计及磁路耦合的三电平逆变器并联环流特性_亓富军.pdf

第卷第期年月电力电子技术，计及磁路耦合的三电平逆变器并联环流特性亓富军，陈海燕，庞伟超（国 网山东省临 沂 市供电公司，山东临沂 ）摘要：大 功率 单机光伏并网逆变器通常 釆用三相三磁柱 式 耦合电抗器以降低 整 机成本 并提高系统 功 率 密 度，然而三相 磁路耦合 会 使三相系统的零序回路特性与个单 相电抗器构 成的系统 存 在明显差异，并 对并联系统的零序环流产生很大影响。基 于三相三磁柱式耦 合电抗器的磁路结构和相应的 电感电压方程，建立了考虑三相磁路耦合特性的三相型新能 源并网三电平逆变器零序环流 模型，分析了三相三磁柱式耦合电抗器的使用，以及三电平逆变器本身控 制的复 杂 性导致零序环流 发生变 化的机理，指出了现有三相三磁 柱式耦合电抗器对型三电平逆变器并联系统，尤其是多台逆变器分 时启停、无功 功率突变等环节存在过流并 损害 功 率开关 管的安全隐患，最后通过系统仿真与并联样机 实验充分验证了理论分析的正确性和 有 效性。关键词：逆变器；并联系统；零序环流；三相三磁柱式 耦合电抗器中图分类号：文献 标识码：文章 编号：（），（，）：，？，？，？，：；：（）引言型三电平拓扑是一种改进中点箝 位型三电平拓扑，结合两电平逆变器以及传统中点箝位三电平逆变器的优点，在 光伏并网的应用领域中备受关注。然而由于开关管电流应力的 限制，在现基金项目：国网山东省电力公司科技项目（）定 稿日期：作者 简介：亓 富 军（），男，教授级高级工程师，研究方向 为 智能配电网、配电自动化、调控运行分 析等。有的条 件下，单机型三电平逆变器的容量限 制在以下，无法满 足大功率光伏并网逆变器的应用场 合。在开关管的容量无法提高的情况下，并联是 提 高 光伏 并网逆变系统容量的有效途径。通过模块的并 联可提高光伏 并网逆变器的功率等级，系统的可靠性及效 率也可以大大提高。然而，并联同样 会带 来零序环流问题。共直流、交流直接并联的光伏逆 变器中会 产 生 零序环 流通路。由于系统硬件参数不一致，系统控制效果的不第卷第期 年月电 力 电子技术，同以及独立电流环控制要 求，在并联模块间将会产生 零序环流。特别地，当型三电平光伏 并网逆 变器共 交流共直流并联时，将比相同并联形式的两电平逆 变器产生更 加 复杂的零序环流。现有的文献已经论证了零序环流的产生，提出 了抑制零 序环流相应的措施。然而，这 些结论 都建立在个单相电抗器组成的三相电抗器基 础之上。事 实上，由于三相三磁柱式耦合电抗器成 本低，体积小，因此被广泛应用于光伏并网逆变器。然而，由于三相三磁柱 式耦合电抗器由于三相磁路之间存在耦合，使得三相 逆 变器并联系统中的零 序 环流 变 得更加 复杂。此 处 基于三相三磁柱式耦合电抗器的磁路结构和相应的电压方 程，建立考 虑三相磁路耦合 特性的三相型三电平逆变器的零序环流模型，基于该理论 模型分析了三相三磁柱式耦合电抗器的使用机理以及三电平逆变器自身控制的复杂性导致零序环流发生变 化的机理，指出了现有三相三磁 柱 式耦 合电抗器对型三电平 逆变器并联系统，尤 其 是多 台逆 变器分时启停、无 功 功率突变等环节存在过流并损害功率开关管的安全隐患，最后通过系 统仿 真与 额 定功率的型三电平逆变器并联样机实验充分验证了理论分析的正确性和有效性。数 学模型及等效电路三相三磁柱式耦 合电抗器磁路结构见图。图磁路结构 图中，叫和（，）分别为电抗器三相绕组端电压 和绕组电流；）？为各个 绕组的漏磁通；为 各个 绕组的主磁通，即完全在铁心闭合的磁 通。