新能源储能逆变器共模电压降低方法

王迎迎

(浙江浙能能源服务有限公司，浙江 杭州 310006)

在风力发电系统中，高频共模电压作用于风机发电装置对地的杂散电阻，造成发电装置漏电，降低储能逆变器的运行速度[1-2]，也威胁到安装、维护人员的人身安全。在光能发电和新能源汽车系统中，高频共模电压作用在单片机枢轴和定位槽之间的杂散电阻上，产生枢轴电流和枢轴电压，进而使单片机的枢轴损坏，使单片机加速老化[3]。为了确保其安全稳定运转，降低储能逆变器的共模电压是十分必要的。降低储能逆变器共模电压的常用方法是增加负载、设计新的电子拓扑和设计新的控制调节模式。

为了降低新能源储能逆变器共模电压，本文研究了一种新的降压方法，消除权重因子，在预选共模电压时，直接屏蔽共模电压产生的杂散电阻，选择一个最优的电压调制器作用于逆变器，在电压过零点附近采用单一死区法，从而形成一种合成的降低新能源储能逆变器的方法。

1 新能源储能逆变器控制

1.1 新能源储能逆变器载波移相控制

根据新能源储能逆变器共模电压中的集成电路特征，推导出传统的共模电压：

(1)

式中：Ua、Ub、Uc为储能逆变器3个输出端的输出电压，V；H1为脉冲宽度滤波的电感,H；R为电阻,Ω；L为单片机与之相同的触碰电感,H;和等效电阻,Ω；Ug为单片机的储能逆变器共模电压,V[4-5]。

由于只有3个单片机输出端，所以不会出现Ua+Ub+Uc=0的现象，不管采取哪种脉冲宽度调制策略，Ug的测量值下降非常明显，新能源储能逆变器输出端的输出电压不稳定是造成逆变器输出电阻与电流不平衡的主要原因，为了解决这个问题，在采用控制策略调制方法时，要使共模系统中电压对地电阻对称分布。在这样的操作下，调制控制系统确保任何一个时间段均有一个电路输出端和一个电压输入端，这样能够满足Ug=0的要求，要保证新能源储能逆变器的集成电路3个输出端的电压不能相同，如果出现相同的情况，会出现Ua=0的状态。

传统的三相储能逆变器调制控制策略需要使用相同的调制载波信号作为可控载波，在输出端的电阻达到峰值时，电路中的电压会出现零状态，所以针对此情况，可以采用电路载波移相控制策略来控制储能逆变器。逆变器结构如图1所示。

图1 逆变器结构

根据图1可知，其主要思想是利用相位差为30的四个载波信号作为四个调制控制信号进行控制，并在输出电路中获得输入调制信号，从而可以很容易地避免零电阻状态。此时，采用载波移相控制策略的储能逆变器可以有效地避免零状态现象，并且对输出端的四个调制控制信号进行异或运算，新的储能逆变器输出端的电压等于[6]。载波信号是三相对称的，实际电路负载是四相的，这就保证了储能逆变器的集成电路不是完全对称的。这种电路不对称性对LA的影响很小。上述调制控制策略可以实现新型储能逆变器的共模电压载波移相控制[7]。

1.2 新能源储能逆变器优化控制

采用储能逆变器载波移相控制策略可改变传统的逆变器的共模属性，进而避免逆变器集成电路电压为零的状态，当移相控制系统中的调制指数n>0.462时，能够在储能逆变器优化控制系统中实现优化，使控制调制区域稳定在0.462以下。

如果储能逆变器集成电路直流电压Uab下降到1，那么为了使其保持在n<0.462区域内，需要采用逆变器载波移相控制方案，控制在每一电路中的电流出现的峰值，使Ug的利用率降低[8-9]。逆变器载波移相控制方案如图2所示。

图2 新能源储能逆变器载波移相控制

在对新型储能逆变器进行优化控制时，调制控制系统在跳跃中向后移动，集成电路的开关次数增加，脉冲调制宽度的差模能量减小，储能逆变器的输出电压发生显著变化，然后电路对地电阻减小，电容增大，因此，在图2中，即在新能源储能逆变器载波移相控制的过程中，差模滤波器电平在后移状态下补充能量，并与电路的零态电压等价交换，可以有效地改善移相载波的突变，保持了开关次数不变，即等效于等效状态下的载波脉冲变换[10-12]，例如：当t为0.5时，新能源储能逆变器载波移相控制的输出端的载波幅值为2 V，周期为T2，载波负载点幅值达到峰值，并保持在较小的变化范围，且持续的时间短，载波脉冲平移过程如图3所示。

图3 载波脉冲平移过程

根据图3可知，如果脉冲信号正弦波在矩形波交叉点出现畸变，使电路零状态持续时间延长，当三角波交叉点电位降到最低点时，集成电路零状态持续时间明显缩短，高电平跳变触发脉冲信号，所以在设置储能逆变器集成电路零状态时，脉冲宽度的变化在一定程度上造成了输出电压的凹凸，使脉冲差模属性频繁切换，在最短时间内需要补回因为电压凹凸而改变的脉冲能量N，调制控制优化控制脉冲平移状态，储能逆变器脉冲调制策略增加跳变后移控制，保留逆变器脉冲开关次数，补回集成电路电压零状态导致改变的电平能量，优化储能逆变器输出端输出电阻的差模属性，提高畸变率，负脉冲丢失的能量开始补回[13-14]。

