新能源儲能逆變器共模電壓降低方法

王迎迎

(浙江浙能能源服務有限公司，浙江 杭州 310006)

在風力發電系統中，高頻共模電壓作用于風機發電裝置對地的雜散電阻，造成發電裝置漏電，降低儲能逆變器的運行速度[1-2]，也威脅到安裝、維護人員的人身安全。在光能發電和新能源汽車系統中，高頻共模電壓作用在單片機樞軸和定位槽之間的雜散電阻上，產生樞軸電流和樞軸電壓，進而使單片機的樞軸損壞，使單片機加速老化[3]。為了確保其安全穩定運轉，降低儲能逆變器的共模電壓是十分必要的。降低儲能逆變器共模電壓的常用方法是增加負載、設計新的電子拓撲和設計新的控制調節模式。

為了降低新能源儲能逆變器共模電壓，本文研究了一種新的降壓方法，消除權重因子，在預選共模電壓時，直接屏蔽共模電壓產生的雜散電阻，選擇一個最優的電壓調制器作用于逆變器，在電壓過零點附近采用單一死區法，從而形成一種合成的降低新能源儲能逆變器的方法。

1 新能源儲能逆變器控制

1.1 新能源儲能逆變器載波移相控制

根據新能源儲能逆變器共模電壓中的集成電路特征，推導出傳統的共模電壓：

(1)

式中：Ua、Ub、Uc為儲能逆變器3個輸出端的輸出電壓，V；H1為脈沖寬度濾波的電感,H；R為電阻,Ω；L為單片機與之相同的觸碰電感,H;和等效電阻,Ω；Ug為單片機的儲能逆變器共模電壓,V[4-5]。

由于只有3個單片機輸出端，所以不會出現Ua+Ub+Uc=0的現象，不管采取哪種脈沖寬度調制策略，Ug的測量值下降非常明顯，新能源儲能逆變器輸出端的輸出電壓不穩定是造成逆變器輸出電阻與電流不平衡的主要原因，為了解決這個問題，在采用控制策略調制方法時，要使共模系統中電壓對地電阻對稱分布。在這樣的操作下，調制控制系統確保任何一個時間段均有一個電路輸出端和一個電壓輸入端，這樣能夠滿足Ug=0的要求，要保證新能源儲能逆變器的集成電路3個輸出端的電壓不能相同，如果出現相同的情況，會出現Ua=0的狀態。

傳統的三相儲能逆變器調制控制策略需要使用相同的調制載波信號作為可控載波，在輸出端的電阻達到峰值時，電路中的電壓會出現零狀態，所以針對此情況，可以采用電路載波移相控制策略來控制儲能逆變器。逆變器結構如圖1所示。

圖1 逆變器結構

根據圖1可知，其主要思想是利用相位差為30的四個載波信號作為四個調制控制信號進行控制，并在輸出電路中獲得輸入調制信號，從而可以很容易地避免零電阻狀態。此時，采用載波移相控制策略的儲能逆變器可以有效地避免零狀態現象，并且對輸出端的四個調制控制信號進行異或運算，新的儲能逆變器輸出端的電壓等于[6]。載波信號是三相對稱的，實際電路負載是四相的，這就保證了儲能逆變器的集成電路不是完全對稱的。這種電路不對稱性對LA的影響很小。上述調制控制策略可以實現新型儲能逆變器的共模電壓載波移相控制[7]。

1.2 新能源儲能逆變器優化控制

采用儲能逆變器載波移相控制策略可改變傳統的逆變器的共模屬性，進而避免逆變器集成電路電壓為零的狀態，當移相控制系統中的調制指數n>0.462時，能夠在儲能逆變器優化控制系統中實現優化，使控制調制區域穩定在0.462以下。

如果儲能逆變器集成電路直流電壓Uab下降到1，那么為了使其保持在n<0.462區域內，需要采用逆變器載波移相控制方案，控制在每一電路中的電流出現的峰值，使Ug的利用率降低[8-9]。逆變器載波移相控制方案如圖2所示。

