调制策略的光伏并网逆变器效率优化-solarbe文库

资源描述：

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bwv1043zju.edu.cn 遥导师院陈敏袁男袁副教授袁硕士生导师袁 heavencee.zju.edu.cn 曰徐德鸿袁男袁教授袁博士生导师袁 xdhcee.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 0000和 V7111 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 ik可用下式表示院4其中 I max 为负载电流的幅值袁 Uon 随 ik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. High performance developmentas distributedgeneration[J].IEEE Potentials, 2009, 28 6 25-31.[2] A M Trzynadlowski, R L Kirlin, S F Legowski. Space vec 鄄tor PWM technique with minimum switching lossesand avariable pulse rate [for VSI][J]. IEEE Transactionson In 鄄dustrial Electronics, 1997, 44 2 173-181.[3] Keliang Zhou, Danwei Wang. Relationship betweenspace-vector modulation and three-phase carrier-based PWM acomprehensive analysis [three-phase inverters][J]. IEEETransactionson Industrial Electronics, 2002, 49 1 186-196.[4] 徐德鸿 .电力电子系统建模及控制 [M]. 北京机械工业出版社 , 2007.[5] 赵博袁张洪亮等 .Ansoft 12 在工程电磁场中的应用 [M].北京院中国水利水电出版社袁 2010.Efficiency Optimization of Grid-connected PV InverterBased on Modulation SchemeLI Min, HU Chang-sheng, CHEN Min, SHEN Guo-qiao, XU De-hongCollege of Electrical Engineering, Zhejiang University, HangzhouZhejiang 310027, ChinaAbstract 院 The efficiency of the grid -connected PV inverter is an important index in PV system. 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 modulationSVM; 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