光伏并网逆变器母线电容纹波电流改善论文
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光伏并网逆变器母线电容纹波电流改善论文
【摘要】本文推导了逆变器母线电容纹波电流的解析表达式，得到影响电容纹波电流大小的参数，为逆变器设计时电容的选型提供了参考依据。
为验证理论推导的有效性，利用仿真软件进行了仿真，结果与理论值吻合。
1.引言
光伏发电具有可再生、清洁等特点，是应对能源紧缺，保障能源供给安全及应对气候变化的一个有效途径，光伏并网逆变器目前已得到广泛应用。
典型的光伏并网逆变器拓扑如图1所示：
逆变器的中间直流母线处有储能滤波环节，一般采用大容量的电解电容。
其主要作用是缓冲电网与负载的能量交换，吸收纹波电流，稳定母线电压，抑制负载突变造成的直流母线电压大幅度的波动，使系统输出更加稳定。
当电容的纹波电流过大，超过电容的承受能力时，会造成电容温度过高，严重影响其工作寿命。
因此，直流母线的电容纹波电流是决定电源稳定工作的关键因素之一。
电容的纹波电流受输入输出变化及控制方式等多种因素影响，本文在简化模型的基础上，结合控制方式的特点，推导出电容纹波电流的表达式，对光伏逆变器的设计具有指导借鉴作用。
2.母线电容纹波电流计算
2.1调制方式
为简化模型，只对逆变器的后级进行分析。
逆变器采用常用的七段式SVPWM调制方式。
调制比m为
（1）其中，Vbus为直流母线电压，VLL为逆变器输出线电压有效值。
在逆变器的各桥臂中，A、B、C三相桥臂的开关变量分别为Sa、Sb、Sc，上下两个开关管的状态互补，开关变量为1时上管导通下管关断，反之开关变量为0时下管导通上管关断。
三相参考电压信号如图2所示：
2.2逆变器输入电流
为负载电流幅值，可由下式表示
（5）
为负载功率因数角，则三相输出电流可表示为
（6）
结合图（1）可知，逆变器的输入电流即为流过开关SA1，SB1，SC1的总电流，可由各相输出电流和开关函数表示
其中SA、SB、SC为开关函数，开关管开通时为1，关断时为0。
结合图（2）根据调制规则，将一个周期的波形划为6个扇区，图（4）为第Ⅰ扇区一个完整开关周期Ts内的三角载波以及三相占空比波形。
图中，T0时段开关SA1，SB1，SC1全部关断，T1时段只有开关SA开通，T2时段开关SA，SB开通。
各段时间可由开关的占空比表示如下：
（7）
显而易见，T1时段只有开关SA1流过电流iA，T2时段开关SA、SB流过电流iA和iB，整个开关周期内开关SC1都没有电流流过，则
逆变输入电流iINV在第Ⅰ扇区的表达式为
（8）
（9）
由于调制方式自身的特征，在不同的扇区输入电流的大小和变化规律相同或对称，因此只需计算第Ⅰ扇区的电流平均值和有效值。
对和在第Ⅰ扇区内积分，即可得到逆变输入电流的平均值和有效值、。
（10）
（11）
2.3母线电容电流
逆变输入电流ib包含平均值分量和纹波分量两部分，因为母线电容电流iC的平均值为0，所以iINV的平均值分量全由直流电源提供。
如果母线电容足够大，iINV的纹波分量可以认为全部由电容吸收，直流电源的电流纹波可忽略不计。
母线电容的电流iC可表示为（12）
电容电流iC的有效值为
（13）
由式（13）可以看出，母线电容的纹波电流由逆变器的运行参数决定。
当功率因数一定时，调制比为时纹波电流最大；对于功率因数为1的负载，时纹波电流最大。
3.仿真验证
基于MATLAB/SIMULINK软件搭建逆变器仿真平台，额定输出线电压202V，额定输出功率24.5kW，直流电源320V。
根据理论计算结果，
电容纹波电流33.21A，仿真结果为33.58A，两者结果吻合，验证了理论分析的正确性。
仿真得到的逆变电流波形及电容纹波电流波形如图5所示。
a）逆变输入电流波形
a）Current waveform of input of inverter
b）电容纹波电流波形
b）Current waveform of capatitor ripple
4.结论
本文推导了逆变器母线电容纹波电流的解析表达式，得到影响电容纹波电流大小的参数，为逆变器设计时电容的选型提供了参考依据。
为验证理论推导的有效性，利用仿真软件进行了仿真，结果与理论值吻合。
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