5kW单相光伏逆变器的系统设计

电气传动2016年第46卷第8期5kW单相光伏逆变器的系统设计李钊1，张立强2，袁绍民2，邢文超2，王议锋3（1.天津电气科学研究院有限公司，天津300180；2.天津天传新能源电气有限公司，天津300180；3.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）摘要：研究了单相光伏逆变器的系统设计，采用三电平半桥技术解决了单相光伏逆变器的共模电压问题；系统分析了单相三电平光伏逆变器的模型与控制方法；提出了一种基于馈网电流的三电平电容中点电压控制方式，成功解决了中点电压不平衡问题。通过仿真和样机实验分别对5kW单相光伏逆变器的系统设计进行了验证。关键词：中点钳位三电平；共模电压；系统模型；中点电压中图分类号：TM461文献标识码：A5kWSinglePhaseSolarInverterSystemDesignLIZhao1，ZHANGLiqiang2，YUANShaomin2，XINGWenchao2，WANGYifeng3（1.TianjinResearchInstituteofElectricScienceCo.，Ltd.，Tianjin300180，China；2.TianjinTRIEDNewEnergyElectricCo.，Ltd.，Tianjin300180，China；3.MinistryofEducationSmartGridLaboratory，TianjinUniversity，Tianjin300072，China）Abstract:Studiedonthesystemdesignof5kWsingle-phasesolarinverter.Theinverteradoptedsingle-phasesplit-capacitorthree-levelneutral-point-clamped（NPC）halfbridgestructuretosolvethecommonmodevoltageproblemofsolarinverter.ThemodelandcontrolmethodofthesinglephaseNPCsolarinverterwereanalyzed.AnewcapacitancemidpointpotentialvoltageofNPCcontrolmethodbasedfeedbacktothegridcurrentcontrolwasproposed.Itsolvedtheproblemoftheunbalanceofcapacitancemidpointpotentialvoltage.Finallythesystemdesignof5kWsingle-phasesolarinverterwasverifiedbysimulationandexperiment.Keywords:three-levelneutral-point-clamped；commonmodevoltage；systemmodel；midpointpotentialvoltage作者简介：李钊（1983-），男，硕士，工程师，Email:[e-mail]2016Vol.46No.8近年来随着石油、煤炭等不可再生资源的日益匮乏，太阳能风能等新能源技术越来越受到关注。特别是近期国家电网推出相关政策允许个人用户太阳能并网发电，家庭或小商户发电上网成为可能。另外光伏电池板的价格持续降低，光伏发电系统的投资成本已能够被个人用户所接受。光伏逆变器作为把光伏板的直流电转变为与电网同频率同相位的交流电的重要环节，其运行的可靠性、安全性、效率、谐波等技术指标变得十分重要。由于电池板对地分布电容较大，如果逆变器工作过程中产生对地共模电压，就会生成较大的共模电流即漏电流，造成安全隐患。北京鉴衡认证中心认证技术规范CGC/GF004：2011中对逆变器的漏电流有明确的要求。通过增加变压器可以解决此问题，但是变压器又会带来效率的降低和成本的增加。无变压器型光伏逆变器怎样抑制由功率管开关带来的共模电压干扰成为近期研究的焦点。现有单相光伏逆变器大多采用H桥的拓扑结构［1］。H桥拓扑的开关调制方式可分为双极性调制和单极性调制。单极性调制由于控制方式的原因会产生很大的共模电压，需要增加较复杂的共模抑制电路（例如Π型滤波器），双极性调制原理上不会产生共模电压，但其每次开关换流过程都是在2个IGBT和2个二极管间进行，开关损耗大，效率低。SMA公司推出的H5结构在较高36电气传动2016年第46卷第8期效率下能够较好地解决H桥电路的共模电压问题，但该方法具有专利保护限制，不能直接应用于装置研发。针对于此，本文重点分析并设计了一款用于家庭或小商户的5kW单相光伏逆变器，其特点是采用三电平半桥无变压器结构。半桥三电平电路可以有效地解决共模电压问题。另外三电平电路中每个开关管的耐压值为两电平的一半，因此开关管的开关速度更快、损耗小、逆变器效率高。逆变器控制系统采用矢量控制方式，电流谐波小，系统运行稳定。1单相光伏逆变器拓扑结构和共模干扰抑制方法分析本文所采用的三电平半桥结构可较好地解决共模电压问题，如图1所示，三电平半桥结构的C1，C2中点加在电网的N线上，由于电网的N线与大地相连、电容上电压不会突变，所以光伏板正负极与大地电压恒定，不会出现共模电压干扰。另外三电平半桥结构在开关调制过程中，每次开关换流过程只在1个IGBT和1个二极管间进行：在电网电压为正时，V1，V3在PWM的互补的方式工作，V2常通，V4关断；在电网电压为负时，V4，V2在PWM的互补的方式工作，V3常通，V1关断。开关损耗小，系统效率高。2单相三电平半桥光伏逆变器系统模型及控制方法传统三相光伏逆变器的系统模型为［4-5］uaabc=Riabc+Ldiabcdt+uiabc（1）式中：uaabc为逆变器输出端交流电压；iabc为逆变器输出电流；R为输出电阻；L为输出电感；uiabc为电网端交流电压。