圖2 新能源儲能逆變器載波移相控制

在對新型儲能逆變器進行優化控制時，調制控制系統在跳躍中向后移動，集成電路的開關次數增加，脈沖調制寬度的差模能量減小，儲能逆變器的輸出電壓發生顯著變化，然后電路對地電阻減小，電容增大，因此，在圖2中，即在新能源儲能逆變器載波移相控制的過程中，差模濾波器電平在后移狀態下補充能量，并與電路的零態電壓等價交換，可以有效地改善移相載波的突變，保持了開關次數不變，即等效于等效狀態下的載波脈沖變換[10-12]，例如：當t為0.5時，新能源儲能逆變器載波移相控制的輸出端的載波幅值為2 V，周期為T2，載波負載點幅值達到峰值，并保持在較小的變化范圍，且持續的時間短，載波脈沖平移過程如圖3所示。

圖3 載波脈沖平移過程

根據圖3可知，如果脈沖信號正弦波在矩形波交叉點出現畸變，使電路零狀態持續時間延長，當三角波交叉點電位降到最低點時，集成電路零狀態持續時間明顯縮短，高電平跳變觸發脈沖信號，所以在設置儲能逆變器集成電路零狀態時，脈沖寬度的變化在一定程度上造成了輸出電壓的凹凸，使脈沖差模屬性頻繁切換，在最短時間內需要補回因為電壓凹凸而改變的脈沖能量N，調制控制優化控制脈沖平移狀態，儲能逆變器脈沖調制策略增加跳變后移控制，保留逆變器脈沖開關次數，補回集成電路電壓零狀態導致改變的電平能量，優化儲能逆變器輸出端輸出電阻的差模屬性，提高畸變率，負脈沖丟失的能量開始補回[13-14]。

2 新能源儲能逆變器共模電壓降低研究

2.1 新能源儲能逆變器共模電壓脈沖調制

在脈沖調制優化過程中，通常需要采用差模載波調試方案來實現多點特性輸出。通過共模電壓負載(Va，Vb)來說明儲能逆變器共模電壓脈沖調制的具體方法，當正弦波小于調制載波時，集成電路輸出端輸出的電壓開關信號為0，開關次數為1，三相上載波信號后移，下端關閉。當輸出端輸出電壓為(V3，V4)時，三相橋臂上管T1導通，下管T2關斷，調制載波的調制信號等效于正弦波的峰值，移相脈沖調制信號Va設置為零，上管T3導通，下管T4關斷，三相的脈沖調制信號等效于三角波負載信號，同時脈沖調制信號M也決定了集成電路輸出端輸出電壓V1和V2的持續時間。當正弦波調制信號小于三角波調制信號時，儲能逆變器集成電路上管T1導通，下管T2關斷，脈沖調制策略輸出信號接近于零，且零狀態持續時間延長，電路開關次數變為3。脈沖調制過程如圖4所示。

圖4 脈沖調制過程

由幾何關系可得：

(2)

式中：ts為作用時間，s。進一步計算可得：

(3)

根據計算獲得的儲能逆變器集成電路輸出端輸出電壓作用在脈沖調制信號的時間，得到三相調制控制信號Vb，實現三角波的畸變分析。在執行過程中需要注意的是，采用以上陳述的脈沖寬度調制方法時，集成電路輸出端輸出電壓的調制信號必須與脈沖序列中所示的調制信號相等。

2.2 新能源儲能逆變器共模電壓抑制

在設計新能源儲能逆變器共模電壓硬件系統與軟件時，由于需要頻繁更換電路設備以及使用較為復雜的編程程序，設計成本增加，使這方面的實際應用受到了局限。在設計儲能逆變器共模電壓調制策略模型時，微處理器作為一種全新的脈沖寬度調制器，具有非線性、靈活控制、多個目標重復出現等優點，借助調制模型的優點，定義共模電壓的目標函數，選擇最優的儲能器以及權重因子。新能源儲能逆變器的電路拓撲結構如圖5所示。