由图可以看出，相比于个单相电抗器组成的三相电抗器，三相三磁柱 式 耦合电抗器的优点在于体 积小以及成本 低，在三相对 称系统的运行条件下，无需额 外的磁通返回铁心即可保证三相对称的磁 通沿铁心闭合，因此广 泛应用于 大功率三相 单机光伏并网逆变器。然而其缺点为由于没有单独的磁通返回路径，由三相 零序电流产生的零序磁通无法构成回路，只能通过 空气形成闭合回路，因此对于零 序电流的等效阻抗近似为初 级 绕组的漏 抗，而三相电感的漏抗很小。为了简化 分 析三相三磁柱式耦合电抗器对于并联系统的影响，忽 略磁路饱和及磁路结构不 对称的影响，由图可以得到三相三磁柱式耦合电抗器的电压 方程为：（）式中：心为绕组漏感为绕组电阻；为绕组自感；为绕组互感。由式（）可以看出，每相的电感电压不仅依赖于自身磁 柱的绕组电流，也 受 到其 他绕组电流的影响，由此三相 之间存在 磁路的耦合。同时 式（）可以写 成 如下形式：（）（）（）（）（）（）同时，定义零序环流为：），单机运行条件下，由基尔霍夫电流定律可得：（）（）由于不 存 在零序环流通路，因此三相绕组电流相加始终为零。结合式（）（），可得 到单机运行下，三相三磁柱式耦合电抗器的去磁等效电路表达式为：？（）？（）（）（）由式（）可知，在 单机运行 条 件 下，三相三磁柱式耦合电抗器等 效于个单相电抗器组成三相电抗器，仅每一相电感的物理意义不一样。在 并 联运行的条件下，由于存 在 零 序环流通路，三相电流相加不 再为 零。定义 零序电压 为三相电抗器电压之和，联立式（），（）可得由零序环流引入的零序电压表达式 为：（）？（）基于磁路原理和磁路结构，可以得到每一相自感与互感的关系表 达式为：（）从而联立式（），（）可得：，（）由式（）可知，三相三磁柱 式耦合电抗器对于零序回路的阻抗近似于绕组的漏抗，而三相三磁柱式电感的漏抗很小。而由个单相电抗器组成的三相电抗器零 序回路对应的感值即为 单相电抗器的额定值。计及磁路耦 合的三电平逆变器并联环流特性光伏并网逆变 器建模并联型三电平光伏并网逆变器拓扑结构如图所示，其中为三相电网电压，为逆 变器三相输出滤 波电感，为 滤 波电感寄生电阻，艮，分别为逆变器桥臂中点电位，为逆变器直流侧中性点电位，由图可得 单机逆 变器的平均模型为：（）凡以以，；：乙图光伏并网逆变器整体拓扑 联立式（），（）可得：，乙乙；一厂（）在三相电网对 称的条 件下，可以得到旋转坐标系下的电路 方程为：（？（）感 非常小，从而较小的平均零 序电压之差就会导致较大的零序环流。特别地，当 多 台逆变器分时启停、无功 功 率突变等情况时，会导致零序环流过冲，甚至在较低的直流母 线电压的情况下，依然会损坏等开关器件。图两台模组并联零序环路模 型 综上所述，可得在图所示的三相型三电平逆变器中，零序电压产生的主要原因有：由空间矢量脉宽调 制（）的使用造成。由于并联模块间的硬件 参数不匹配，控制效果的不同 以及中点电位不平衡，会产生 不同的零序分量，从而导致并联模组间零 序电压的不一致，当使用三相三磁柱式电抗器时，其 滤波电感对其基本没有 滤 波作用，从而导致了较 大的零序环流。同时，相比于 两电平，三电平产生的零序电压更加复杂，不 仅会造成类似于两电平并联逆 变器的倍频低频零序环流，同时也会产 生 很大的零序 环流 过冲；由死区因素 等造成，由于 并联 模 块间的硬件参 数不匹配和控制 效果的不同，并 联 模 块的并网 电流在开 通时 刻，存 在 极性的差异，从而导致了并联模组间零序电压的不一致。实验验证为了验证上述分 析的有效性，在 实验室完成了双并联型三电平并网逆变器原理样机搭建，并 开展了系统 仿 真与对应的样机实验 验证，其中功率开关管 采用，样机 控制器采用 。