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单相非隔离型光伏逆变器及SiC器件应用研究

马兰  
【摘要】:太阳能的开发和利用是缓解全球能源短缺问题的重要途径,光伏(Photovoltaic PV)发电也因此成为人类利用可再生能源实现可持续性发展的研究热点之一。光伏逆变器作为连接光伏电池板和电网的接口,是光伏发电系统中能量转换与控制的核心,其性能不仅影响和决定了光伏发电系统是否能够高效可靠、稳定安全地运行,同时也是影响整个光伏发电系统寿命的主要因素。本文针对单相光伏逆变器的输出波形畸变、漏电流、高渗透率造成的电网过压以及效率低四个关键性问题,重点研究了单相非隔离型光伏逆变器的调制策略优化设计、无功功率补偿的改进以及利用碳化硅(Silicon Carbide SiC)器件提高逆变器效率的软开关方法。死区效应的改善和共模漏电流抑制是非隔离型光伏逆变器优化研究的两个重要方面。在单相非隔离型光伏逆变器中:一方面,开关驱动信号的死区时间设置带来了死区效应从而造成逆变器基波电压的损失和输出波形的畸变。另一方面,由于器件结电容的影响,逆变器的共模电压会产生高频波动,进一步影响逆共模漏电流抑制效果。为提高逆变器的输出波形质量、减小共模电压波动,本文提出了一种单位功率因数工况下H6逆变器的改进调制策略。在该调制策略中,直流侧的两个高频解耦开关对逆变器的输出电压进行调制,均无需增加任何死区时间;低频H桥切换逆变器的输出电压正负极性,且在续流模式期间组成了两条对称路径共享电流,开关均无需并联额外电容便可自然有效地减小结电容造成的共模电压波动。实验结果表明,输出电流波形总谐波失真(Total Harmonic Distortion THD)和共模电压波动与传统逆变器相比分别减小了2.04%和75%。另外,逆变器中仅有的两个高频开关采用了开关速度快、开关损耗低的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET),并且高频开关的体二极管均不导通。与纯IGBT的逆变器相比,采用混合型器件的H6逆变器在控制成本的同时,还可以提高逆变器的效率及功率密度。无功功率补偿是光伏逆变器辅助电网改善电压质量的有效措施之一。首先,为了对电网进行无功补偿,逆变器需要具备无功输出能力。本文基于单相混合非隔离型H6光伏逆变器,提出了一种混合型的调制策略。逆变器在正功率区域内采用单位功率因数工况下改进的调制策略;在负功率区域内采用非单位功率因数工况下改进的调制策略,即在改进的调制策略基础上,增加高频开关,构建续流回路。实验结果表明,逆变器不仅可以输出无功功率,而且还保持了高输出波形质量、低共模电压波动的优点。其次,当光伏逆变器参与到电网的无功补偿时,逆变器的无功功率最大可输出容量和输出效率将成为电网关注的重要指标。当前光伏逆变器的无功功率容量通常以有功功率的额定值为标准,但实际电路中当逆变器注入有功功率或无功功率时,由于逆变器运行回路的差异性,各器件将产生不同的损耗。因此,当考虑器件的物理限制因素时,逆变器的实际有功及无功功率可输出容量也有所不同。本文从三种典型的光伏逆变器运行原理出发,分析计算了各器件对应的损耗,并通过建立器件热模型,得到了逆变器实际可输出的最大有功、无功功率容量及相应的输出效率。根据逆变器有功、无功功率容量的差异性,本文提出了一种含有无功功率约束的因子的改进功率约束模型,为电网提供了更加准确的光伏逆变器无功功率可输出容量信息。最后通过对单相H6光伏逆变器的无功容量的仿真分析可以看出,逆变器实际可输出无功容量比额定值高14.29%。结果表明逆变器有更大的无功功率容量供电网调度从而进行无功补偿,这对电网为光伏发电系统制定合理的无功调度以及无功输出补偿策略有着重要意义。为提高逆变器的效率,实现逆变器软开关以降低开关损耗成为了光伏逆变器的研究热点之一。本文首先根据逆变器中硅型绝缘栅双极晶体管(Silicon Insulated Gate Bipolar Translator Si IGBT)实际的开关电压电流波形,对IGBT的软开关条件重新进行了整理分类。然后综合考虑逆变器成本及效率,提出了一种利用SiC器件实现逆变器软开关的方法。通过增加一个SiC MOSFET,为串联回路中IGBT提供适当地关断信号来实现IGBT的零电压硬电流(Zero Voltage Hard Current ZVHC)软开通和零电流硬电压(Zero Current Hard Voltage ZCHV)软关断条件,从而降低开关损耗。实验结果表明IGBT在软开关条件下,减少了高达90%的开通损耗和57%的关断损耗。考虑到IGBT器件固有特性的影响,本文不仅对软开关方法的调制参数进行了优化设计,而且还为软开关方法中的SiC MOSFET提出了一种改进的调制策略,可通过减小IGBT电压变化率,进一步降低关断损耗。本文提出的软开关方法设计思路简单,当其应用到光伏逆变器时,在不改变原逆变器的调制策略的情况下,根据逆变器的运行原理设计相应的拓扑结构就可以实现逆变器的软开关。当IGBT减少的开关损耗越多,逆变器工作的频率越高,软开关逆变器的效率也越高。本文最后还提出了两种H6软开关逆变器的应用实例,当IGBT开关损耗降低70%,逆变器工作在100kHz时,软开关逆变器的效率可提升至少1.4%。


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