新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓降低方法

王迎迎

(浙江浙能能源服務(wù)有限公司，浙江 杭州 310006)

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，高頻共模電壓作用于風(fēng)機(jī)發(fā)電裝置對(duì)地的雜散電阻，造成發(fā)電裝置漏電，降低儲(chǔ)能逆變器的運(yùn)行速度[1-2]，也威脅到安裝、維護(hù)人員的人身安全。在光能發(fā)電和新能源汽車系統(tǒng)中，高頻共模電壓作用在單片機(jī)樞軸和定位槽之間的雜散電阻上，產(chǎn)生樞軸電流和樞軸電壓，進(jìn)而使單片機(jī)的樞軸損壞，使單片機(jī)加速老化[3]。為了確保其安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，降低儲(chǔ)能逆變器的共模電壓是十分必要的。降低儲(chǔ)能逆變器共模電壓的常用方法是增加負(fù)載、設(shè)計(jì)新的電子拓?fù)浜驮O(shè)計(jì)新的控制調(diào)節(jié)模式。

為了降低新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓，本文研究了一種新的降壓方法，消除權(quán)重因子，在預(yù)選共模電壓時(shí)，直接屏蔽共模電壓產(chǎn)生的雜散電阻，選擇一個(gè)最優(yōu)的電壓調(diào)制器作用于逆變器，在電壓過零點(diǎn)附近采用單一死區(qū)法，從而形成一種合成的降低新能源儲(chǔ)能逆變器的方法。

1 新能源儲(chǔ)能逆變器控制

1.1 新能源儲(chǔ)能逆變器載波移相控制

根據(jù)新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓中的集成電路特征，推導(dǎo)出傳統(tǒng)的共模電壓：

(1)

式中：Ua、Ub、Uc為儲(chǔ)能逆變器3個(gè)輸出端的輸出電壓，V；H1為脈沖寬度濾波的電感,H；R為電阻,Ω；L為單片機(jī)與之相同的觸碰電感,H;和等效電阻,Ω；Ug為單片機(jī)的儲(chǔ)能逆變器共模電壓,V[4-5]。

由于只有3個(gè)單片機(jī)輸出端，所以不會(huì)出現(xiàn)Ua+Ub+Uc=0的現(xiàn)象，不管采取哪種脈沖寬度調(diào)制策略，Ug的測(cè)量值下降非常明顯，新能源儲(chǔ)能逆變器輸出端的輸出電壓不穩(wěn)定是造成逆變器輸出電阻與電流不平衡的主要原因，為了解決這個(gè)問題，在采用控制策略調(diào)制方法時(shí)，要使共模系統(tǒng)中電壓對(duì)地電阻對(duì)稱分布。在這樣的操作下，調(diào)制控制系統(tǒng)確保任何一個(gè)時(shí)間段均有一個(gè)電路輸出端和一個(gè)電壓輸入端，這樣能夠滿足Ug=0的要求，要保證新能源儲(chǔ)能逆變器的集成電路3個(gè)輸出端的電壓不能相同，如果出現(xiàn)相同的情況，會(huì)出現(xiàn)Ua=0的狀態(tài)。

傳統(tǒng)的三相儲(chǔ)能逆變器調(diào)制控制策略需要使用相同的調(diào)制載波信號(hào)作為可控載波，在輸出端的電阻達(dá)到峰值時(shí)，電路中的電壓會(huì)出現(xiàn)零狀態(tài)，所以針對(duì)此情況，可以采用電路載波移相控制策略來控制儲(chǔ)能逆變器。逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 逆變器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1可知，其主要思想是利用相位差為30的四個(gè)載波信號(hào)作為四個(gè)調(diào)制控制信號(hào)進(jìn)行控制，并在輸出電路中獲得輸入調(diào)制信號(hào)，從而可以很容易地避免零電阻狀態(tài)。此時(shí)，采用載波移相控制策略的儲(chǔ)能逆變器可以有效地避免零狀態(tài)現(xiàn)象，并且對(duì)輸出端的四個(gè)調(diào)制控制信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算，新的儲(chǔ)能逆變器輸出端的電壓等于[6]。載波信號(hào)是三相對(duì)稱的，實(shí)際電路負(fù)載是四相的，這就保證了儲(chǔ)能逆變器的集成電路不是完全對(duì)稱的。這種電路不對(duì)稱性對(duì)LA的影響很小。上述調(diào)制控制策略可以實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能逆變器的共模電壓載波移相控制[7]。

