HERIC型并網(wǎng)逆變器直流分量的研究

國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司武漢市沌口經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)供電公司 崔 璨

0 引言

日益加劇的能源危機(jī)使得各種新能源發(fā)電迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的分布式能源并入電網(wǎng)中，為電力系統(tǒng)提供電能輸出。其中，太陽(yáng)能發(fā)電以其成熟的技術(shù)、能源利用率高、發(fā)電無(wú)污染等特點(diǎn)受到了廣泛的使用[1-3]。太陽(yáng)能發(fā)電有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種方式，其中并網(wǎng)運(yùn)行是目前最為主要的發(fā)展方向。太陽(yáng)能在并網(wǎng)的過(guò)程中，通常不適用傳統(tǒng)的變壓器進(jìn)行變壓并網(wǎng)，而是通多電力電子電路進(jìn)行整流逆變后，最后并入電力系統(tǒng)中[4]。這個(gè)過(guò)程對(duì)比與傳統(tǒng)變壓器來(lái)說(shuō)，減少了大量的經(jīng)濟(jì)成本和空間成本，而且減少了能源損耗，因此受到了廣泛的使用。但隨著這種逆變器并網(wǎng)的數(shù)量和規(guī)模逐漸增大，其產(chǎn)生的問(wèn)題也漸漸顯露出來(lái)：典型的全橋并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的共模電流和直流分量[5-7]。這些直流分量進(jìn)入電網(wǎng)后，將對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和設(shè)備造成不小的危害：引起變壓器偏磁，容易造成電感和變壓器飽和，磁芯過(guò)度飽和，設(shè)備溫度升高等等。因此，在典型的并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)過(guò)程中，其產(chǎn)生的直流分量成為了一個(gè)不得不解決的問(wèn)題。目前許多文獻(xiàn)對(duì)逆變器直流分量的產(chǎn)生進(jìn)行了分析，在實(shí)際并網(wǎng)的過(guò)程中，由于各種檢測(cè)原件和開(kāi)關(guān)管、控制原件的偏移，性能差異，導(dǎo)致不同管子間的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間存在差別，造成逆變器輸出電流中正負(fù)周期的波形不一致，從而產(chǎn)生了直流分量[8]。如何消除并網(wǎng)逆變器中的直流分量成為了目前亟待解決的一個(gè)難題，合理控制系統(tǒng)中的直流分量，并且嚴(yán)格控制直流分量的含量顯得十分重要。目前針對(duì)并網(wǎng)逆變器的研究主要從兩個(gè)方面在進(jìn)行，一方面是針對(duì)逆變器的閉環(huán)控制策略著手來(lái)對(duì)直流分量進(jìn)行抑制，另一方面就是從不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，研究產(chǎn)生直流分量少的拓?fù)鋪?lái)代替現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9-10]。本文學(xué)習(xí)了一種HERIC型并網(wǎng)逆變器，它具有一定的直流抑制作用。

圖1 HERIC型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 HERIC型并網(wǎng)逆變器

為了減少電力系統(tǒng)中典型并網(wǎng)逆變器工作時(shí)產(chǎn)生的直流分量，本文學(xué)習(xí)了一種HERIC型并網(wǎng)逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[11-13]。其中，S1-S7為7個(gè)反向并聯(lián)二極管的功率管，C1、C2為兩個(gè)規(guī)格相同的電容，Vin為輸入電源，Vgrid為電網(wǎng)電壓。HERIC型并網(wǎng)逆變器與傳統(tǒng)單相全橋并網(wǎng)逆變器的區(qū)別在于，在直流側(cè)添加了一個(gè)隔離支路，在續(xù)流情況下能夠?qū)⒅绷麟娫磁c交流電網(wǎng)隔離開(kāi)來(lái)。

HERIC型并網(wǎng)逆變器的工作過(guò)程可以分為四個(gè)模態(tài)：

（1）模態(tài)一：正半周工作狀態(tài)。開(kāi)關(guān)管S1、S4導(dǎo)通，其余關(guān)斷，此時(shí)電流從電源正極出發(fā)，通過(guò)S1、L1、Grid、L2、S4，到達(dá)電源負(fù)極形成回路。在此模態(tài)下，有uAN=Vin，uBN=0，此時(shí)的共模電壓為uCP=0.5(uAN+uBN)=0.5Vin。

