一种用于漏电流抑制的箝位型三相光伏逆变器探讨

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论文字数:38555 论文编号:sb2022060614085948104 日期:2022-06-15 来源:硕博论文网

本文是一篇电气自动化论文,本文在 H8 光伏逆变器拓扑的基础上增加了一个箝位电路,构造出一种箝位型 H10 光伏逆变器拓扑,随后介绍了其工作原理和所采用的闭环控制策略,研究了分压电容电压不均问题。所提方案不仅能使共模电压幅值的变化范围减小,还能使共模电压频率变为开关频率的 3 倍,显著增大共模回路阻抗,有效抑制系统漏电流,通过仿真验证了理论分析的正确性。
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1   能源危机和太阳能利用的优势
能源是人类最早利用的自然资源之一,其开发和利用有力地推动了文明的进步。随着当代经济社会的蓬勃发展、全球人口数量的增加以及生活水平的不断提高,人们对能源的需求日益增加[1-4]。目前,石油、煤炭和天然气等化石燃料仍然是全球能源消耗的最主要来源,由于煤炭等化石燃料属于不可再生能源,随着人类长时间大规模的开采和使用,必将导致全球化石能源消耗殆尽,并且由此带来的环境污染问题也不容忽视。为了解决环保和资源稀缺问题,实现社会经济的稳定增长,能源多元化发展和清洁能源的开发利用受到了各国的高度关注[5]。其中清洁能源能极大地减少二氧化碳等温室气体的排放,用它们来替代部分化石能源的消耗是非常有益的。
太阳能以其绿色、安全、源源不断和地域分布广泛等优势,成为了世界各国新能源战略布局的重点。太阳能是由其内部绵绵不断的核聚变反应释放出巨大核能而产生的,相关研究表明,太阳每年输送到地球表面的辐射能大约相当于 130 万亿吨煤炭所蕴含的能量,就地球几十亿年的寿命与太阳氢的储量能够维持上百亿年核聚变反应这个意义上来讲,可以说太阳能是取之不尽,用之不竭的[6-8]。目前太阳能的应用领域主要有四个,分别是光热利用,光化利用,燃油利用和光伏利用。其中光伏发电利用光生伏打效应,通过太阳能电池将太阳辐射直接转换成电能,安装简便,维护简单,清洁无污染,是以上四个领域里应用规模最大的,已经成为了当今世界最有希望和最具竞争力的新兴可再生资源之一[9-11]。
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1.2光伏逆变器概述
从上世纪末开始,光伏并网发电系统得到了迅猛的发展,为使其能够安全高效地运行,其中实现电能转变的关键器件---光伏逆变器发挥着极其重要的作用。光伏逆变器是一种将太阳能光伏组件输出的直流电转换为满足电力要求的交流电并将能量以最小的转换损耗、最优的电能质量并入电网的电力电子设备,一个性能优良的光伏逆变器不仅可以提高电能转换的效率,监控、调节和记录光伏电站系统的运行,保证系统可靠长久地工作,还可以降低光伏发电系统的体积、重量和成本。因此,研究光伏逆变器具有十分重要的意义。
1.2.1   光伏逆变器的发展
自从 1954 年美国贝尔实验室成功研制出世界上第一块单晶硅光伏电池,太阳能光伏发电作为一门新兴产业逐渐走进人们的视野,光伏逆变器作为其中一个不可或缺的关键部件也经历了漫长的发展。得益于半导体功率器件、电力电子技术以及现代控制技术的发展,如今光伏逆变技术已经取得了长足的进步,在社会生活中扮演着愈加重要的角色。
逆变器技术主要经历了如下几个阶段的发展:首先,上世纪 50-60 年代,晶闸管 SCR(Silicon Controlled Rectifier)器件诞生,它具有体积小、效率高和寿命长等优点,为正弦波逆变器的进步提供了元件基础;到上世纪 70 年代,可关断晶闸管 GTO(Gate Turn-off Thyristor)和双极型晶体管 BJT(Bipolar Junction Transistor)相继出现,它们的使用可以优化逆变器的控制方法,延长逆变器的使用寿命,有力的促进了光伏逆变技术的开发和利用;经过几年的改进和创新,到上世纪 80 年代,功率场效应管、绝缘栅型晶体管和 MOS(Metal-Oxide Semiconductor)控制的晶闸管等功率器件的问世,犹如一座灯塔照亮了逆变技术的前进方向,为逆变器容量的大幅提升孕育了良好的土壤;然后到上世纪 90 年代,由于功率器件和微电子技术的发展联系紧密,催生了诸如矢量控制和模糊控制等新生的控制技术,为设计逆变领域的控制策略提供了新的思路,极大的推动了光伏逆变技术的成长;最后,到 21 世纪初,通信技术、电力电子元器件和控制科学等领域的水平都发展到了一个新的阶段,光伏逆变技术的发展可谓方兴未艾,百家争鸣[15-16]。
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第二章 非隔离型三相逆变系统漏电流建模分析
2.1光伏系统的分布电容及漏电流
2.1.1   分布电容的产生原理
工程中光伏电池组件一般是被安装在光照条件良好的环境中,图 2.1 所示为一种常见的光伏电池板的实物图。由于单独一个太阳能电池片的输出电压和电流都比较小,为满足逆变器输出功率要求,通常需要将多个电池片以串并联的形式组合起来使用。