1.2 新能源儲(chǔ)能逆變器優(yōu)化控制

采用儲(chǔ)能逆變器載波移相控制策略可改變傳統(tǒng)的逆變器的共模屬性，進(jìn)而避免逆變器集成電路電壓為零的狀態(tài)，當(dāng)移相控制系統(tǒng)中的調(diào)制指數(shù)n>0.462時(shí)，能夠在儲(chǔ)能逆變器優(yōu)化控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，使控制調(diào)制區(qū)域穩(wěn)定在0.462以下。

如果儲(chǔ)能逆變器集成電路直流電壓Uab下降到1，那么為了使其保持在n<0.462區(qū)域內(nèi)，需要采用逆變器載波移相控制方案，控制在每一電路中的電流出現(xiàn)的峰值，使Ug的利用率降低[8-9]。逆變器載波移相控制方案如圖2所示。

圖2 新能源儲(chǔ)能逆變器載波移相控制

在對(duì)新型儲(chǔ)能逆變器進(jìn)行優(yōu)化控制時(shí)，調(diào)制控制系統(tǒng)在跳躍中向后移動(dòng)，集成電路的開關(guān)次數(shù)增加，脈沖調(diào)制寬度的差模能量減小，儲(chǔ)能逆變器的輸出電壓發(fā)生顯著變化，然后電路對(duì)地電阻減小，電容增大，因此，在圖2中，即在新能源儲(chǔ)能逆變器載波移相控制的過程中，差模濾波器電平在后移狀態(tài)下補(bǔ)充能量，并與電路的零態(tài)電壓等價(jià)交換，可以有效地改善移相載波的突變，保持了開關(guān)次數(shù)不變，即等效于等效狀態(tài)下的載波脈沖變換[10-12]，例如：當(dāng)t為0.5時(shí)，新能源儲(chǔ)能逆變器載波移相控制的輸出端的載波幅值為2 V，周期為T2，載波負(fù)載點(diǎn)幅值達(dá)到峰值，并保持在較小的變化范圍，且持續(xù)的時(shí)間短，載波脈沖平移過程如圖3所示。

圖3 載波脈沖平移過程

根據(jù)圖3可知，如果脈沖信號(hào)正弦波在矩形波交叉點(diǎn)出現(xiàn)畸變，使電路零狀態(tài)持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)三角波交叉點(diǎn)電位降到最低點(diǎn)時(shí)，集成電路零狀態(tài)持續(xù)時(shí)間明顯縮短，高電平跳變觸發(fā)脈沖信號(hào)，所以在設(shè)置儲(chǔ)能逆變器集成電路零狀態(tài)時(shí)，脈沖寬度的變化在一定程度上造成了輸出電壓的凹凸，使脈沖差模屬性頻繁切換，在最短時(shí)間內(nèi)需要補(bǔ)回因?yàn)殡妷喊纪苟淖兊拿}沖能量N，調(diào)制控制優(yōu)化控制脈沖平移狀態(tài)，儲(chǔ)能逆變器脈沖調(diào)制策略增加跳變后移控制，保留逆變器脈沖開關(guān)次數(shù)，補(bǔ)回集成電路電壓零狀態(tài)導(dǎo)致改變的電平能量，優(yōu)化儲(chǔ)能逆變器輸出端輸出電阻的差模屬性，提高畸變率，負(fù)脈沖丟失的能量開始補(bǔ)回[13-14]。

