第２期 ２０１１年３月 电 源 学 报 Ｎｏ．２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｍａｒ．２０１１ 基于调制策略的光伏并网逆变器效率优化 李敏，胡长生，陈敏，沈国桥，徐德鸿 （浙江大学电气工程学院，杭州Ｉ ３１００２７） 摘要：光伏并网逆变器的效率是光伏发电系统的一个重要指标，该文从提高光伏并网逆变器效率的角度出发， 针对不同的调制策略，分析了光伏并网逆变器主电路开关器件、滤波电感以及变压器的损耗，比较了两种空间矢量 调制方法对逆变器效率的影响．得出优化方案，并在研制的１００ ｋＷ光伏并网逆变器进行了实验验证。 关键词：空间矢量调制：损耗分析；效率 中图分类号：ＴＭ ４６４ 文献标志码：Ａ 文章编号：ＣＮ１２—１４２０（２０１１）０２—００５９—０５ 引言 近年来能源危机日益加剧，光伏、风能等清洁 能源的利用迅猛发展ｌ１Ｉ，作为新能源发电关键性装 置——并网逆变器的转换效率是衡量发电系统的 重要指标之一，深受人们的关注。为了提高逆变器 效率，目前应用最多的是单级变换电路，其损耗主 要包括主电路功率器件损耗、滤波器损耗以及隔离 变压器损耗。目前已有不少文献对ｊ三相并网逆变器 的损耗进行了分析，如文献［２１Ｘ￣最小开关损耗的空 间矢量调制方法进行了研究，但缺乏应用不同的 图ｌ所示是目前应用于光伏发电常用的逆变 器结构之一，相对于正弦波脉宽调制（ＳＰＷＭ）策略， 空间矢量调制（ＳＶＭ）策略具有较高的直流电压利 用率ｌ ３ｌ，更适合应用于该并网逆变器中。 图１三相光伏并网逆变器 如同１所示的三相逆变桥，具有８种不同的开 ＳｖＭ调制方法对逆变器整体效率进行系统的比较 分析，特别是对磁性元件损耗的影响。 关状态（二进制表示为０００至１１１，每个二进制位分 别代表Ａ，Ｂ。Ｃ三相逆变桥上管的开关状态，０代表 开关关断，ｌ代表开关导通），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 本文以两种典型的ＳＶＭ调制策略为例，系统 分析了不同的调制策略对主电路功率器件、滤波器 以及变压器等的损耗，分析了两种调制方式对逆变 器效率的影响，并在研制的１００ ｋＷ光伏并网逆变 器上进行了实验验证。 电压矢量。这８个基本电压矢量将平面分成６个扇 区，在使用ＳＶＭ时，各个矢量的作片ｊ时间由参考矢 量（ ｒ】的位置和长度决定。 Ｖ￣（ＯＩＯ） ＩＩ （１１０） １空间矢量调制 Ｏ０） 收稿日期：２０１０—０１一ｌ２ 作者简介：李敏（１９８７一），男，浙江大学电力电子研究所硕士研究生， 主要研究方向光伏发电系统，（１３７５８１９２５８７１； （ｂｗｖｌｌＭ３＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ） 导师：陈敏，男．副教授，硕士生导师，ｈｅａｖｅｎ＠ｃｅｅ．ｚｊｕ．ｅｄｕ． ｃｎ；徐德鸿．男，教授，博士生导师，ｘｄｈ＠ｃｅｅ．ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 图２八种基本矢量 ６０ 电 源 学 报 总第３４期 如图２所示，参考矢量在第一扇区内时．所采 用的矢量为其相邻的 和 ：，矢量作用时间 。和 可通过式（１）计算得到。 ｓｉ ２．１功率器件损耗分析 逆变器中功率器件的损耗包括导通损耗和开 关损耗。由于三相的对称性，这里以Ａ相为例来进 行损耗分析。 （１） ｓｔ眦 对于单个器件的导通损耗，忽略输出电流在开 关周期内的变化可用下式来进行计算： ，＝ 。 ∑ （ｆ（ ）） （七） （七） （３） 上式中， 为开关周期，零矢量的作用时间 则由式（２１确定。 ＝ 一 一 ｒ２、 由图２可以看出，三相逆变器的零矢量有两 个，分别是Ｖｏ（ＯＯＯ）和Ｖ （１ｌ１）。根据不同的零矢量作 用时间的分配，就会有多种不同的ＳＶＭ调制策略。 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（第１扇区为例）１４１。这两种调制策略的 开关序列都是对称的。不同之处在于，ＳＶＭ２每个开 关周期内都是用两个零矢量，ＳＶＭ５则是在扇区Ｉ、 Ⅲ、Ｖ中使用零矢量 ，扇区Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ中使用零矢 量 ａ）ＳＶＭ２ 图３ 两种ＳＶＭ组织序列方法 ２损耗分析 图１所示的光伏并网逆变器的损耗主要包括 功率器件、滤波器和变压器的损耗三部分。针对光 伏逆变器的特点，在分析中对如表１所示的几种Ｔ 况进行研究。 表１考察的工况 式中： 为基波周期；Ⅳ为频率调制比； （ ）为第 ｋ次开关时的负载电流；Ｕｏ￣，ｔ 为对应的通态压降和 导通时间． ）可用下式表示： Ｉｍａｘ ｓｉｎ（ ］ （４） 其中 为负载电流的幅值， 随 ）变化的 曲线可从器件手册中获得。 