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在光伏发电系统中,为了遵守安全规则,光伏电池组件一般都有一个与大地相连接的金属框架,而且光伏电池组件自身也具有非常大的平面结构,使得在其输出端子和地面之间存在很大的对地分布电容,如图 2.2 所示。该分布电容的大小与光伏电池组件的表面积和几何尺寸形状、光伏电池组件间的距离、天气情况、空气湿度和灰尘等因素有关[46]。
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2.2 共模电压与共模漏电流分析
非隔离光伏逆变系统由于不含有变压器结构,其共模特性与逆变器自身的拓扑结构和所采用的控制策略密切相关,因此需要对三相光伏逆变器进行详细分析,建立准确的漏电流数学模型,推导和简化等效电路模型,分析漏电流的形成机理,进而从本质上探求漏电流的抑制方法。
2.2.1   漏电流数学模型分析与电路简化
由上一小节的分析可知,逆变器开关器件在很高的频率下工作,由此带来的共模电压频率也很高,其作为共模等效回路中的激励源,作用在对地寄生电容上,引起漏电流,这就是漏电流形成的本质。可见漏电流的大小由共模电压大小和共模回路阻抗共同决定,于是可得到抑制或消除非隔离型光伏逆变器漏电流的条件:①选择具有对称寄生参数的开关器件;②使用参数相同的滤波元件构成三相滤波装置;③改进拓扑结构或调制算法减弱共模电压的脉动幅值或使其保持恒定;④增大共模回路阻抗。
文献[53]分别分析了逆变器交流侧三相滤波电感 L 值、各桥臂侧对大地的寄生电容值、光伏电池板对地寄生电容 CPV 值和等效地阻抗 Zg 值对系统总漏电流的影响作用。结果表明,在低频和高频段,滤波电感 L 值的变化对漏电流幅值的影响没有差别,但 L 值与系统谐振频率相关,L 值越小,谐振频率处的漏电流越小;L 值与开关频率附近的漏电流值成反比关系,这是因为 L 值变大导致系统共模回路阻抗增加。
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第三章  非隔离型三相 H8 光伏逆变器..................................... 20
3.1H8 光伏逆变器拓扑结构 ........................................ 20
3.2H8 光伏逆变器工作模式及漏电流抑制原理 ........................ 20
第四章  箝位型三相 H10 光伏逆变器.................................. 26
4.1H10 光伏逆变器拓扑结构及其工作原理 .............................. 26
4.2H10 光伏逆变器的控制策略............................. 28
第五章  系统硬件电路设计 .......................... 40
5.1系统设计指标 .................................. 40
5.2功率主电路设计与选型 ............................ 40
第六章 样机实验验证与分析
6.1  硬件平台介绍
为搭建实物样机,首先使用 Altium Desinger 软件对系统硬件电路原理图进行了设计,将电路分为功率主电路及驱动、控制电路、布尔逻辑运算电路和死区电路四部分,图 6.1 给出了各部分具体电路原理图。接下来进行布板、布线等操作,完成 PCB 板的绘制后把图纸交给 PCB厂家进行生产制作,收板后根据原理图焊接各种元器件并进行调试,最终完成电路板的制作。

