调制策略的光伏并网逆变器效率优化

第 2 期2011 年 3 月电 源 学 报Journal of Power Supply No.2Mar.2011李 敏 袁 胡长生 袁 陈 敏 袁 沈国桥 袁 徐德鸿渊 浙江大学 电气工程学院 袁 杭州 310027冤摘要 院 光伏并网逆变器的效率是光伏发电系统的一个重要指标 袁 该文从提高光伏并网逆变器效率的角度出发 袁针对不同的调制策略 袁 分析了光伏并网逆变器主电路开关器件 尧 滤波电感以及变压器的损耗 袁 比较了两种空间矢量调制方法对逆变器效率的影响 袁 得出优化方案 袁 并在研制的 100 kW 光伏并网逆变器进行了实验验证 遥关键词 院 空间矢量调制 曰 损耗分析 曰 效率中图分类号 院 TM 464 文献标志码 院 A 文章编号 院 CN12-1420 渊 2011 冤 02-0059-05近年来能源危机日益加剧 袁 光伏 尧 风能等清洁能源的利用迅猛发展 [1]袁 作为新能源发电关键性装置 要要要 并网逆变器的转换效率是衡量发电系统的重要指标之一 袁 深受人们的关注 遥 为了提高逆变器效率 袁 目前应用最多的是单级变换电路 袁 其损耗主要包括主电路功率器件损耗 尧 滤波器损耗以及隔离变压器损耗 遥 目前已有不少文献对三相并网逆变器的损耗进行了分析 袁 如文献 [2]对最小开关损耗的空间矢量调制方法进行了研究 袁 但缺乏应用不同的SVM 调制方法对逆变器整体效率进行系统的比较分析 袁 特别是对磁性元件损耗的影响 遥本文以两种典型的 SVM 调制策略为例 袁 系统分析了不同的调制策略对主电路功率器件 尧 滤波器以及变压器等的损耗 袁 分析了两种调制方式对逆变器效率的影响 袁 并在研制的 100 kW 光伏并网逆变器上进行了实验验证 遥图 1 所示是目前应用于光伏发电常用的逆变器结构之一 袁 相对于正弦波脉宽调制 渊 SPWM冤 策略 袁空间矢量调制 渊 SVM冤 策略具有较高的直流电压利用率 [3]袁 更适合应用于该并网逆变器中 遥图 1 三相光伏并网逆变器如图 1 所示的三相逆变桥 袁 具有 8 种不同的开关状态 渊 二进制表示为 000 至 111 袁 每个二进制位分别代表 A袁 B袁C 三相逆变桥上管的开关状态 袁0 代表开关关断 袁1 代表开关导通 冤袁 由此确定的三相电压经变换后在平面中对应着如图 2 所示的 8 种基本电压矢量 遥 这 8 个基本电压矢量将平面分成 6 个扇区 袁 在使用 SVM 时 袁 各个矢量的作用时间由参考矢量 (Vref)的位置和长度决定 遥图 2 八种基本矢量收稿日期 院 2010-01-12作者简介 院 李敏 (1987-) 袁男 袁 浙江大学电力电子研究所硕士研究生 袁主 要 研 究 方 向 光 伏 发 电 系 统 袁 (13758192587) 曰(bwv1043@zju.edu.cn) 遥导师 院 陈敏 袁 男 袁 副教授 袁 硕士生导师 袁 heaven@cee.zju.edu.cn 曰徐德鸿 袁 男 袁 教授 袁 博士生导师 袁 xdh@cee.zju.edu.cn 遥电 源 学 报 总第 34 期如图 2 所示 袁 参考矢量在第一扇区内时 袁 所采用的矢量为其相邻的 V 1 和 V 2袁 矢量作用时间 T1 和T2 可通过式 (1)计算得到 遥(1)上式中 袁 TS 为开关周期 袁 零矢量的作用时间 T0则由式 (2)确定 遥(2)由图 2 可以看出 袁 三相逆变器的零矢量有两个 袁 分别是 V 0(000)和 V7(111) 遥根据不同的零矢量作用时间的分配 袁 就会有多种不同的 SVM 调制策略 遥常见的两种 SVM 的开关状态矢量的序列组织方式如图 3 所示 渊 第 玉 扇区为例 冤 [4]遥 这两种调制策略的开关序列都是对称的 遥 不同之处在于 袁 SVM2每个开关周期内都是用两个零矢量 袁 SVM5则是在扇区 玉尧芋尧吁 中使用零矢量 V 7袁 扇区 域尧郁尧遇 中使用零矢量 V 0遥图 3 两种 SVM 组织序列方法图 1 所示的光伏并网逆变器的损耗主要包括功率器件 尧 滤波器和变压器的损耗三部分 遥 针对光伏逆变器的特点 袁 在分析中对如表 1 所示的几种工况进行研究 遥表 1 考察的工况逆变器中功率器件的损耗包括导通损耗和开关损耗 遥 由于三相的对称性 袁 这里以 A 相为例来进行损耗分析 遥对于单个器件的导通损耗 袁 忽略输出电流在开关周期内的变化 袁 可用下式来进行计算 院(3)式中 院 T 为基波周期 曰 N 为频率调制比 曰 i (k)为第k 次开关时的负载电流 曰 Uon袁 ton 为对应的通态压降和导通时间 袁 i(k)可用下式表示 院(4)其中 I max 为负载电流的幅值 袁 Uon 随 i(k)变化的曲线可从器件手册中获得 遥对于开关损耗 袁 每一个开关周期均会产生一次IGBT 的开通损耗 尧 关断损耗和二极管的反向恢复损耗 遥 总的开关损耗为 院(5)式中 院 N1 为总开关次数 曰 Eon袁 Eoff 和 Erec 分别为对应输出电流 i (k)时的器件开通 尧 关断和二极管反向恢复所消耗的能量 袁 曲线可从器件手册中获得 遥功率器件损耗的计算结果如图 4 所示 袁 两者的导通损耗基本相等 袁 但是 SVM5 