2 新能源储能逆变器共模电压降低研究

2.1 新能源储能逆变器共模电压脉冲调制

在脉冲调制优化过程中，通常需要采用差模载波调试方案来实现多点特性输出。通过共模电压负载(Va，Vb)来说明储能逆变器共模电压脉冲调制的具体方法，当正弦波小于调制载波时，集成电路输出端输出的电压开关信号为0，开关次数为1，三相上载波信号后移，下端关闭。当输出端输出电压为(V3，V4)时，三相桥臂上管T1导通，下管T2关断，调制载波的调制信号等效于正弦波的峰值，移相脉冲调制信号Va设置为零，上管T3导通，下管T4关断，三相的脉冲调制信号等效于三角波负载信号，同时脉冲调制信号M也决定了集成电路输出端输出电压V1和V2的持续时间。当正弦波调制信号小于三角波调制信号时，储能逆变器集成电路上管T1导通，下管T2关断，脉冲调制策略输出信号接近于零，且零状态持续时间延长，电路开关次数变为3。脉冲调制过程如图4所示。

图4 脉冲调制过程

由几何关系可得：

(2)

式中：ts为作用时间，s。进一步计算可得：

(3)

根据计算获得的储能逆变器集成电路输出端输出电压作用在脉冲调制信号的时间，得到三相调制控制信号Vb，实现三角波的畸变分析。在执行过程中需要注意的是，采用以上陈述的脉冲宽度调制方法时，集成电路输出端输出电压的调制信号必须与脉冲序列中所示的调制信号相等。

2.2 新能源储能逆变器共模电压抑制

在设计新能源储能逆变器共模电压硬件系统与软件时，由于需要频繁更换电路设备以及使用较为复杂的编程程序，设计成本增加，使这方面的实际应用受到了局限。在设计储能逆变器共模电压调制策略模型时，微处理器作为一种全新的脉冲宽度调制器，具有非线性、灵活控制、多个目标重复出现等优点，借助调制模型的优点，定义共模电压的目标函数，选择最优的储能器以及权重因子。新能源储能逆变器的电路拓扑结构如图5所示。

图5 新能源储能逆变器的电路拓扑结构

结合脉冲调制电压矢量，分析新能源储能逆变器共模电压抑制方法，具体的抑制方法需要加入死区变量，当调制脉冲相近电压值互相切换时，储能逆变器集成电路会产生共模电压尖峰，当2个相反的脉冲电压互相切换时，则不会出现共模电压尖峰的状态。

在具体分析时，当输出端电压设置为交流时，矢量电压等效为储能逆变器共模电压，共模电压达到尖峰，矢量电压达到峰值，这时三相上管导通，下管关断，实现新能源储能逆变器共模电压的初始化抑制。共模电抗器及其等效电路如图6所示。

图6 共模电抗器及其等效电路

当集成电路中的开关电流方向由正切换为负，交流电压大于0时，死区等效共模电压产生电压尖峰，脉冲信号中的电流滞环宽度增加滞环时[15]，电流波纹出现错误扇区，储能逆变器共模电压产生电压尖峰，电流零状态持续时间缩短，最终实现了新能源储能逆变器共模电压抑制。

3 实验研究

为验证本文提出的新能源储能逆变器共模电压降低方法的有效性，与传统方法(文献[3]方法)进行对比实验。设定实验参数如表1所示。

表1 实验参数

储能型逆变器的共模电压采用双向直流电流，直流共模电压作为模拟直流发电的负载，以正弦脉冲波形代替三角波，使电路的零状态持续时间稳定，可以有效地降低开关量，且实验所用数据参数符合实际标准。称其为稳态环境，反之为动态环境，二者之间的最大差别为电路零状态区下的电流曲线(实线)和直流发电状态下的电流曲线(虚线)的同步性。稳态实验结果如图7所示。

图7 稳态实验结果

由图7可知，以稳态采样区域对应的电流数值为主要实验结果，本文方法的采样频率较快，明显优于传统方法，且在经历最高峰值区域后，可较快的出现下一次峰值，储能逆变器共模电压较快产生电压尖峰，导致电流零状态持续时间得到缩短，逆变器共模电压抑制效果可得到保证。

动态响应实验结果如图8所示。由图8可知，与传统调制方法相比，本文所提的方法将新能源储能逆变器共模电压限制在使用范围之间，有效减小了储能逆变器集成电路输出端直流电流的大小，提高了共模电压动态响应过程。

图8 动态响应实验结果

通过采用不同的脉冲调制控制策略，有效地改善了新能源储能逆变器的共模电压脉宽调制和脉宽抑制，有效地降低了开关频率，使开关电压由原来的5 kHz降至2 kHz，脉冲共模直流电压稳定在20 V，脉冲调制信号中电路电容在负载电感作用下出现恒定的尖峰。新型储能逆变器的共模电压脉冲调制和抑制效果较好，共模电压变化范围小，具有较高的适配性，不同周期的共模电压矢量较大，交流受控电流明显减少，稳定效果好，脉冲调制速度快，可靠性高。

4 结 语

为了实现新能源储能逆变器脉冲宽度调制抑制，并降低共模电压，本文采用了一种储能抑制模型预测共模电压降低方法。文中详细解释了此种方法应用的原理，通过改善新能源储能逆变器共模电压脉冲宽度调制策略，解决共模电压抑制难以及零状态持续时间长、开关次数多等问题。脉冲调制控制策略大大降低了储能逆变器输出的共模电压，使储能逆变器突破了调制策略中限定的指数范围，应用在多种场合，大大改善了新能源储能逆变器输出共模电压的速度，脉冲调制控制策略交换效果较好，开关次数明显减少，实现了新能源储能逆变器共模电压的有效降低。