1、2023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计收稿日期：2022-11-15基金项目：山东省技术创新项目(201931001121)；国网山东省电力公司科技资助项目(SGSDJY00GPJS2100133)作者简介：魏姗姗(1991)，女，山东省人，硕士，主要研究方向为新能源发电与控制技术。光伏逆变器电流畸变的自适应抑制设计研究魏姗姗，韩小岗，樊相臣，杨伟进(国网山东综合能源服务有限公司，山东 济南 250100)摘要：借助新型的开关支路低频调制的方式可以有效降低光伏逆变器的开关损耗，但会导致输出电流总谐波失真度(THD)的增大，从而恶化逆变器的输出性能。为此，提出了一种光伏逆变器的自适应
2、电流畸变抑制调制策略，仅在过零点时使用传统高频脉宽调制(PWM)，而在其他区段自适应切换至降损开关支路低频PWM调制，从而在降低光伏逆变器开关损耗的同时实现低THD的输出效果。以 T型逆变拓扑为例，介绍了两种PWM 调制策略的工作原理，对提出的光伏逆变器的自适应电流畸变抑制调制策略进行了分析，通过仿真和样机实验对所提出的自适应电流畸变抑制调制策略进行验证。实验结果表明所提出的方案可以获得低开关损耗，同时有效抑制光伏逆变器的输出电流畸变。关键词：光伏逆变器；T型逆变器；电流畸变；自适应抑制调制；总谐波失真度中图分类号：TM 464文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)06-08
3、04-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.06.025Research on adaptive suppression design of current distortion inphotovoltaic inverterWEI Shanshan,HAN Xiaogang,FAN Xiangchen,YANG Weijin(State Grid Shandong Comprehensive Energy Service Company,Jinan Shandong 250100,China)Abstract:With the help of the low
4、-frequency modulation method of new switching branch,the switching loss ofphotovoltaic inverter can be effectively reduced,but it would increase the total harmonic distortion THD of outputcurrent,which would deteriorate the output performance of the inverter.Therefore,an adaptive suppressionmodulati
5、on strategy of current distortion for photovoltaic inverter was proposed,only using the traditional high-frequency PWM modulation when crossing the zero point,and adaptively switching to the low-frequency PWMmodulation of loss reducing switching branch in other sections,so as to achieve the output e
6、ffect of low THD whilereducing the switching loss of photovoltaic inverter.Taking the T-type inverter topology as an example,the workingprinciples of two PWM modulation strategies were introduced,the proposed adaptive current distortion suppressionmodulation strategy was analyzed,and the strategy wa
7、s verified through simulation and prototype experiments.Theresults show that the proposed scheme can achieve low switching loss and effectively suppress the output currentdistortion of photovoltaic inverter.Key words:photovoltaic inverter;T-type inverter;current distortion;adaptive suppression modul
8、ation;THD高功率密度和小尺寸1-3是光伏逆变器的重要发展方向，而这要求更低的损耗和更小的滤波器件。多电平逆变器4-5被广泛应用于光伏逆变器中，其不仅可以有效降低开关器件的应力，还可以减小滤波器件的尺寸，从而提高系统的功率密度。除此之外，SiC和 GaN等新器件也被用于降低转换器运行过程中的导通损耗6-7。而通过部分开关支路低频脉宽调制(PWM)4也可以有效降低逆变器在工作过程中的开关损耗。低频PWM调制常见于双降压逆变器中8，在这一应用场合下，逆变器的其中一个开关支路工作在高频PWM调制，而另一个开关支路工作在工频 PWM 调制，这可以有效降低来自器件的开关损耗9。但这往往会带来输出电