调制策略在一个开关周期内只有四次开关动作 袁 在同等的采样频率情况下 袁 SVM5的平均开关次数只有 SVM2 的三分之二 袁 从而 SVM5 调制策略的开关损耗小于 SVM2 调制策略 遥另在功率因数为 1 时 袁 使用 SVM5 调制策略 袁是在电流较大的位置不进行开关动作 袁 根据式 (5) 袁开关损耗与开关电流成正比 袁 因此 SVM5 序列的开关损耗减少了 40%遥滤波电感的损耗主要分成两个部分 袁 铜耗和铁耗 遥由于滤波电感电流含有大量的谐波 袁 在不考虑临近效应时 袁 电感铜损可表示为 院(6)工况 1 2 3Vdc/V 530 550 560Pout/kW 100 50 3060式中 院 Ik 为 k 次谐波的有效值 曰 Rk 为对应频率下的电阻 遥同样是因为滤波电感中存在大量的谐波 袁 所以传统的基于正弦波激励计算铁耗的方法并不能准确地计算铁芯损耗 袁 本文通过 Ansoft 这一有限元分析软件来计算铁耗 遥在 Ansoft 中根据电感的实际尺寸建好如图 5渊 a 冤所示的模型 袁 定义好磁芯和绕组的材料 袁 给定从Matlab/Simulink 仿真得到的电流激励 袁 进行瞬态磁场的仿真 遥 仿真中所用的硅钢片为日本 JFE 公司23ZH100 型取向硅钢片 袁 其磁芯损耗曲线如图 5 渊 b 冤所示 遥滤波电感上的损耗比较结果如图 6 所示 袁 虽然采用两种 SVM 调制方法时电感电流的频谱有着相当大的差异 袁 但是两者的铜耗相差无几 袁 采用 SVM5序列调制时 袁 电感铁耗只是略大于采用 SVM2 序列调制时的电感铁耗 遥滤波电容的损耗 Pc 可用以下公式计算 院(7)式中 院 UC 为电容交变电压的峰值 曰 f 为基波频率 曰 tan啄 0 为电介质损耗因数 曰 Rs 为电容寄生串联电阻 曰 ICrms 为电容电流的有效值 遥变压器的损耗分析和滤波电感类似 袁 只不过由于经过 LC 滤波之后 袁 如图 7 所示 袁 使用两种调制方式时 袁 变压器上的电压谐波含量很小 袁 可以忽略 袁 可图 4 SVM2 与 SVM5 调制功率器件损耗比较图 5 Ansoft 仿真模型与磁芯损耗曲线图 6 SVM2 与 SVM5 调制滤波电感损耗比较李 敏 袁 等 院 基于调制策略的光伏并网逆变器效率优化第 2 期 61电 源 学 报 总第 34 期以按照正弦波激励的方法简化计算 袁 从而认为两种调制策略在变压器上的损耗相等 遥经过上面的分析可得出如图 8 所示的两种调制策略系统总损耗的比较 遥 采用 SVM5 序列能够有效的降低开关损耗 袁 同时不会带来滤波电感和变压器损耗的显著变化 袁 因此采用这种调制方法有利于提高并网逆变器的效率 遥图 8 SVM2 与 SVM5 调制逆变器总损耗比较根据图 1 所示结构 袁 研制了 100 kW 光伏并网逆变器样机 袁 分别应用 SVM5 和 SVM2 调制策略 袁 进行了 100 kW 并网实验 袁 其中 院 直流侧电压为 530Vdc 袁电网相电压为 220 Vac 遥使用 SVM5 调制策略的并网电压和并网电流的实验波形如图 9 所示 袁 电网电压 THD 为 3.5% 袁 并网电流总谐波失真度 (THD)为 3.4% 袁 并网功率因数为 0.998 遥测得两种调制策略下 袁 整机效率如图 10 所示 遥 从曲线可以看出 袁 采用SVM5 控制序列 袁 逆变器效率有明显的提升 遥(1 电网电压 袁 100V/div; 2 并网电流 袁 100A/div)图 9 SVM5 序列 100 kW 并网实验波形图 10 两种调制方式的整机效率测试本文比较分析了应用两种典型 SVM 调制策略的并网逆变器的损耗 袁 得出 SVM5 调制策略有利于提高并网逆变器效率 遥 100 kW 光伏逆变器样机的实验结果验证了该结论 遥图 7 变压器谐波电压分布 渊 工况 1冤62参考文献 院[1] Nissen M B. 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Aiming at improving theefficiency of grid-connected PV inverter, the lossesof switching devices,filter inductor and transformerof grid-connected PV inverterwere analyzedwith different modulation schemes.The impacts of two spacevector modulation schemeson the efficiency of inverterswere compared in order to obtain an optimal solution. The experiment result of a 100kW photovoltaic inverter was provided for thevalidation.Key words 院 spacevector modulation(SVM); lossbreakdown; efficiency李 敏 袁 等 院 基于调制策略的光伏并网逆变器效率优化第 2 期 63