圖5 新能源儲能逆變器的電路拓撲結構

結合脈沖調制電壓矢量，分析新能源儲能逆變器共模電壓抑制方法，具體的抑制方法需要加入死區變量，當調制脈沖相近電壓值互相切換時，儲能逆變器集成電路會產生共模電壓尖峰，當2個相反的脈沖電壓互相切換時，則不會出現共模電壓尖峰的狀態。

在具體分析時，當輸出端電壓設置為交流時，矢量電壓等效為儲能逆變器共模電壓，共模電壓達到尖峰，矢量電壓達到峰值，這時三相上管導通，下管關斷，實現新能源儲能逆變器共模電壓的初始化抑制。共模電抗器及其等效電路如圖6所示。

圖6 共模電抗器及其等效電路

當集成電路中的開關電流方向由正切換為負，交流電壓大于0時，死區等效共模電壓產生電壓尖峰，脈沖信號中的電流滯環寬度增加滯環時[15]，電流波紋出現錯誤扇區，儲能逆變器共模電壓產生電壓尖峰，電流零狀態持續時間縮短，最終實現了新能源儲能逆變器共模電壓抑制。

3 實驗研究

為驗證本文提出的新能源儲能逆變器共模電壓降低方法的有效性，與傳統方法(文獻[3]方法)進行對比實驗。設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

儲能型逆變器的共模電壓采用雙向直流電流，直流共模電壓作為模擬直流發電的負載，以正弦脈沖波形代替三角波，使電路的零狀態持續時間穩定，可以有效地降低開關量，且實驗所用數據參數符合實際標準。稱其為穩態環境，反之為動態環境，二者之間的最大差別為電路零狀態區下的電流曲線(實線)和直流發電狀態下的電流曲線(虛線)的同步性。穩態實驗結果如圖7所示。

圖7 穩態實驗結果

由圖7可知，以穩態采樣區域對應的電流數值為主要實驗結果，本文方法的采樣頻率較快，明顯優于傳統方法，且在經歷最高峰值區域后，可較快的出現下一次峰值，儲能逆變器共模電壓較快產生電壓尖峰，導致電流零狀態持續時間得到縮短，逆變器共模電壓抑制效果可得到保證。

動態響應實驗結果如圖8所示。由圖8可知，與傳統調制方法相比，本文所提的方法將新能源儲能逆變器共模電壓限制在使用范圍之間，有效減小了儲能逆變器集成電路輸出端直流電流的大小，提高了共模電壓動態響應過程。

圖8 動態響應實驗結果

通過采用不同的脈沖調制控制策略，有效地改善了新能源儲能逆變器的共模電壓脈寬調制和脈寬抑制，有效地降低了開關頻率，使開關電壓由原來的5 kHz降至2 kHz，脈沖共模直流電壓穩定在20 V，脈沖調制信號中電路電容在負載電感作用下出現恒定的尖峰。新型儲能逆變器的共模電壓脈沖調制和抑制效果較好，共模電壓變化范圍小，具有較高的適配性，不同周期的共模電壓矢量較大，交流受控電流明顯減少，穩定效果好，脈沖調制速度快，可靠性高。

4 結 語

為了實現新能源儲能逆變器脈沖寬度調制抑制，并降低共模電壓，本文采用了一種儲能抑制模型預測共模電壓降低方法。文中詳細解釋了此種方法應用的原理，通過改善新能源儲能逆變器共模電壓脈沖寬度調制策略，解決共模電壓抑制難以及零狀態持續時間長、開關次數多等問題。脈沖調制控制策略大大降低了儲能逆變器輸出的共模電壓，使儲能逆變器突破了調制策略中限定的指數范圍，應用在多種場合，大大改善了新能源儲能逆變器輸出共模電壓的速度，脈沖調制控制策略交換效果較好，開關次數明顯減少，實現了新能源儲能逆變器共模電壓的有效降低。