可控開關非隔離型并網逆變器研究

摘 要：把太陽能轉化為電能的裝置叫做太陽能光伏發電裝置，逆變器是光伏發電裝置的核心部分。該文通過分析典型三相并網逆變器的共模電壓問題，提出一種可控開關非隔離型并網逆變器，其采用SVPWM策略控制技術，通過控制零矢量減小共模電壓的幅值。在此基礎上，應用MATLAB/Simulink對可控開關導通和切斷2種狀態對比仿真，驗證其抑制共模電壓的能力。

關鍵詞：逆變器；共模電壓；可控開關；光伏發電；仿真

中圖分類號：TK51 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0065-05

Abstract： A device that converts solar energy into electricity is called a photovoltaics device. The inverter is the core of a photovoltaic device. In this paper， the common-mode voltage of typical three-phase solar inverter is analyzed， and a controllable switching non-isolated solar inverter is proposed， the amplitude of common-mode voltage is reduced by controlling zero vector. On the basis of this， MATLAB/Simu link is used to compare and simulate the on-off states of the controllable switch， and the ability of suppressing common-mode voltage is verified.

Keywords： inverter; common-mode voltage; controllable switch; photovoltaic power generation; simulation

2023年12月，國務院印發《空氣質量持續改善行動計劃》，指出清潔能源必將大力發展，截至2025年，化石能源消費比重將達80%以下[1]?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出加快規劃建設新型能源體系，鞏固電力裝備、新能源汽車、太陽能光伏、通信設備和動力電池等優勢產業領先地位。

光伏發電裝置作為新能源發電產業中的主要支柱，已成為助力環境可持續發展的有力因素，為“雙碳”目標的實現提供重要保障。把太陽能轉化為電能的裝置叫做太陽能光伏發電裝置，光伏逆變器用在電池板或光伏陣列中，其作為裝置中交、直流電能的轉換設備，相當于光伏的心臟，在整個光伏發電裝置中起著非常重要的作用。

為提高光伏發電裝置的工作效率，減小體積、成本與重量，本文以典型非隔離型三相光伏并網逆變器為研究對象。非隔離型逆變器由于沒有低頻或高頻隔離變壓器，逆變器交流側會出現直流分量，導致共模電壓的產生，進而產生共模電流。共模電流的諧波分量影響系統安全、穩定運行，其產生的輻射會對周圍元件造成干擾，故共模電壓是非隔離型并網逆變器必須解決的關鍵問題之一。

1 可控開關非隔離型并網逆變器

1.1 可控開關非隔離型并網逆變器系統圖

本文提出一種可控開關非隔離型并網逆變器，結構如圖1所示，其由7個控制開關、直流母線側電容、三相對地電容、輸出側濾波電路、傳感器和驅動電路等組成。該逆變器在典型非隔離型并網逆變器的基礎上，在其直流母線正極處加一可控開關S7。當逆變器工作在零矢量狀態時，結合SVPWM策略控制技術，讓控制開關S7可靠斷開，使共?；芈窡o法形成，來解決典型非隔離型并網逆變器共模電壓存在高次諧波、共模電流較大的問題。

圖1中，Cdc為直流母線側電容，Ca、Cb、Cc分別為A、B、C三相對地電容，La、Lb、Lc為開關輸出側濾波電路的濾波電感，N為電網中性點，N′為直流母線與逆變器負端點，ua、ub、uc分別表示A、B、C三相電網電壓的瞬時值，S1～S7為控制開關，A、B、C為三相橋臂中點。

1.2 參數設計

1.2.1 開關管IGBT參數設計

此逆變器按20 kW額定功率運行時，系統電流有效值為30 A左右，最大值可達40 A左右。在充分考慮約1.5倍裕量的情況下，開關管IGBT的額定電流設置為65 A，與目前市場已有65 A開關管IGBT對比分析，選擇信號為LUH50G1204的開關管，其耐壓值為1 200 V，峰值為537 V左右?？紤]本系統每相220 V并網電壓的有效值及系統電壓運行損耗，并網線電壓峰值應大于LUH50G1204的開關管峰值電壓，故直流母線電壓定為700 V。

