新能源储能系统中共模电压抑制措施研究

新能源储能系统中共模电压抑制措施研究

李佳 1 余远建 2 刘一洋 3

维谛技术（西安）有限公司 ,陕西 西安 710065

摘要：三相两电平PWM变流器具有电压利用率较高、谐波电流较低及双向变流能力等特性。因此广泛应用于储能系统、光伏发电系统、风力发电系统等能源领域，但其共模电压、电流性能较差。由于存在共模电压，当该变流器被应用于电池储能系统和光伏并网系统时，由于直流侧太阳能电池板和储能电池对大地有较大的分布电容，可能对系统的正常工作及人身造成危害。如何降低直流侧共模电压成为研究重点。本文主要通过软件和硬件两种方法对系统进行优化，从而降低直流侧共模电压。

关键词：新能源；PWM变流器；共模电压

1. 共模电压问题分析

图1为两电平非隔离PWM整流器系统原理图，建立图1所示变流器数学模型，可得变流器直流侧母线与电网中点即大地之间共模电压为：

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式中：Sk为开关函数，k=a，b，c，Sk=1时，k相桥臂上管导通，&=0时，k相桥臂下管导通。

图1三相两电平PWM整流器原理图

三相两电平PWM整流器每相有两个开关状态，三相一共有8种开关矢量，每种开关矢量对应的共模电压如图2所示。PWM整流器在运行中当工作在不同的开关矢量时，产生不同的共模电压，共模电压幅值在0，Vdc/3,2Vdc/3, Vdc四个电平上跳变。这个跳变的共模电压加在直流侧光伏电池板和储能电池对地分布电容上生产了共模电流，干扰了系统正常运行，影响了人身安全。

图2 8种开关矢量对应的共模电压

传统的SVPWM调制算法发波顺序如下图3所示，发波矢量顺序为000，100，110，111，110，100，000，产生的对共模电压为0，Vdc/3,2Vdc/3, Vdc,2Vdc/3，Vdc/3,0，传统的SVPWM调制算法产生的共模电压峰峰值为Vdc, 峰值为Vdc/2，传统的SVPWM调制算法输出的高共模电压，会对系统稳定运行和安全带来影响，需要从软件算法和硬件方案上抑制共模电压。

图3传统的SVPWM调制算法及其共模电压

二、软件共模电压抑制方法

AZSPWM(Active Zero State PWM)方法是一种比较常用的抑制共模电压的算法，其原理是在8个开关矢量中避免使用两个零矢量（000，111），而使用两个方向相反的有效矢量代替零矢量来合成参考矢量。各个开关矢量产生的共模电压如上图2所示，从表上看，如果避免使用两个零矢量（000，111），共模电压只在Vdc/3,2Vdc/3两个点平上跳变，共模电压峰峰值降低为Vdc/3, 峰值为Vdc/6，有效的抑制了共模电压。

本文将V1、V3和V5称奇矢量，带来的共模电压均为Vdc/3；将V2、V4和V6称偶矢量，带来的共模电压为2Vdc/3。从图4可知，AZSPWM1调制方式下，偶矢量与奇矢量交替使用，而AZSPWM2避免频繁交替奇偶矢量，将偶矢量与奇矢量尽量分开使用，这样可进一步降低共模电压的振荡频率。

图4 软件共模电压抑制算法

AZSPWM1/2调制算法可以减少共模电压振荡幅值至原有水平的1/3，AZSPWM2还可一定程度降低共模电压的振荡频率，对漏电流有一定抑制效果。

RSPWM调制算法可以维持共模电压长时间恒定，理论上消除漏电流。由于每个奇矢量产生相同的共模电压Vdc/3 ，每个偶矢量产生相同的共模电压2Vdc/3，RSPWM 调制算法通过只选择奇矢量或只选择偶矢量来合成，以维持共模电压恒定，从而理论上消除漏电流。RSPWM 调制算法及其共模电压如图4 所示。

三、硬件共模电压抑制方法

硬件抑制共模电压方法一般是加入隔离变压器和共模滤波器消除共模电压的对系统的影响。

可以在变流器交流侧加入隔离变压器滤除直流侧共模电压，。由于隔离变压器耦合电容远小于电池对地耦合电容，隔离变压器共模阻抗远大于电池对地共模阻抗，所以大部分共模电压加在隔离变压器上，直流侧的共模电压大大减小，降低了直流侧光伏板和储能电池对地的共模电流。

当变流器交流侧无隔离变压器时，可以在交流侧、直流侧分别加入共模滤波器，调整交直流侧滤波器参数，可以有限的调整交直流侧各自承担的共模电压比例，但是总的共模电压幅值不变

四、结论

本文从理论上分析PWM变流器共模电压的产生原因，从软件算法和硬件方法两方面阐述了抑制共模的方发，这些方法都能在一定程度上抑制漏电流，但都存在一定的局限性，软件方法增加控制的复杂度，对直流电压利用率、谐波都有一定的负面影响，硬件方法，增加拓扑的复杂度，对成本、体积有很大的负面影响，单纯依赖软件调制方法或者硬件方法都不能达到性能最优，只有综合考虑整体性能选择合适的拓扑及调制方法才能使三相PWM变流器性能得到提高。随着技术进步，也可以采用多电平技术来提高PWM变流器的综合性能。

参考文献：

[1] 文家燕.光伏并网逆变器共模电压抑制方法和实验研究[D].合肥:合肥工业大学,2012

[2] 张兴,邵章平,王付胜,刘萍.非隔离型三相三电平光伏逆变器的共模电流抑制[J].中国电机工程学报,2013.1,33(3):29-36

[3] 吴文婕.无变压器光伏并网逆变器的漏电流抑制研究[D].成都: 电子科技大学,2014

李佳，男， 汉，陕西，1984年1月21日，硕士，工作单位：维谛技术（西安）有限公司，中级工程师，主要研究方向或者从事工作：新能源产品研发，邮编：710065

余远建，男， 汉，陕西，1981年12月19日，硕士，工作单位：维谛技术（西安）有限公司，中级工程师，主要研究方向或者从事工作：新能源产品研发，邮编：710065

刘一洋，男， 汉，四川，1981年11月10日，硕士，工作单位：维谛技术（西安）有限公司，中级工程师，主要研究方向或者从事工作：新能源产品研发，邮编：710065