其他系统主电路参数如下：输出功率为，交流电压为，输入直流电压为，开关频率 为，三磁柱电感值为，滤波电容 为。系统 仿真，（）由式（）可得两台模组的零序环流 数学 模 型如下所示：）（）（）从而，有两台模组并联零 序环路的等 效 模 型如图所不。由式（）和图所不的零序环路等效 模型可知：零 序环流产生的原因主 要 为 并联模组之间零序电压不一致。然而 相比于 单相电抗器而言，由三相三磁柱 式耦合电抗器提 供的零序电图，分别 为在相同条件使用三相三磁柱 式耦合电抗器和单相电抗器的零序环流 仿 真 波形。由图可见，并 联型三电平 逆变器的零序环流相对于并联两电平 逆变器的零 序环流形式更加 复 杂，存 在一个较大的零序环流 过冲，如果不加以抑制，会使三相电流 波形发生畸变，甚至损坏器件。由图 可 见，在相同感 值的条件下，单相电抗器的环流远小于三相三磁柱 式耦合电抗器的环流。由此，验证了相比于单相电抗器，由于（）（）（）采用三相三磁柱耦含电抗器（采用单相 电抗器图并联逆变器动态 实验波形 图给出了在时刻无功输出突变瞬间系统实验波形，波形显示：无功功 率突变瞬间，采用三相三磁柱式电抗器的并联型三电平 逆变器输，（？，格）（格）（）零序环流 波形（）相 电流及环流 过冲波形图零序环 流实验波形 图，分别给出了采用三相三磁柱式电抗器和个单 相电抗器的并联型三电平逆 变器 动态实 验波形。三相三磁柱式耦合电抗器提供的零序电感 非常小，因此较小的平均零序电压之差就会导致 较 大的零 序环流。（）采用三相三磁柱耦合电抗器（）采用单相电抗器图零序环 流仿真 波形 实验验证图进一步给出相应的实验波形，其中 图为 采用三相三磁柱电抗器时，并 联型三电平逆变器零 序环流波形，图为逆 变器并联系统启动时相电流及环流 过冲波形。实验结果显示：采用三相三磁柱电抗器对并联三电平零序环流造成明显影响，环流尖 峰幅值接近，与上述仿 真 结果完全吻 合。此外，并联型三电平 逆变器启动时也同时存在明显的环流过冲，对于逆变器功 率开关器件等存 在过流冲 击安全隐患。出电感电流出现明显的畸变，电流中蕴含 着由零序环流造 成的大量谐波，与此同时逆变器并网点（）电压 也受到了影响。图给出采用个单相电抗器的并联型三电平逆变器系统实验波形，波形表明：采用单相电抗器后，同样工况下的并联型三电平逆变器零 序环流得到 有效控制，输出电感电流及电压波形也明显改善。结论此处基于三相三磁 柱 式耦合电抗器的磁路结构和相应的电压方程，建立了考 虑三相三磁柱式电抗器磁路特点 的三相型三电平逆变器的零序环流模型。指出：相对于传 统单相独立电抗器，三相三磁柱式耦合电抗器提 供的零 序电感较小，使得较小的平均 零 序电压之差就会导致较大的零序环流。特别地，在并联三电平逆 变器应用场合，由于三电平 逆变器产生更加复 杂的零序电压分量，从而导致零序环流更加复杂，尤其是在并联逆变器系统启动以及无功 功率突变情况，极易造成变流器功率管过 流等安全隐患。最后通过系统仿真和原理样机 实验，对比分析采用三相三磁柱式电抗器和单 相独立电抗器的大功率并联型三电平逆变系统在启动和无功功 率突变工况下的零 序环流影响，充 分验证了所提理论分析的正确性。参 考文献，？：；，（）：张学广，王瑞，徐殿国并联型三相变换器环流无差拍控制策 略中 国电机工程 学 报，（）：张兴，邵章平，王付胜，等三相三电平 模块化 光伏并网系 统 的 零序环流抑制中国电机工程学报，（）：张宇，段 善旭，康勇，等逆变器并 联系统中谐波环流抑制 的研究中 国 电机工程学 报，（）：，（）：，？，（）：第卷第期电力 电子技术，年月：岭（垄一？）？：（？）