1.2.2 直流穩壓電容的參數設計

為穩定逆變器直流輸入側的電壓值，可在直流母線側并穩壓電容。當三相系統的電壓發生偏移時，中性點電位改變，系統直流側母線電壓會出現10%的電壓波紋，由上述分析可知，直流母線電壓為700 V，電容參數如式（1）所示

式中：Udm為直流母線側電壓值；ΔUdm為直流母線側電壓波紋值；P為逆變器在額定狀態下的功率；f為電網電壓頻率。

代入參數可得Cdc為398.1 μF，在仿真過程中，可采用兩電容串聯的形式，故單個電解電容數值選取為1 000 μF，其可承受的最大電壓為450 V。滿足系統對電容參數的要求。

1.2.3 交流電感電容參數設計

綜合考慮直流穩壓電容、濾波電路感抗、開關管參數、諧波電容和元器件發熱損耗等參數。

式中：f1為載波頻率；f為基波頻率；fLC為諧振頻率。

將參數帶入公式得

系統LC濾波器的諧振頻率見式（3）

式中：fLC為LC濾波器的諧振頻率；L為交流側電感值；C為交流側電容值。

公式（2）、公式（3）聯立可求出LC的值為[2]

根據上述分析計算可得，交流側電感值可選擇為0.66 mH，電容值可選擇為7.65 μF。

2 共模電壓的分析

2.1 共模電壓計算

由典型三相并網逆變器的分析可知，開關的通斷可使其呈現表1的8種狀態。其中，V1—V6為非零矢量狀態，V0、V7為零矢量狀態，開關狀態中，0表示上管關斷，下管導通，1則相反。

假設光伏電池對地電容數值不變，漏電流的大小直接受共模電壓影響。根據基爾霍夫定律可推導出系統電壓關系[3-4]

， （4）

式中：UAN、UBN、UCN分別為三相橋臂中點與中性點電壓差的瞬時值；ia、ib、ic分別為A、B、C三相瞬時電流值；ua、ub、uc分別為A、B、C三相瞬時電壓值；L為自感系數。

因系統三相對稱運行時，A、B、C三相電壓和為0。

又因|UBN|=|UBN′-UNN′| ， （5）

式中：UBN為任意相到中性點N的電壓瞬時值，UBN′為任意相到逆變器直流側母線負端N′的電壓瞬時值，UNN′為中性點N到逆變器直流側母線負端N′的電壓瞬時值。

可推導出，共模電壓的計算公式如下[5-6]

， （6）

式中：UAN′、UBN′、UCN′分別為三相橋臂中點到直流側母線負端的電壓瞬時值。

將開關狀態量帶入公式，可得

式中：Udc為直流電壓母線的電壓有效值。

計算結果見表1。

2.2 共模電壓抑制原理

根據上述分析可知，當開關S7處于導通狀態時，可控開關非隔離型逆變器與無可控開關的典型逆變器工作原理相同，開關在表1中的8種開關狀態下，共模電壓的幅值有0、1/3Udc、2/3Udc、Udc 4種?？梢?，逆變器工作在零矢量V7時，共模電壓幅值最大，對系統影響最大。此時，將開關S7置于關斷狀態，如圖1所示。上臂開關1、3、5全部導通，下臂開關2、4、6全部關斷，共?；芈窡o法形成，共模電壓為Udc的狀態不存在。故在可控開關非隔離型并網逆變器中，共模電壓的幅值只有1/3Udc、2/3Udc兩種，從而減小了共模電壓的幅值。

3 調制策略的實現

3.1 復平面SVPWM的扇區判斷

可控開關非隔離型逆變器控制策略采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術，SVPWM技術能有效削弱此逆變器的輸出的電流諧波幅值，有效減少電動機產生的脈動轉矩增大的問題，具體實現方法如圖2所示，除去V0、V7兩個矢量，V1、V2、V3、V4、V5、V6六個非零矢量將αβ復平面分為6個扇區，將目標電壓矢量分解到其所在扇區兩側的基本矢量上。

