基于調(diào)制策略的光伏并網(wǎng)逆變器效率優(yōu)化

李 敏，胡長生，陳 敏，沈國橋，徐德鴻

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

引言

近年來能源危機日益加劇，光伏、風(fēng)能等清潔能源的利用迅猛發(fā)展[1]，作為新能源發(fā)電關(guān)鍵性裝置——并網(wǎng)逆變器的轉(zhuǎn)換效率是衡量發(fā)電系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，深受人們的關(guān)注。為了提高逆變器效率，目前應(yīng)用最多的是單級變換電路，其損耗主要包括主電路功率器件損耗、濾波器損耗以及隔離變壓器損耗。目前已有不少文獻對三相并網(wǎng)逆變器的損耗進行了分析，如文獻[2]對最小開關(guān)損耗的空間矢量調(diào)制方法進行了研究，但缺乏應(yīng)用不同的SVM調(diào)制方法對逆變器整體效率進行系統(tǒng)的比較分析，特別是對磁性元件損耗的影響。

本文以兩種典型的SVM調(diào)制策略為例，系統(tǒng)分析了不同的調(diào)制策略對主電路功率器件、濾波器以及變壓器等的損耗，分析了兩種調(diào)制方式對逆變器效率的影響，并在研制的100 kW光伏并網(wǎng)逆變器上進行了實驗驗證。

1 空間矢量調(diào)制

圖1 所示是目前應(yīng)用于光伏發(fā)電常用的逆變器結(jié)構(gòu)之一，相對于正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）策略，空間矢量調(diào)制（SVM）策略具有較高的直流電壓利用率[3]，更適合應(yīng)用于該并網(wǎng)逆變器中。

圖1 三相光伏并網(wǎng)逆變器

如圖1所示的三相逆變橋，具有8種不同的開關(guān)狀態(tài)（二進制表示為000至111，每個二進制位分別代表A，B，C三相逆變橋上管的開關(guān)狀態(tài)，0代表開關(guān)關(guān)斷，1代表開關(guān)導(dǎo)通），由此確定的三相電壓經(jīng)變換后在平面中對應(yīng)著如圖 2所示的8種基本電壓矢量。這8個基本電壓矢量將平面分成6個扇區(qū)，在使用SVM時，各個矢量的作用時間由參考矢量(Vref)的位置和長度決定。

圖2 八種基本矢量

如圖2所示，參考矢量在第一扇區(qū)內(nèi)時，所采用的矢量為其相鄰的V1和V2，矢量作用時間T1和T2可通過式(1)計算得到。

上式中，TS為開關(guān)周期，零矢量的作用時間T0則由式(2)確定。

由圖 2可以看出，三相逆變器的零矢量有兩個，分別是V0(000)和V7(111)。根據(jù)不同的零矢量作用時間的分配，就會有多種不同的SVM調(diào)制策略。常見的兩種SVM的開關(guān)狀態(tài)矢量的序列組織方式如圖 3所示（第Ⅰ扇區(qū)為例）[4]。這兩種調(diào)制策略的開關(guān)序列都是對稱的。不同之處在于，SVM2每個開關(guān)周期內(nèi)都是用兩個零矢量，SVM5則是在扇區(qū)Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ中使用零矢量V7，扇區(qū)Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ中使用零矢量V0。

圖3 兩種SVM組織序列方法

2 損耗分析

圖1 所示的光伏并網(wǎng)逆變器的損耗主要包括功率器件、濾波器和變壓器的損耗三部分。針對光伏逆變器的特點，在分析中對如表1所示的幾種工況進行研究。

表1 考察的工況

2.1 功率器件損耗分析

逆變器中功率器件的損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。由于三相的對稱性，這里以A相為例來進行損耗分析。

對于單個器件的導(dǎo)通損耗，忽略輸出電流在開關(guān)周期內(nèi)的變化，可用下式來進行計算：

式中：T為基波周期；N為頻率調(diào)制比；i(k)為第k次開關(guān)時的負(fù)載電流；Uon，ton為對應(yīng)的通態(tài)壓降和導(dǎo)通時間，i(k)可用下式表示：

其中Imax為負(fù)載電流的幅值，Uon隨i(k)變化的曲線可從器件手冊中獲得。

對于開關(guān)損耗，每一個開關(guān)周期均會產(chǎn)生一次IGBT的開通損耗、關(guān)斷損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗。總的開關(guān)損耗為：

式中：N1為總開關(guān)次數(shù)；Eon，Eoff和 Erec分別為對應(yīng)輸出電流i(k)時的器件開通、關(guān)斷和二極管反向恢復(fù)所消耗的能量，曲線可從器件手冊中獲得。

