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新型單相不對(duì)稱五電平無變壓器型光伏逆變器
日期:2019-01-08   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:anni_hyp 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:新型單相不對(duì)稱五電平無變壓器型光伏逆變器,可實(shí)現(xiàn)減少開關(guān)器件,確保電平輸出,相應(yīng)的開關(guān)控制策略之下,完成了五電平輸出。對(duì)于無變壓器型逆變器,為保證能夠安全并網(wǎng)工作,該拓?fù)涞穆╇娏饕卜蠂H標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的兩電平逆變器只有兩個(gè)輸出電平+vPV和-vPV,在高頻開關(guān)下工作,會(huì)帶來很大的電流諧波、功率損耗和電磁干擾等問題,不能向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量電能[1-2]。

逆變器(Multilevel Inverters,MLI)可以利用低功率器件獲得高壓,輸出多個(gè)不同電壓等級(jí),降低總諧波失真(THD),減小了濾波器尺寸,同時(shí)具有器件開關(guān)頻率低、損耗小、電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn),在高壓大功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用[3-5]。常規(guī)的多電平逆變器拓?fù)浞譃槿N:中性點(diǎn)鉗位(NPC)、飛跨電容(FC)和級(jí)聯(lián)H橋(CHB)多電平逆變器[6-8]。NPC-MLI多電平逆變器電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制控制方法簡單,不需要額外的獨(dú)立直流電源,但需要較多數(shù)量的鉗位二極管;FC-MLI的開關(guān)狀態(tài)組合靈活,需要大量的箝位電容和考慮飛跨電容電壓不平衡等問題。CHB-MLI不需箝位二極管和箝位電容,控制方式簡單,但需要數(shù)量眾多的獨(dú)立直流電壓源[9-10]。如何在保證相同電平輸出的同時(shí)減少電力電子器件數(shù)量是目前研究多電平逆變器的重點(diǎn)。多電平逆變器的提出滿足這一需求[11-13]。文獻(xiàn)[11]將對(duì)稱和不對(duì)稱的兩種逆變器結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析,級(jí)聯(lián)不對(duì)稱拓?fù)錇榫烹娖侥孀兤鞣抡孑敵觯Y(jié)論與傳統(tǒng)MLI相比,不對(duì)稱MLI能夠保證最大電平輸出并具有更少的開關(guān)管、二極管和電容器等器件。在提出的新型不對(duì)稱五電平[12]和七電平[13]逆變拓?fù)渲械玫酵瑯拥尿?yàn)證。

本文從減少開關(guān)器件,確保電平輸出的角度出發(fā),提出了一種單相不對(duì)稱T型五電平逆變拓?fù)洌ˋsymmetric T-type five-level HB,A-T5L-HB)。該拓?fù)湓谙鄳?yīng)的開關(guān)控制策略之下,完成了五電平輸出。對(duì)于無變壓器型逆變器,為保證能夠安全并網(wǎng)工作,該拓?fù)涞穆╇娏饕卜蠂H標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

1 A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新型A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它由基本H橋和T型橋兩部分組成,其中T型橋位于H橋和直流分壓電容C1、C1之間,是一對(duì)相反的功率管和二極管組成的并聯(lián)橋路。該拓?fù)溆每呻p向?qū)ǖ纳倭康拈_關(guān)器件在相應(yīng)的調(diào)制策略下實(shí)現(xiàn)五電平輸出,無需考慮電容電壓不平衡問題,效率高于傳統(tǒng)多電平逆變器,泄露電流也符合國際標(biāo)準(zhǔn)。

新型單相不對(duì)稱五電平無變壓器型光伏逆變器

1.2 工作原理

為了完整地輸出五電平,圖2(a)~(f)分別描述了A-T5L-HB拓?fù)湔?fù)半周期的六個(gè)工作狀態(tài),詳細(xì)過程闡述如下:

