張海明 楊圣

（1.合肥同智機電控制技術有限公司電源研究部 安徽省合肥市 230088）

（2.中國科學技術大學精密機械與精密儀器系 安徽省合肥市 230027）

近年來，分布式光伏呈現出爆發式增長，國家十三五規劃中，分布式光伏發電的裝機量將超過60GW。在分布式光伏發電系統中，光伏逆變器的性能關系到整個光伏發電系統的性能，無變壓器非隔離型三電平光伏并網逆變器因為其低諧波畸變率、低器件承受壓降、結構控制相對簡單和低成本等優勢，在分布式系統中已經得到了廣泛的使用[1～3]。光伏逆變器是分布式光伏發電系統的核心器件，其可靠性對系統的穩定性至關重要。研究逆變器的失效形式對光伏系統具有重要的意義。

現有文獻資料中，針對逆變器的失效性有大量的研究，文獻[4]研究了NPC 型三電平逆變器在正常運行、并網待機及故障停機三種典型工況下的內外管不均壓問題，闡述了每種情況下不平衡現象

的產生的機理，指出回路雜散參數、內外管結電容充放電電流不對稱、等效回路LC振蕩是造成不均壓的主要原因；盡管分析的比較多，但是對實際運行中的主要失效模式分析不夠透徹，所建立的電容模型沒有加上二極管的影響，所以分析不夠充分。文獻[5]研究了中點箝位型三電平變換器系統安全工作區的刻畫及應用，基于器件的安全工作區,綜合考慮了變換器的拓撲結構、直流母線雜散參數、控制系統的延遲以及溫度等因素,推導出了變換器系統安全工作區(SSOA)的數學模型。文獻[6]分析了單相T型三電平逆變器的工作原理和調制控制策略，搭建了損耗模型并研究了電路中各個器件的損耗分布，搭建了4kW的實驗樣機平臺，給出了并網實驗結果，包括并網穩態和動態波形、效率等。文獻[7]以T字型三電平拓撲為切入點,研究IGBT的瞬態行為,從而為提升系統可靠性及優化系統設計做出理論及實證支持。盡管以上文獻對三電平模塊均有研究，但是對于TNPC型逆變器的失效卻研究較少。

本文根據逆變器常見T字型模塊的炸機現象，分析模塊的失效模式，通過對模塊的測試發現了過壓現象，并通過模型分析出產生過壓的原因，并提出了一種簡單的解決方案，實驗結果驗證了理論分析的正確性和所提方案的可能性。

1 TNPC模塊常見的失效現象

在分布式項目中，逆變器失效模式主要是模塊故障，而主流組串式并網逆變器均為T字型三電平逆變拓撲，以常用的模塊M260為例，半橋IGBT(以下簡稱T1管與T4管)為耐壓1200V的開關管，而嵌位開關管(以下簡稱T2管與T3管)為了追求高效率，選擇的IGBT耐壓值為600V。

對大量逆變器的炸機模塊進行分析，發現T字型模塊的損壞通常是上橋臂或下橋臂直通導致的過流炸機。由于死區時間的控制，模塊上下管直通導致炸機的可能性相對比較小（模塊直通通常不會造成T2和T3管的損壞）。

對于T字型三電平并網逆變器最常見的模塊失效就是T2與T3管的失效。

失效的為T3管的并聯二極管，經過與模塊生產廠家共同分析，判定失效的原因為過壓失效。

這種過壓導致的T2或T3損壞，一旦逆變器并網運行，就會導致半橋臂直通而過流炸機，甚至導致逆變器的燒毀，嚴重的情況會導致人身安全和分布式發電系統的停機脫網。

針對模塊T2和T3管過壓失效的原因，對現有逆變器的T2和T3管進行了大量的測試，大部分機器的電壓波形均正常，但是有少量逆變器在繼電器吸合后和PWM脈沖發出之前的時間段，確實有過壓情況。

在逆變器吸合后，系統會有1～2秒的待機時間，該待機時間主要是對繼電器進行自檢，對并網條件進行檢測，該待機時間內，逆變器的四個開關管均處于關斷狀態。理論上，所有逆變器的T2和T3管兩端的電壓值均為電網的半波，但實際中，卻有少數機器逆變器的T2和T3管兩端電壓不盡相同，且有部分電壓超過了耐壓值。

2 TNPC模塊二三管過壓分析

對現有逆變器中的T字型三電平拓撲進行分析，逆變器的結構如圖1所示，當四個半導體開關管T1、T2、T3及T4均處于關斷狀態時，電網電壓VG通過兩個電感L1和L2加到a點與n點之間。

在實際情況中，半導體開關管T2的結電容C2與半導體開關管T3的結電容C3必然會存在偏差，假設結電容C2的容量大于C3，n點電壓為0，在電網電壓VG負半周的下降沿時，二極管D2截止，D3導通，結電容C2處于充電狀態，b點電壓小于零，并逐漸減小，最大會嵌位到負半周的最低點，由于結電容C2的容量大于C3，串聯電路中流過結電容C2與C3的電量相同，結電容C3上的電壓變化就大于C2上的電壓變化，b點電位被充電到谷底后，通過結電容C3充電，結電容C3正電壓變化到峰值后，不足以使b點電位回到正電位，b點一直處于負電平狀態，這樣就會出現ab兩點壓降大于an兩點壓降，半導體開關管T3管出現過壓現象。假設極限情況下，即結電容C3的量為零時，C2沒有了放電回路，b點電平會一直停在電網電壓的谷底，半導體開關管T2壓降為負的電網峰值電壓，T3兩端的電壓就為正偏置的正弦波。