（2）模態(tài)二：正半周續(xù)流狀態(tài)。開(kāi)關(guān)管S5、S7導(dǎo)通，其余關(guān)斷。由于電感的存在，電流不會(huì)立即減小到0，而是通過(guò)L1、Grid、L2、D6、S5形成續(xù)流回路，該續(xù)流回路將直流電源與電網(wǎng)有效地隔離開(kāi)來(lái)。此外，在此模態(tài)下，若Q點(diǎn)電位高于D點(diǎn)電位，則反向并聯(lián)的二極管D7導(dǎo)通，電容C1、C2將Q點(diǎn)電位箝位至0.5Vin；同理若Q點(diǎn)電位低于D點(diǎn)電位，則開(kāi)關(guān)管S7正向?qū)?，電容C1、C2仍然將Q點(diǎn)電位箝位至0.5Vin。在正半周續(xù)流狀態(tài)下，有uAN=0.5Vin，uBN=0.5Vin，此時(shí)的共模電壓為uCP=0.5Vin。

（3）模態(tài)三：負(fù)半周工作狀態(tài)。開(kāi)關(guān)管S2、S3導(dǎo)通，其余關(guān)斷。此時(shí)電流從電源正極出發(fā)，通過(guò)S3、L2、Grid、L1、S2，到達(dá)電源負(fù)極形成回路。在此模態(tài)下，有uAN=0，uBN=Vin，此時(shí)的共模電壓為uCP=0.5(uAN+uBN)=0.5Vin。

（4）模態(tài)四：負(fù)半周續(xù)流狀態(tài)。開(kāi)關(guān)管S6、S7導(dǎo)通，其余關(guān)斷。此時(shí)工作狀態(tài)與模態(tài)二相類(lèi)似，電流通過(guò)L2、Grid、L1、D5、S6形成續(xù)流回路，且Q點(diǎn)電位被箝位至0.5Vin。在負(fù)半周續(xù)流狀態(tài)下，有uAN=0.5Vin，uBN=0.5Vin，此時(shí)的共模電壓為uCP=0.5Vin。

以上四個(gè)模態(tài)中，模態(tài)一、二在電網(wǎng)正半周期交替出現(xiàn)，模態(tài)三、四在電網(wǎng)負(fù)半周期交替出現(xiàn)。

2 直流分量的產(chǎn)生

HERIC型并網(wǎng)逆變器在工作的四個(gè)模態(tài)下，以上四個(gè)模態(tài)中，模態(tài)一、二在電網(wǎng)正半周期交替出現(xiàn)，模態(tài)三、四在電網(wǎng)負(fù)半周期交替出現(xiàn)。在HERIC型并網(wǎng)逆變器工作的整個(gè)過(guò)程中，共模電壓保持不變，且能夠?qū)崿F(xiàn)直流電源與網(wǎng)側(cè)在續(xù)流時(shí)的隔離，這在一定程度上起到了對(duì)直流分量抑制的作用。

相較于傳統(tǒng)逆變器來(lái)說(shuō)，HERIC型并網(wǎng)逆變器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，使得它工作在續(xù)流階段時(shí)，直流分量得到了有效的抑制。這里進(jìn)一步對(duì)其工作在逆變狀態(tài)下的直流分量進(jìn)行分析。

當(dāng)逆變器工作在模態(tài)三時(shí)，有：

因此A、B兩點(diǎn)在一個(gè)工作周期內(nèi)的平均電壓為：

于是，HERIC型并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流ig可表示為：

不難得出，與傳統(tǒng)逆變器相類(lèi)似地，HERIC逆變器在工作狀態(tài)下產(chǎn)生直流分量的原因在于A、B兩點(diǎn)之間的電壓在一個(gè)周期內(nèi)的變化量不為0，而采樣傳感器的零點(diǎn)漂移、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致、開(kāi)關(guān)性能差異等原因均會(huì)造成ts1與ts2的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致uAB不為0。