2 新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓降低研究

2.1 新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓脈沖調(diào)制

在脈沖調(diào)制優(yōu)化過程中，通常需要采用差模載波調(diào)試方案來實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)特性輸出。通過共模電壓負(fù)載(Va，Vb)來說明儲(chǔ)能逆變器共模電壓脈沖調(diào)制的具體方法，當(dāng)正弦波小于調(diào)制載波時(shí)，集成電路輸出端輸出的電壓開關(guān)信號(hào)為0，開關(guān)次數(shù)為1，三相上載波信號(hào)后移，下端關(guān)閉。當(dāng)輸出端輸出電壓為(V3，V4)時(shí)，三相橋臂上管T1導(dǎo)通，下管T2關(guān)斷，調(diào)制載波的調(diào)制信號(hào)等效于正弦波的峰值，移相脈沖調(diào)制信號(hào)Va設(shè)置為零，上管T3導(dǎo)通，下管T4關(guān)斷，三相的脈沖調(diào)制信號(hào)等效于三角波負(fù)載信號(hào)，同時(shí)脈沖調(diào)制信號(hào)M也決定了集成電路輸出端輸出電壓V1和V2的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)正弦波調(diào)制信號(hào)小于三角波調(diào)制信號(hào)時(shí)，儲(chǔ)能逆變器集成電路上管T1導(dǎo)通，下管T2關(guān)斷，脈沖調(diào)制策略輸出信號(hào)接近于零，且零狀態(tài)持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，電路開關(guān)次數(shù)變?yōu)?。脈沖調(diào)制過程如圖4所示。

圖4 脈沖調(diào)制過程

由幾何關(guān)系可得：

(2)

式中：ts為作用時(shí)間，s。進(jìn)一步計(jì)算可得：

(3)

根據(jù)計(jì)算獲得的儲(chǔ)能逆變器集成電路輸出端輸出電壓作用在脈沖調(diào)制信號(hào)的時(shí)間，得到三相調(diào)制控制信號(hào)Vb，實(shí)現(xiàn)三角波的畸變分析。在執(zhí)行過程中需要注意的是，采用以上陳述的脈沖寬度調(diào)制方法時(shí)，集成電路輸出端輸出電壓的調(diào)制信號(hào)必須與脈沖序列中所示的調(diào)制信號(hào)相等。

2.2 新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓抑制

在設(shè)計(jì)新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓硬件系統(tǒng)與軟件時(shí)，由于需要頻繁更換電路設(shè)備以及使用較為復(fù)雜的編程程序，設(shè)計(jì)成本增加，使這方面的實(shí)際應(yīng)用受到了局限。在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能逆變器共模電壓調(diào)制策略模型時(shí)，微處理器作為一種全新的脈沖寬度調(diào)制器，具有非線性、靈活控制、多個(gè)目標(biāo)重復(fù)出現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，借助調(diào)制模型的優(yōu)點(diǎn)，定義共模電壓的目標(biāo)函數(shù)，選擇最優(yōu)的儲(chǔ)能器以及權(quán)重因子。新能源儲(chǔ)能逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新能源儲(chǔ)能逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

結(jié)合脈沖調(diào)制電壓矢量，分析新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓抑制方法，具體的抑制方法需要加入死區(qū)變量，當(dāng)調(diào)制脈沖相近電壓值互相切換時(shí)，儲(chǔ)能逆變器集成電路會(huì)產(chǎn)生共模電壓尖峰，當(dāng)2個(gè)相反的脈沖電壓互相切換時(shí)，則不會(huì)出現(xiàn)共模電壓尖峰的狀態(tài)。

在具體分析時(shí)，當(dāng)輸出端電壓設(shè)置為交流時(shí)，矢量電壓等效為儲(chǔ)能逆變器共模電壓，共模電壓達(dá)到尖峰，矢量電壓達(dá)到峰值，這時(shí)三相上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓的初始化抑制。共模電抗器及其等效電路如圖6所示。