对于开关损耗，每一个开关周期均会产生一次 ＩＧＢＴ的开通损耗、关断损耗和二极管的反向恢复损 耗 总的开关损耗为： １ ｒ Ｍ ＮＩ Ｍ １ ＝ ｛Ｌ∑ （ ｋ＝ｌ ｆ（七））＋∑ｅｋ＝ｌ ｏ （ｆ（ ＋∑ （ｋ＝ｌ ｆ（七））Ｊ ｝（５） 式中：Ⅳ。为总开关次数； ， 和Ｅ 分别为对 应输ｆ＿ｆ｛电流 ）时的器件开通、关断和二极管反向 恢复所消耗的能量，曲线可从器件手册中获得。 功率器件损耗的计算结果如图４所示，两者的 导通损耗基本相等，但是ＳＶＭ５调制策略在一个开 关周期内只有四次开关动作，在同等的采样频率情 况下．ＳＶＭ５的平均开关次数只有ＳＶＭ２的三分之 二．从而ＳＶＭ５调制策略的开关损耗小于ＳＶＭ２调 制策略。 另在功率因数为ｌ时，使用ＳＶＭ５调制策略， 是在电流较大的位置不进行开关动作，根据式（５）， 开关损耗与开关电流成正比，因此ＳＶＭ５序列的开 关损耗减少了４０％。 ２．２滤波器损耗分析 滤波电感的损耗主要分成两个部分，铜耗和铁 耗。 由于滤波电感电流含有大量的谐波，在不考虑 临近效应时，电感铜损可表示为： ＝∑３Ｒ ｆ６１ 第２期 李敏．等：基于调制策略的光伏并网逆变器效率优化 ６ｌ ｌ００Ｏ ８００ １（）００ ８００ ６００ 誉删 曲２ｏｏ Ｏ 一｝ 蔫 戤 犍６００ ００ ２００ Ｏ ３Ｏ ５Ｏ ｌＯ０ ３Ｏ ５Ｏ １Ｏ０ 输出功率／ｋｗ 输出功率ＩｋＷ 图４ ＳＶＭ２与ＳＶＭ５调制功率器件损耗比较 式中： 为ｋ次谐波的有效值； 为对应频率 下的电阻。 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真得到的电流激励，进行瞬态磁 场的仿真。仿真中所用的硅钢片为日本ＪＦＥ公司 ２３ＺＨ１００型取向硅钢片．其磁芯损耗曲线如图５（ｂ） 所示。 ＿＿１同样是因为滤波电感中存在大量的谐波，所以 传统的基于正弦波激励计算铁耗的方法并不能准 填＿㈣ ％ 确地计算铁芯损耗，本文通过Ａｎｓｏｆｌ这一有限元分 滤波电感上的损耗比较结果如图６所示，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，但是两者的铜耗相差无几．采用ＳＶＭ５ 序列调制时，电感铁耗只是略大于采用ＳＶＭ２序列 Ｉ ８ Ｉ ｌ ４ 踮析软件来计算铁耗。 在Ａｎｓｏｆｌ中根据电感的实际尺寸建好如图５ （ａ）所示的模型，定义好磁芯和绕组的材料，给定从 Ｊ ２ １ 一 ｕ 樽 （ａ）滤波电感的２Ｄ模型 ｆｂ）２３ｚＨ１００磁芯损耗山Ｊ线（５０Ｈｚ） 图５ Ａｎｓ０ｆＩ仿真模型与磁芯损耗曲线 １．ｓＶ Ｉｒ Ｉ ＳＶＭ５ ｖＭ２ ‘ ｌｌ＿一 霸ｓｖ Ｉ｝ 一 （） ｆ （）Ｊ － － ：麟Ｊ醐 ｝＿］ ｊ【】 ５（Ｊ ｌＯ０ ３０ ５（） 蔓蠹 １Ｏ０ 输出功 棼／ｋＷ 输出功率／ｋＷ 图６ ＳＶＭ２与ＳＶＭ５调制滤波电感损耗比较 调制时的电感铁耗。 滤波电容的损耗 可用以下公式计算： ＝ 阻； 为电容电流的有效值。 ２．３变压器损耗分析 ｊ・万・ｆ・Ｃ・ｔａＩｌ ＋坛 ・ ｆ７） 变压器的损耗分析和滤波电感类似，只不过由 于经过ＬＣ滤波之后，如图７所示，使用两种调制方 式时，变压器上的电压谐波含量很小，可以忽略，可 式中： 为电容交变电压的峰值；ｆ为基波频 率；ｔａｎｔ％为电介质损耗因数； 为电容寄生串联电 ６２ 电 源 学 报 总第３４期 专 脚 Ｏ ０ 渤 咖 ㈣ ㈣ 册 ０ ０ ０ Ｏ ０ ０ 谐波次数 （ａ）ＳＶＭ２ （ｂ）ＳＶＭ５ 图７变压器谐波电压分布（工况１） 以按照正弦波激励的方法简化计算，从而认为两种 调制策略在变压器上的损耗相等。 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。采用ＳＶＭ５序列能够有 效的降低开关损耗，同时不会带来滤波电感和变压 ’’’ ‘’ 器损耗的显著变化，因此采用这种调制方法有利于 提高并网逆变器的效率。 ／ｌ 翕 ．．ｉ． ’ ＼’ ： ：．． Ｖ Ｖ （１电网电压，１００ Ｖ／ｄｉｖ；２并网电流，１００ Ａ／ｄｉｖ） 图９ ＳＶＭ５序列１０Ｏ ｋＷ并网实验波形 输出功率 ｗ 图８ ＳＶＭ２与ＳＶＭ５调制逆变器总损耗比较 ３实验 根据图１所示结构．研制了１００ ｋＷ光伏并网 逆变器样机，分别应用ＳＶＭ５和ＳＶＭ２调制策略，进 图１０两种调制方式的整机效率测试 行了１００ ｋＷ并网实验，其中：直流侧电压为５３０ Ｖｄｃ．电网相电压为２２０ Ｖａｃ。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，电 ４结论 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，得出ＳＶＭ５调制策略有利于 网电压ＴＨＤ为３．５％，并网电流总谐波失真度（ＴＨＤ） 为３．４％，并网功率因数为０．９９８。测得两种调制策略 下，整机效率如图１０所示。从曲线可以看出，采用 ＳＶＭ５控制序列，逆变器效率有明显的提升。 提高并网逆变器效率。１００ ｋＷ光伏逆变器样机的 实验结果验证了该结论。 