圖1：逆變器的拓撲簡圖

圖2：現有模塊仿真結果

圖3：增加放電電阻后的仿真結果

圖4：增加均壓模塊后T3管并網前后的電壓波形

在380Vac電網中，半導體開關管T3兩端電壓值會達到650V（電網峰峰值），部分分布式540Vac電網中，這個值會達到783V（電網峰峰值）。230V電網系統中，極限條件下不容易出現，而在277V的電網系統中，半導體開關管T2與T3現有拓撲結構再用600V耐壓管而不采取措施就會產生過壓。尤其當機器運行一段時間后，半導體開關管T2與T3的結電容容量的偏差會很大，降低了系統的可靠性。

實際情況中，T2與T3的結電容必然會有所偏差，就會出現上述現象，甚至機器運行一段時間后，兩個開關管的結電容容量偏差很大的情況下，系統就顯得很不可靠。

3 解決過壓失效的新方案

由于結電容偏差導致的過壓問題，可以通過多種方式解決，如增加開關管的耐壓值，將耐壓值提高至900V，也可以滿足光伏分布式系統的要求，但是，在增加開關管電壓的同時，開關管的導通電阻會增加導通損耗和開關損耗均會增加，這將引起效率的降低，會帶來一定的不好的效果，且對已經存量系統中的升級代價太大。

本文提出在T2與T3兩管上并聯均壓模塊，以平衡寄生電容偏差帶來的影響，利用均壓模塊進行均壓和相位調整，使T2與T3即使結電容存在偏差甚至相差很大的情況下，兩管關斷時也不存在某一管過壓的問題，以解決現有技術中可靠性低的問題。

在該系統方案中，均壓模塊可以有多種多樣；首先、最簡單的形式就是阻值在1～10MΩ的電阻，阻值不可太高也不可太低，太高的情況下，放電不完全，也會有電壓偏差，阻值太低的情況下，放電功率太大，會帶來損耗的問題；其次，可以通過增加RC電路的形式，平衡結電容的偏差，使兩管相對均壓。

無論哪種形式，方案均具有如下優點：

（1）在T2與T3兩管上并聯放電電路，解決了兩管均關斷的情況下，電網電壓變化引起兩管耐壓不同。

（2）并聯放電電路后，T2與T3兩管可以使用600V的開關管，耐壓值不會超過開關管要求值，在不犧牲效率的情況下，系統變得更加可靠。

4 仿真模擬和均壓模塊的設計

Ltspice是一種功能強大的模擬電路和數字電路混合仿真軟件，它可以進行各種各樣的電路仿真并給出波形輸出和數據輸出，無論對哪種器件和哪種電路進行仿真，均可以得到精確的仿真結果。

本文利用LtSPICE軟件對電路進行建模復現過壓現象，再根據所提出的均壓方案選擇均壓模塊的均壓電阻。

根據M260模塊規格參數，二三管寄生電容的值為4.62nF，并模擬電網的系統參數和逆變器的工作環境，直流輸入電壓600V，交流電壓277V，建立系統的模型，在繼電器吸合后，逆變器發出PWM脈沖之前的電壓波形，仿真結果如圖2所示。

從圖2的仿真結果看，當二管的結電容為標稱額定值4.62nF，而三管的結電容假設為0V，此時，電網電壓全部加在T3管的兩端，電壓值達到了650V，超過了600V的耐壓值，仿真結果與理論分析以及測試數據十分接近，過壓現象十分明顯。

在復現過壓現象的基礎上，在T2和T3管上并聯放電電阻R1和R2，阻值均為1MΩ，進行仿真后，仿真結果如圖3所示。

從仿真結果可以看出，增加1MΩ的電阻后，T3管的電壓降到了330V以內，且T2與T3管均壓了。

通過以上仿真可以知道，T2與T3管并聯放電電阻后，在系統待機情況下，T2與T3管實現了均壓，開關管工作在安全范圍內，電阻的均壓效果非常好。

5 電路的搭建與實驗結果的測試

根據仿真結果，選擇元器件，并應用于有過壓問題三電平逆變器的逆變模塊上，實際的M260模塊安裝于PCB板下方，緊貼散熱器進行散熱。

在T2與T3管并聯放電電阻后，再對T3管兩端的電壓波形進行測試，測試結果如圖4所示。

由圖4中可以看出，在系統待機自檢階段，四只開關管關斷情況下，T3管的電壓最大值只有415V，處于耐壓600V開關管的安全范圍。

由上述結果可以看出，通過在具有結電容偏差的T2與T3管并聯均壓電阻，兩管在系統待機時間段可以保持電壓相等，不會出現過壓現象，使系統更加安全可靠。

6 小結

本文根據分布式光伏逆變器中，常見的逆變器T2與T3管的故障問題，在測試中發現了少數逆變器在待機過程中有過壓的現象，對該現象進行分析發現是由于結電容的偏差引起的，因此提出了增加均壓模塊的解決方案；通過LtSPICE仿真軟件復現了過壓現象，并進行了均壓模塊的設計；最后通過實際電路的驗證，解決了因為T2與T3管結電容偏差而導致的過壓問題，在不降低系統效率的情況下，提高了系統的可靠性。