新型單相不對(duì)稱五電平無變壓器型光伏逆變器

(1)工作狀態(tài)1,在載波信號(hào)的正半周期,S1、S4導(dǎo)通,其他關(guān)斷,對(duì)應(yīng)基本H橋正常工作狀態(tài),如圖2(a)所示。電流通過開關(guān)管S1、濾波電感L1、電網(wǎng)Ug、濾波電感L2,經(jīng)開關(guān)管S4返回。此時(shí)輸出電壓vAB=vPV。

(2)工作狀態(tài)2,無功傳輸階段,開關(guān)管S4保持導(dǎo)通,開關(guān)管S1關(guān)斷,S6導(dǎo)通,二極管D2承受正向電壓導(dǎo)通,如圖2(b)所示。電流通過開關(guān)管S4、分壓電容C2、二極管D2和開關(guān)管S6流向?yàn)V波電感和電網(wǎng)。此時(shí)輸出電壓vAB=vPV/2。

(3)工作狀態(tài)3,在開關(guān)管S5導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間,導(dǎo)通開關(guān)管S3和S4,電流流向如圖2(c)所示,此時(shí)輸出電壓為vAB=0。

(4)工作狀態(tài)4,在載波信號(hào)的負(fù)半周期,S2、S3導(dǎo)通,其他關(guān)斷,對(duì)應(yīng)基本H橋正常工作狀態(tài),如圖2(d)所示。電流通過開關(guān)管S2、濾波電感L2、電網(wǎng)Ug、濾波電感L1,經(jīng)開關(guān)管S3返回。此時(shí)輸出電壓vAB=-vPV。

(5)工作狀態(tài)5,無功傳輸階段,開關(guān)管S2保持導(dǎo)通,開關(guān)管S3關(guān)斷,S5導(dǎo)通,二極管D1承受正向電壓導(dǎo)通,如圖2(e)所示。電流通過二極管D1和開關(guān)管S5、分壓電容C2和開關(guān)管S2流向?yàn)V波電感和電網(wǎng)。此時(shí)輸出電壓vAB=-vPV/2。

(6)工作狀態(tài)6,在開關(guān)管S6導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間,導(dǎo)通開關(guān)管S1和S2,電流流向如圖2(f)所示,此時(shí)輸出電壓為vAB=0。

綜上所述,這六個(gè)工作狀態(tài)在相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)下完成了-vPV、-vPV/2、0、vPV/2和vPV五個(gè)電平的電壓輸出。

2 開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)

為更清晰地觀察開關(guān)狀態(tài),將上述六個(gè)工作狀態(tài)總結(jié)如下,具體如表1所示。vAN和vBN分別表示A、B兩點(diǎn)的對(duì)地電壓,vAB為逆變輸出電壓,vPV為光伏直流電源電壓。數(shù)字1和數(shù)字0用以表示開關(guān)S1~S6的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài),“1”代表開關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài),“0”代表開關(guān)為關(guān)斷狀態(tài)。

新型單相不對(duì)稱五電平無變壓器型光伏逆變器

根據(jù)五電平逆變器工作狀態(tài)的分析,可以總結(jié)出6個(gè)開關(guān)管S1~S6的開關(guān)狀態(tài)。其中,開關(guān)管S2和S4在電網(wǎng)周期內(nèi),以基波頻率開斷一次,正半周期,S4始終導(dǎo)通,S2保持關(guān)斷;負(fù)半周期,S2始終導(dǎo)通,S4保持關(guān)斷。開關(guān)管S1和S3在不同電平階段以高頻方式開斷。開關(guān)管S5(或S6)與S1和S3以互補(bǔ)方式開斷。根據(jù)傳統(tǒng)的多電平逆變器載波位移的控制策略,結(jié)合提出五電平逆變器開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài),研制載波移相CPS-PWM(Carrier Phase Shift-PWM)控制策略,如圖3所示。將三角載波信號(hào)分成四個(gè)等寬的載波信號(hào),載波信號(hào)的初始相位依次移動(dòng)90°,與參考正弦波信號(hào)相比較得出控制開關(guān)管的脈沖信號(hào)。 在水平和垂直方向分成四個(gè)區(qū)域,代表逆變器不同的工作狀態(tài)和不同的電平分區(qū)。區(qū)域1:對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)1,輸出電平從vPV/2變?yōu)関PV;區(qū)域2:對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)2,輸出電平從0變?yōu)関PV/2;區(qū)域3:對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)5,輸出電平從0變?yōu)?vPV/2;區(qū)域4:對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)4,輸出電平從-vPV/2變?yōu)?vPV。

