但并無法完全消除系統中的直流分量。