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根据设计要求和实验室条件,由 Chrama 公司型号为 62050H-600S 的可编程直流电源代替光伏组件为系统提供直流侧输入电压,由 INSTRANCE 公司型号为 IPS2302 的直流稳压电源为电源模块供电,选用 Agilent 公司型号为 InfiniiVision MSO-X 3024A 和 Tektronix 公司型号为 TPS-2014B 的示波器,选用 FLUKE 公司型号为 NORMA-4000N 的功率分析仪对逆变输出波形进行分析,以容值为 100nF 的 CBB 电容代替光伏板对地寄生电容,以 RXLG 高功率梯形铝壳电阻作为输出侧负载,采用 DELIXE 公司型号为 DZ15LE-40/3901 的断路器实现电阻负载的瞬间切换,以此模拟系统出现负载突变的情况。
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第七章   总结与展望
7.1  总结
清洁能源的开发和利用是解决环保和石化资源稀缺问题的有效应对措施,其中太阳能光伏发电具有广阔的应用前景,光伏逆变器作为电能转换的核心器件发挥着重要的作用。非隔离型光伏逆变器因去除了变压器结构,具有体积小、重量轻和效率高的优点,逐渐受到行业关注。但是,缺乏变压器的电气隔离作用,光伏逆变系统会产生漏电流,漏电流会带来电磁干扰,影响输出电能质量,若过限将威胁人身安全,因此必须将其限制在一定的范围之内。
针对这一问题,本文对现有非隔离型三相逆变器漏电流抑制技术做了分析与总结,在 H8光伏逆变器拓扑的基础上增加了一个箝位电路,构造出一种箝位型 H10 光伏逆变器拓扑,并详细介绍了其工作原理和所采用控制策略,研究了分压电容的均压问题,接着分析了 H10 光伏逆变器抑制漏电流的原理,然后设计了逆变器主电路和控制电路的参数,对闭环系统的稳定性进行了判断,在相同条件下搭建了 H8 和 H10 光伏逆变器两台原理样机,将二者进行对比研究,实验结果说明 H10 光伏逆变器较 H8 光伏逆变器具有更好的漏电流抑制效果,与理论分析和仿真结果一致,验证了所提方案的正确性。
在两年多的研究生学习生涯中,对该课题做了如下几项工作:
(1)首先大量阅读该研究领域的文献和书籍,对课题的主要研究内容有一个清晰和全面的理解,重点分析了几个最新的、具有代表性的漏电流抑制技术方案,总结出抑制漏电流的基本方法。
(2)分析了漏电流的产生机理,给出了相关安全标准,建立了详细的漏电流数学模型并进行简化分析,得到系统共模回路与漏电流的关系,从本质上探求了能够抑制或者消除漏电流的条件和方法。针对三相 H8 光伏逆变器,介绍了其工作原理和调制策略,给出了其共模电压和漏电流的仿真结果,验证了理论分析的正确性。
(3)为了进一步抑制漏电流,本文在 H8 光伏逆变器拓扑的基础上增加了一个箝位电路,构造出一种箝位型 H10 光伏逆变器拓扑,随后介绍了其工作原理和所采用的闭环控制策略,研究了分压电容电压不均问题。所提方案不仅能使共模电压幅值的变化范围减小,还能使共模电压频率变为开关频率的 3 倍,显著增大共模回路阻抗,有效抑制系统漏电流,通过仿真验证了理论分析的正确性。
参考文献(略)


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