新型單相不對(duì)稱五電平無變壓器型光伏逆變器

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證A-T5L-HB拓?fù)湓贑PS-PWM控制策略的五電平輸出,在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真。圖4仿真輸出的是載波在低頻下的開關(guān)驅(qū)動(dòng)狀態(tài),與開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的分析一致,調(diào)整為高頻驅(qū)動(dòng)分別用于新型拓?fù)溟_關(guān)S1~S6的控制。

新型單相不對(duì)稱五電平無變壓器型光伏逆變器

新型A-T5L-HB逆變拓?fù)涞姆抡孑敵鋈鐖D5所示。在圖5中可以觀察到輸出電壓vAB的波形,在光伏直流電源值為400 V時(shí),五電平輸出分別為-400 V、-200 V、0 V、200 V和400 V。對(duì)輸出電壓vAB的波形進(jìn)行FFT分析,結(jié)果在圖6中給出,電壓的諧波畸變率THD為28.44%,與文獻(xiàn)5中記錄的傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)單相五電平逆變器(THD為36.56%)相比較,諧波畸變率下降。負(fù)載電流輸出波形如圖7所示,近似為正弦波輸出,但有諧波注入。對(duì)該波形進(jìn)行FFT分析,結(jié)果如圖8所示,得出負(fù)載電流的THD為4.23%,符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE-1000的規(guī)定,并網(wǎng)電流諧波畸變因數(shù)(THD)在5%以下。

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對(duì)于無變壓器型逆變器,因共模電壓不穩(wěn)定造成的漏電流依然會(huì)有電磁傳導(dǎo)和諧波注入等問題,嚴(yán)重時(shí)對(duì)人身安全構(gòu)成威脅,所以安規(guī)中對(duì)于漏電流的限制為不超過300 mA。共模電壓和漏電流的波形如圖9和圖10所示。理論上,共模電壓應(yīng)該穩(wěn)定為某一定值,但由于五電平逆變器電壓輸出多個(gè)電平,共模電壓值在100 V~200 V之間波動(dòng),具體波形如圖9所示。由此引發(fā)的漏電流在逆變器工作時(shí)不規(guī)則變動(dòng),波形如圖10所示??梢钥吹剑娏髦翟谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化,峰值最高在100 mA附近,未超過安全范圍。

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4 結(jié)論

本文提出了一種新型不對(duì)稱五電平逆變拓?fù)洌碅-T5L-HB拓?fù)?。介紹了該拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)并詳細(xì)分析了它的工作原理,研制了相應(yīng)的載波移相(CPS-PWM)控制策略,最后用仿真進(jìn)行了驗(yàn)證,得出以下結(jié)論:(1)新型A-T5L-HB拓?fù)溆?個(gè)開關(guān)管和2個(gè)二極管組成,與傳統(tǒng)的五電平逆變器相比較,具有更少的電力電子器件和損耗;(2)新型A-T5L-HB拓?fù)湓贑PS-PWM控制策略下完成了五電平輸出,輸出電壓和電流的諧波畸變小,能夠很好地應(yīng)用于光伏逆變系統(tǒng);(3)由于缺少電氣隔離,漏電流不可避免,新型A-T5L-HB拓?fù)湟蚬材k妷翰▌?dòng)引起的漏電流符合標(biāo)準(zhǔn)范圍,因此該拓?fù)湓诠夥到y(tǒng)中能夠安全可靠運(yùn)行。

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原標(biāo)題:新型單相不對(duì)稱五電平無變壓器型光伏逆變器
 
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