式（1）经过abc轴到αβ轴变换后为uaαβ=Riαβ+Ldiαβdt+uiαβ（2）式（2）经过αβ轴到dq轴的同步角频率ω旋转变换后为éëêùûúuaduaq=Léëêùûúdid/dtdiq/dt+éëRLωùû-LωRéëêùûúidiq+éëêùûúuiduiq（3）式（3）中，Lω项为耦合项，可采用前馈的方法进行解耦控制。éëêùûúuaduaq=Léëêùûúdid/dtdiq/dt+éëêùûúRd00dRéëêùûúidiq+éëêùûúuiduiq+éëêùûúupdupq（4）其中upd=-Lωiqupq=Lωid逆变器侧控制目标是通过调节逆变器输出电压来控制并网点电流，达到向电网输送电能或调节并网点无功功率等目的。加在电感两端的控制量uc为éëêùûúucducq=Léëêùûúdid/dtdiq/dt+éëêùûúRd00dRéëêùûúidiq（5）此控制对象为一阶惯性系统。根据自动控制理论，采用反馈控制+PI控制器的方式能使系统电流达到快速无超调无差的控制效果。系统控制原理图如图2所示。单相系统相比于三相系统只有一相的电压电流，直观来说不具备abc轴到αβ轴，αβ轴到dq轴的坐标变换条件。如果沿用上述三相系统控制方法，就需要虚拟出比α轴滞后90°的β轴，即电流控制中所需的iβ量。构造iβ本文采取如图3所示的通过虚拟在β图1三电平半桥系统图Fig.1Threelevelhalfbridgesystemgraph图2系统控制原理图Fig.2Systemcontroltheorygraph图3虚拟β轴电流原理图Fig.3Virtualβaxiscurrenttheorygraph李钊，等：5kW单相光伏逆变器的系统设计37电气传动2016年第46卷第8期轴同样存在电感电阻滤波网络的方式实现。图3中uiβ通过锁相环模块生成［2］，Udelay为模拟电力电子器件带来的小时间常数的滞后。3单相三电平半桥中点电压控制方法三电平半桥电路的电容中点作为拓扑中的重要节点参与到能量传输的过程中［3，6-7］。但如果不把电容电压平衡作为控制目标的话，由于器件参数差异、采样偏差等原因会导致中点电位漂移，严重时系统会失去控制甚至损坏功率器件。三电平中点不平衡的原因分析：如图1所示，当电网电压运行于正半周时，上半桥电容C1输出能量；当电网电压运行于负半周时，下半桥电容C2输出能量。假设由于器件参数不对称、温漂等原因，在一个工频周期中，C1上输出的能量大于C2；另外由于相对于光伏板充电回路C1，C2为串联连接，充电电流相同，在相同时间内C1，C2所充的能量相等；那么在相同初始电压（1/2Udc）的前提下，一个工频周期后，C1上平均电压会小于1/2Udc，C2上平均电压大于1/2Udc。在没有其他控制策略的情况下C1无法得到额外的能量补充，几个工频周期后就会出现明显的中点电位不平衡问题。为解决此问题，本文提出一种控制馈网电流有效值的方法。检测一个工频周期内的C1上电压U+和C2上电压U-的平均值。当U+U-时，增加C1的出力，减小C2的出力，即增加电网电压为正时的电流有效值，降低电网电压为负时的电流有效值；当U+U-时，控制相反。因为造成中点电压不平衡的原因在控制系统中作为扰动考虑，其扰动值一般较小；另外上下组电容电压允许在一定的电压差下运行，所以电压平衡控制方式采用比例控制Idelta=K×［（U+）-（U-）］；系统控制框图如图4所示，有功电流给定Id由电压外环算出，Idelta加入到Id中。通过检测上下组电容的电压差，生成Idelta控制信号，控制馈网电流有效值大小的方法，实现电容中点电压平衡控制的目的。4仿真分析为验证5kW单相光伏逆变器系统设计的可行性，本文首先通过仿真进行验证。图5给出的是系统在没有加入中点电压控制的情况下，上、下半桥的电容电压波形。可以看出在1s以后电压的不平衡性开始显现，到2s以后十分明显。图6给出的是系统在加入中点电压控制的情况下，上、下半桥的电容电压波形。可以看出不平衡问题被有效的抑制。图7a、图7b给出的是系统在没有加入中点电压控制的情况下，并网点电流波形。其中图7b是图5未加入中点电压控制的电容电压仿真波形Fig.5Capacitancewithoutmidpointpotentialvoltagesimulationwave图6加入中点电压控制的电容电压仿真波形Fig.6Capacitancewithoutmidpointpotentialvoltagesimulationwave图7未加入中点电压控制的并网点电流仿真波形Fig.7Feedbacktogridcurrentsimulationwavenotaddcapacitancemidpointpotentialvoltagecontrol图4电容中点电压控制系统框图Fig.4Capacitancemidpointpotentialvoltagecontrolsystemgraph李钊，等：5kW单相光伏逆变器的系统设计38电气传动2016年第46卷第8期在2s的时刻电流展开波形。可以看出2s后电流有了比较明显的畸变。图8a、图8b给出的是系统在加入中点电压控制的情况下，并网点电流波形。可以看出2s时刻的电流波形比较光滑，畸变得到了很好的抑制。根据光伏板对地的寄生电容值在雨天或潮湿的环境下达到200nF/kWp的参数指标，仿真中对地加入1μF电容以模拟5kW光伏板对地寄生电容。图9给出的是系统寄生电容所产生的共模电流波形，可看出共模电流小于3mA，完全达到系统安全要求［8］。5实验分析在仿真分析的基础上，本文通过制作一台5kW单相三电平半桥式光伏逆变器样机验证了上述理论。样机中的IGBT选用英飞凌公司F3L75R07W2E3三电平桥模块，此模块集成度较高，可提高系统功率密度，减小产品体积。逆变器输出滤波电抗的电感值选为3mH，电阻值为0.05Ω。图10是电网电压波形和并网点电流波形。图11是对样机中电流电压进行的谐波等