第２期 李敏，等：基于调制策略的光伏并网逆变器效率优化 参考文献： ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ——ｐｈａｓｅ ｃａｒｒｉｅｒ——ｂａｓｅｄ ＰＷＭ：ａ 【１】Ｎｉｓｓｅｎ Ｍ Ｂ．Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｓ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ【ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ］［Ｊ］．ＩＥＥＥ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ，２００９，２８（６）：２５—３ １． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００２，４９（１）：１８６— 【２】Ａ Ｍ Ｔｒｚｙｎａｄｌｏｗｓｋｉ，Ｒ Ｌ Ｋｉｒｌｉｎ，Ｓ Ｆ Ｌｅｇｏｗｓｋｉ．Ｓｐａｃｅ ｖｅｃ— １９６． ｔｏｒ ＰＷＭ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓｅｓ ａｎｄ ａ ［４】徐德鸿．电力电子系统建模及控制【Ｍ】．北京：机械工业出 ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｕｌｓｅ ｒａｔｅ【ｆｏｒ ＶＳＩ］ＩＪ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎ— 版社．２０ｏ７． ｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９７，４４（２）：１７３－１８１． 【５】赵博，张洪亮等．Ａｎｓｏｆｉ １２在工程电磁场中的应用【Ｍ］．北 【３】Ｋｅｌｉａｎｇ Ｚｈｏｕ，Ｄａｎｗｅｉ Ｗａｎｇ．Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｐａｃｅ— 京：中国水利水电出版社，２０１０． Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ＰＶ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ＬＩ Ｍｉｎ，ＨＵ Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＣＨＥＮ Ｍｉｎ，ＳＨＥＮ Ｇｕｏ—ｑｉａｏ，ＸＵ Ｄｅ—ｈｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３ １００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇｎｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ＰＶ ｉｎｖｅ￣ｅｒ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｄｅｘ ｉｎ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ＰＶ ｉｎｖｅ￣ｅｒ，ｔｈｅ ｌｏｓｓｅｓ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｆｉｌｔｅｒ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｏｆ ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ＰＶ ｉｎｖｅ￣ｅｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ．Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｕ ｏｆ ｔｗｏ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｉｎＶｅｒｔｅｒＳ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ａ ｌＯＯｋＷ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖａｈｄａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＭ）；ｌｏｓｓ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ；ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