總的來(lái)說(shuō)，在HERIC型并網(wǎng)逆變器工作的過(guò)程中，雖然能夠抑制部分的直流分量，但其工作特性并不能徹底消除系統(tǒng)中存在的直流分量。

3 仿真分析

使用Matlab中的Simulation模塊建立了HERIC型并網(wǎng)逆變器的仿真模型，對(duì)其輸出波形進(jìn)行觀察和分析，并與傳統(tǒng)單相全橋逆變器的輸出作對(duì)比[20]。仿真過(guò)程中HERIC型并網(wǎng)逆變器的參數(shù)設(shè)置如下：直流側(cè)電壓Vin為400V，C1和C2均為5mF，濾波電感為2mH，濾波電容為330uF，電網(wǎng)電壓頻率fg為50Hz，HERIC電路中的開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率為20KHz。

圖2 單相全橋逆變器輸出電流波形

圖3 單相全橋逆變器輸出電流頻譜

如圖2所示為相同參數(shù)條件下，傳統(tǒng)單相全橋逆變器的輸出電流波形，圖3表示為該拓?fù)湎碌妮敵鲭娏鞯念l譜分析圖形。從圖2中可以看出，輸出電流波形相對(duì)于縱坐標(biāo)軸的0點(diǎn)并不是完全對(duì)稱(chēng)，而是存在微小的偏移，這是因?yàn)檩敵鲭娏髦写嬖谏倭康闹绷鞣至克鶎?dǎo)致的。在對(duì)圖3進(jìn)行分析時(shí)，只需對(duì)其在頻率為0時(shí)的諧波含量即為系統(tǒng)中的直流分量，根據(jù)圖中的顯示可以看出，在單相全橋的拓?fù)湎碌闹绷鞣至考s為0.027%，該直流分量將對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成困擾，帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān)。

圖4 HERIC型逆變器輸出電流波形

如圖4所示為HERIC型逆變器輸出電流波形，圖5為HERIC型逆變器輸出電流頻譜。在圖4中可以看出，相較于單相全橋拓?fù)渲械妮敵鲭娏鞑ㄐ?，HERIC型逆變器相較于縱坐標(biāo)0點(diǎn)具有更高的對(duì)稱(chēng)性，即直流分量更少。圖5中能夠看出，此時(shí)的直流分量約為0.007%，相比于傳統(tǒng)單相全橋拓?fù)湎碌?.027%有了較大的提神，但此時(shí)的直流分量并不為零，這是由于HERIC逆變器在工作狀態(tài)下時(shí)，仍然會(huì)存在采樣傳感器的零點(diǎn)漂移、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致、開(kāi)關(guān)性能有差異等現(xiàn)象造成的，這與前文的理論性研究一致。但整體來(lái)說(shuō)直HERIC型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)能夠較好地抑制電網(wǎng)的直流分量注入，提高了系統(tǒng)的安全性，相應(yīng)延長(zhǎng)了系統(tǒng)中某些裝置的使用壽命。

圖5 HERIC型逆變器輸出電流頻譜

4 結(jié)論

大量分布式能源并入電網(wǎng)，給電力系統(tǒng)帶來(lái)能量的同時(shí)，也帶來(lái)了大量的諧波和直流分量進(jìn)入了電網(wǎng)中。針對(duì)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的直流分量，本文研究了一種帶鉗位的HERIC型并網(wǎng)逆變器，對(duì)HERIC型并網(wǎng)逆變器的電路結(jié)構(gòu)和工作模態(tài)做出了詳細(xì)分析，并分析了其在續(xù)流階段具有直流抑制作用的原因，分析了它在工作階段產(chǎn)生直流分量的原因。通過(guò)Matlab搭建HERIC模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，將仿真結(jié)果對(duì)比于傳統(tǒng)單相全橋并網(wǎng)逆變器，確定HERIC型并網(wǎng)逆變器相較于單相全橋逆變器具有更好的直流抑制效果，但并無(wú)法完全消除系統(tǒng)中的直流分量。