功率器件損耗的計算結(jié)果如圖4所示，兩者的導(dǎo)通損耗基本相等，但是SVM5調(diào)制策略在一個開關(guān)周期內(nèi)只有四次開關(guān)動作，在同等的采樣頻率情況下，SVM5的平均開關(guān)次數(shù)只有SVM2的三分之二，從而SVM5調(diào)制策略的開關(guān)損耗小于SVM2調(diào)制策略。

另在功率因數(shù)為1時，使用SVM5調(diào)制策略，是在電流較大的位置不進行開關(guān)動作，根據(jù)式(5)，開關(guān)損耗與開關(guān)電流成正比，因此SVM5序列的開關(guān)損耗減少了40%。

2.2 濾波器損耗分析

濾波電感的損耗主要分成兩個部分，銅耗和鐵耗。

由于濾波電感電流含有大量的諧波，在不考慮臨近效應(yīng)時，電感銅損可表示為：

圖4 SVM2與SVM5調(diào)制功率器件損耗比較

式中：Ik為k次諧波的有效值；Rk為對應(yīng)頻率下的電阻。

同樣是因為濾波電感中存在大量的諧波，所以傳統(tǒng)的基于正弦波激勵計算鐵耗的方法并不能準(zhǔn)確地計算鐵芯損耗，本文通過Ansoft這一有限元分析軟件來計算鐵耗。

在Ansoft中根據(jù)電感的實際尺寸建好如圖 5（a）所示的模型，定義好磁芯和繞組的材料，給定從Matlab/Simulink仿真得到的電流激勵，進行瞬態(tài)磁場的仿真。仿真中所用的硅鋼片為日本JFE公司23ZH100型取向硅鋼片，其磁芯損耗曲線如圖 5（b）所示。

濾波電感上的損耗比較結(jié)果如圖6所示，雖然采用兩種SVM調(diào)制方法時電感電流的頻譜有著相當(dāng)大的差異，但是兩者的銅耗相差無幾，采用SVM5序列調(diào)制時，電感鐵耗只是略大于采用SVM2序列調(diào)制時的電感鐵耗。

圖5 Ansoft仿真模型與磁芯損耗曲線

圖6 SVM2與SVM5調(diào)制濾波電感損耗比較

濾波電容的損耗Pc可用以下公式計算：

式中：UC為電容交變電壓的峰值；f為基波頻率；tanδ0為電介質(zhì)損耗因數(shù)；Rs為電容寄生串聯(lián)電阻；ICrms為電容電流的有效值。

2.3 變壓器損耗分析

變壓器的損耗分析和濾波電感類似，只不過由于經(jīng)過LC濾波之后，如圖7所示，使用兩種調(diào)制方式時，變壓器上的電壓諧波含量很小，可以忽略，可以按照正弦波激勵的方法簡化計算，從而認(rèn)為兩種調(diào)制策略在變壓器上的損耗相等。

經(jīng)過上面的分析可得出如圖 8所示的兩種調(diào)制策略系統(tǒng)總損耗的比較。采用SVM5序列能夠有效的降低開關(guān)損耗，同時不會帶來濾波電感和變壓器損耗的顯著變化，因此采用這種調(diào)制方法有利于提高并網(wǎng)逆變器的效率。

圖7 變壓器諧波電壓分布（工況1）

圖8 SVM2與SVM5調(diào)制逆變器總損耗比較

3 實驗

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，研制了100 kW光伏并網(wǎng)逆變器樣機，分別應(yīng)用SVM5和SVM2調(diào)制策略，進行了100 kW并網(wǎng)實驗，其中：直流側(cè)電壓為530 Vdc，電網(wǎng)相電壓為220 Vac。使用SVM5調(diào)制策略的并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的實驗波形如圖9所示，電網(wǎng)電壓THD為3.5%，并網(wǎng)電流總諧波失真度(THD)為3.4%，并網(wǎng)功率因數(shù)為0.998。測得兩種調(diào)制策略下，整機效率如圖10所示。從曲線可以看出，采用SVM5控制序列，逆變器效率有明顯的提升。

圖9 SVM5序列100 kW并網(wǎng)實驗波形

圖10 兩種調(diào)制方式的整機效率測試

4 結(jié)論

本文比較分析了應(yīng)用兩種典型SVM調(diào)制策略的并網(wǎng)逆變器的損耗，得出SVM5調(diào)制策略有利于提高并網(wǎng)逆變器效率。100 kW光伏逆變器樣機的實驗結(jié)果驗證了該結(jié)論。

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