圖6 共模電抗器及其等效電路

當(dāng)集成電路中的開關(guān)電流方向由正切換為負(fù)，交流電壓大于0時(shí)，死區(qū)等效共模電壓產(chǎn)生電壓尖峰，脈沖信號(hào)中的電流滯環(huán)寬度增加滯環(huán)時(shí)[15]，電流波紋出現(xiàn)錯(cuò)誤扇區(qū)，儲(chǔ)能逆變器共模電壓產(chǎn)生電壓尖峰，電流零狀態(tài)持續(xù)時(shí)間縮短，最終實(shí)現(xiàn)了新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓抑制。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文提出的新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓降低方法的有效性，與傳統(tǒng)方法(文獻(xiàn)[3]方法)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

儲(chǔ)能型逆變器的共模電壓采用雙向直流電流，直流共模電壓作為模擬直流發(fā)電的負(fù)載，以正弦脈沖波形代替三角波，使電路的零狀態(tài)持續(xù)時(shí)間穩(wěn)定，可以有效地降低開關(guān)量，且實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)參數(shù)符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。稱其為穩(wěn)態(tài)環(huán)境，反之為動(dòng)態(tài)環(huán)境，二者之間的最大差別為電路零狀態(tài)區(qū)下的電流曲線(實(shí)線)和直流發(fā)電狀態(tài)下的電流曲線(虛線)的同步性。穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，以穩(wěn)態(tài)采樣區(qū)域?qū)?yīng)的電流數(shù)值為主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文方法的采樣頻率較快，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且在經(jīng)歷最高峰值區(qū)域后，可較快的出現(xiàn)下一次峰值，儲(chǔ)能逆變器共模電壓較快產(chǎn)生電壓尖峰，導(dǎo)致電流零狀態(tài)持續(xù)時(shí)間得到縮短，逆變器共模電壓抑制效果可得到保證。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，與傳統(tǒng)調(diào)制方法相比，本文所提的方法將新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓限制在使用范圍之間，有效減小了儲(chǔ)能逆變器集成電路輸出端直流電流的大小，提高了共模電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

圖8 動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過采用不同的脈沖調(diào)制控制策略，有效地改善了新能源儲(chǔ)能逆變器的共模電壓脈寬調(diào)制和脈寬抑制，有效地降低了開關(guān)頻率，使開關(guān)電壓由原來的5 kHz降至2 kHz，脈沖共模直流電壓穩(wěn)定在20 V，脈沖調(diào)制信號(hào)中電路電容在負(fù)載電感作用下出現(xiàn)恒定的尖峰。新型儲(chǔ)能逆變器的共模電壓脈沖調(diào)制和抑制效果較好，共模電壓變化范圍小，具有較高的適配性，不同周期的共模電壓矢量較大，交流受控電流明顯減少，穩(wěn)定效果好，脈沖調(diào)制速度快，可靠性高。

4 結(jié) 語

為了實(shí)現(xiàn)新能源儲(chǔ)能逆變器脈沖寬度調(diào)制抑制，并降低共模電壓，本文采用了一種儲(chǔ)能抑制模型預(yù)測(cè)共模電壓降低方法。文中詳細(xì)解釋了此種方法應(yīng)用的原理，通過改善新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓脈沖寬度調(diào)制策略，解決共模電壓抑制難以及零狀態(tài)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、開關(guān)次數(shù)多等問題。脈沖調(diào)制控制策略大大降低了儲(chǔ)能逆變器輸出的共模電壓，使儲(chǔ)能逆變器突破了調(diào)制策略中限定的指數(shù)范圍，應(yīng)用在多種場(chǎng)合，大大改善了新能源儲(chǔ)能逆變器輸出共模電壓的速度，脈沖調(diào)制控制策略交換效果較好，開關(guān)次數(shù)明顯減少，實(shí)現(xiàn)了新能源儲(chǔ)能逆變器共模電壓的有效降低。