9、流畸变，进而影响系统的输出性能，因此需要额外的措施去抑制电流畸变。引入重复控制、模糊控制或滑膜控制实现输出电流的精准跟踪是常见的电流畸变抑制方法，但其复杂的控制增加了系统设计的难度，因此需要寻找简单有效的方法去抑制电流畸变。为了解决开关支路低频 PWM调制时存在的输出电流畸变问题，本文以T型逆变拓扑为例，提出了一种光伏逆变器的自适应电流畸变抑制调制策略，其仅在过零点时使用传统高频 PWM 调制，而在其他区段自适应切换至开关支路低频PWM调制，从而在降低光伏逆变器开关损耗的同时，实现低总谐波失真度(THD)的输出效果。本文先介绍了两种PWM调制策略的工作原理，再对提出的光伏逆变器自适应电流畸变抑
10、制调制策略进行分析，最后通过仿真和样机实验对所提出的混合PWM调制策略进行验证。实验结果表明所提出的方案可以获得低开关损耗，同时有效抑制光伏逆变器的输出电8042023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计流畸变。1 两种PWM调制策略的分析1.1 T型逆变拓扑原理与分析此处选用的T型逆变拓扑如图1所示，T型逆变拓扑直流链路使用两个大电容进行稳压储能，两个开关支路 A和B构成T型逆变桥，输出由简单的LC滤波器进行滤波。通过控制两个开关支路的开关管工作状态形成不同的电流回路，从而输出不同的逆变电平。图 2展示了一个单独的开关支路的拓扑，每组开关支路共可输出3种不同的电平，即 0和Vdc/2。
11、因此两组开关支路组合可输出 5种不同的电平，即0、Vdc/2和Vdc，也被称为五电平逆变器。1.2 传统PWM调制传统的T型逆变器调制方法是正弦脉宽调制(SPWM)，其将正弦电流参考信号与载波进行调制进而得到占空比，从而驱动对应的开关管实现开通或者关断。这种调制方案下两个开关支路都工作在高频，T型逆变器存在8种工作状态。为便于标识，使用开关函数来描述开关管的导通和关断行为。当开关函数 Sx=1 时，表示对应的开关管导通；当开关函数 Sx=0时，表示对应的开关管关断。由于SPWM调制存在正极性区间和负极性区间，因此分成vAB0和vAB0进行讨论，对应工作状态标记为 A1A8，则常规SPWM调制策
12、略下T型逆变器的开关函数和vAB的输出电压对应关系如表1所示。图 3 展示了传统 SPWM 调制示意图，传统 PWM 调制简单可靠，对应的逆变器输出电流基本呈正弦，仅在过零点处存在轻微畸变，其 THD较低，逆变器输出质量较好。但由于两个开关支路均工作在高频工况下，因此具有较为明显的开关损耗，这不利于提高系统的传输效率和功率密度，因此需要合理的方法降低高频开关损耗。1.3 开关支路低频PWM调制通过效仿双降压逆变器5-6降低开关损耗的思路，令开关支路B工作在50 Hz工频，而开关支路A仍旧保持高频运作，从而可以有效降低来自开关支路B的开关损耗，间接提高光伏逆变器的传输效率。此时 T 型逆变器共存
13、在 6 种工作状态，用 B1B6对其进行标识，其同样存在正极性区间和负极性区间。在该开关支路低频PWM调制策略下，T型逆变器的开关函数和vAB的输出电压对应关系如表2所示。图 4 展示了低频开关 PWM 调制示意图，开关支路低频PWM 调制不需要改变光伏逆变器的拓扑结构，而是通过改图1T型逆变拓扑结构图2开关支路拓扑结构表 1 传统 PWM 的开关函数和输出电压 极性 开关函数 输出电压 工作状态 vAB0(0,0,1,1,0,0,1,1)0 A1(1,0,0,1,0,0,1,1)Vdc/2 A2(0,0,1,1,0,1,1,0)Vdc/2 A3(1,0,1,0,0,1,1,0)Vdc A4
14、vAB0(0,0,1,1,0,0,1,1)0 A5(0,1,1,0,0,0,1,1)Vdc/2 A6(0,0,1,1,1,0,0,1)Vdc/2 A7(0,1,1,0,1,0,0,1)Vdc A8 图3SPWM调制示意图表 2 低频 PWM 的开关函数和输出电压 极性 开关函数 输出电压 工作状态 vAB0(0,1,1,0,0,1,1,0)0 B1(0,0,1,1,0,1,1,0)Vdc/2 B2(1,0,0,1,0,1,1,0)Vdc B3 vAB0(1,0,0,1,1,0,0,1)0 B4(0,0,1,1,1,0,0,1)Vdc/2 B5(0,1,1,0,1,0,0,1)Vdc B6 图4
15、低频开关PWM调制示意图8052023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计变调制方式来降低开关支路B的开关损耗，因此拥有较高的系统传输效率。但由于开关支路B的工作频率远低于开关支路A，其在过零点处存在较为明显的输出电流畸变尖峰，这使得逆变器的 THD大于传统 PWM调制策略，输出电能质量较差。因此需要合理的方法来降低逆变器过零点处的电流畸变尖峰。2 自适应电流畸变抑制调制策略由上文可知，传统 PWM 调制策略拥有较好的输出电流特性，但其存在明显的开关损耗，这降低了逆变器的传输效率。与之相反，开关支路低频 PWM 调制策略通过使开关支路 B 工作在 50 Hz，从而有效降低了开关损耗并提升
16、了传输效率，但在过零点处存在较为明显的输出电流畸变尖峰。对于低频 PWM调制策略存在的过零点输出电流失真现象，其主要是由于数字控制器的PWM设置和PWM更新时间以脉冲形式产生的输出电压偏离电压基准造成的。在传统PWM策略的情况下，即使输出电压的极性不同，输出电压为零电压的状态A1和状态A5也具有相同的开关功能。并且随着电压基准越来越接近极性变化的零电压，上开关或下开关的占空比减小，中性开关的占空比增加。但是输出电压为零电压的状态B1和B4的开关功能是不同的。由于零电压的开关功能不同，开关支路A的中性点开关的占空比随着电压参数接近零电压而增加。但是开关支路B没有表现出这样的趋势。因此，输出电压变为Vdc/2或者Vdc/2，而不是由于在开关支路B的占空比改变之前开关支路A的状态而导致的零电压。为解决上述过零点的电流畸变尖峰问题，同时尽可能保留低频 PWM 调制策略的低开关损耗这一优点，本文将传统PWM调制策略和开关支路低频PWM调制策略相结合，提出了一种自适应电流畸变抑制调制策略，仅在过零点时使用传统高频 PWM 调制，而在其他区段自适应切换至开关支路低频 PWM 调制，从而在降低光伏逆变