首先以相差120°的3個扇區邊界線構造符號函數，得到目標電壓矢量Vref所在的扇區，設f1、f2、f3滿足

（8）

再定義A、B、C三個變量分別為A=sign（f1）、B=sign（f2）、C=sign（f3），通過判斷符號函數f1、f2、f3與0的大小關系，從而判斷A、B、C三個變量與組合變量N的賦值為1還是0，其中組合變量N為A+2B+4C。具體分析如下，經計算推導，A、B、C、N的分析結果見表2。

3.2 電壓矢量作用時間

與復平面內SVPWM的扇區判斷分析過程類似，先將目標電壓矢量分解為基本矢量，再計算出各個矢量在一個開關周期內的持續作用時間，以時間的長短表示矢量的大小[7-9]，則有：

式中：t0為零矢量狀態下作用時間；t4、t6分別為非零矢量V4、V6在一個開關周期內的持續作用時間；T是開關周期；Vα表示在兩相靜止坐標系下α軸的電壓；Vβ表示在兩相靜止坐標系下β軸的電壓；Udc為直流電壓母線的電壓有效值。

令矢量作用時間為X、Y、Z，則扇區I、扇區II、扇區III、扇區Ⅳ、扇區V和扇區VI電壓矢量作用時間結果如下

TI1=Z；TI2=Y；TII1=Y；TII2=-X；TIII1=-Z；TIII2=X；

TⅣ1=-X；TⅣ2=Z；TV1=X；TV2=-Y；TVI1=-Y；TVI2=Z。

（10）

3.3 扇區矢量切換點的確定

由上述共模電壓抑制原理可知，當V1—V6作用時，使直流母線上的可控開關S7閉合，共模電壓的幅值只有1/3Udc、2/3Udc兩種；當共模電壓在零矢量V0、V7作用時，S7斷開，共?；芈窡o法形成，可得出扇區矢量切換點。

4 仿真驗證

在完成可控開關非隔離型并網逆變器的設計后，為了驗證其有效性，通過MATLAB/Simulink仿真平臺對分析結果進行驗證，所述逆變器仿真平臺如圖3所示。圖中ua、ub、uc分別表示A、B、C三相電網電壓的瞬時值。當可控開關S7導通時，為理想模型系統，當可控開關S7斷開時，為可控開關非隔離型并網逆變器模型系統。其共模電壓仿真平臺參數設置如下：直流側電壓設為400 V，負載電阻設為18 Ω，光伏電池板對地等效電容為1 μF；逆變器功率設為20 kW，濾波電感L設為3.16 mH，等效串聯電阻R設為0.5 Ω，逆變器三相并網電壓、電流的仿真在220 V的電網電壓下進行。

如圖3所示，將可控開關非隔離型并網逆變器仿真平臺中可控開關S7置于導通狀態，仿真結果如圖4所示。

再將仿真平臺中可控開關S7置于斷開狀態，仿真結果如圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，當逆變器處于零矢量狀態時，將可控開關S7置于斷開或導通2種模式時，逆變器的共模電壓與共模電流的幅值大小均不同。由圖4、圖5分析可知，逆變器可控開關S7斷開時，共模電壓與共模電流的幅值較小，共模電流有效值為0.382 A；而逆變器可控開關S7導通時，共模電壓與共模電流的幅值較大，共模電流有效值為0.796 A。通過仿真可見，在典型非隔離型并網逆變器的直流母線正極處加一可控開關S7，通過SVPWM調控策略，可以消去零矢量狀態下，幅值為0、Udc的共模電壓，減小逆變器中共模電壓的幅值，進而減小其共模電流。

5 結論

典型非隔離型逆變器由于沒有低頻或高頻隔離變壓器，其交流側會出現直流分量，導致共模電壓的產生，共模電壓會影響逆變器的正常運行。本文在典型三相并網逆變器的母線正極處安裝了一個可控開關S7，結合SVPWM策略控制技術，當逆變器工作在零矢量V7時，斷開可控開關S7，抑制共模電壓的產生，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

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作者簡介：金麗娜（1989-），女，講師。研究方向為電氣自動化。