一、逆變器并網(wǎng)沖擊機(jī)理

在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的瞬間，并網(wǎng)逆變器常伴隨短時(shí)沖擊電流的產(chǎn)生，這一現(xiàn)象直接關(guān)聯(lián)著電力設(shè)備的穩(wěn)定性和電網(wǎng)電能質(zhì)量?，嚴(yán)重影響了逆變器產(chǎn)品的可靠性。并網(wǎng)沖擊的核心機(jī)理源于逆變器與電網(wǎng)同步過(guò)程中輸出電壓與電網(wǎng)電壓在幅值、相位或頻率上的瞬時(shí)偏差?，以及直流側(cè)濾波電容的快速充放電特性?。此外，電力電子開(kāi)關(guān)器件的高頻切換動(dòng)作與電網(wǎng)阻抗參數(shù)的耦合作用，進(jìn)一步加劇了瞬態(tài)電流的脈沖特性?。
現(xiàn)有器件普遍存在的抗沖擊短板，已成為制約系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵瓶頸——數(shù)據(jù)顯示，約32%的逆變器故障源自并網(wǎng)沖擊造成的器件級(jí)損傷?。在此背景下，RCMU器件在耐沖擊性能上的研發(fā)突破，正為行業(yè)提供更優(yōu)解。

二、沖擊故障現(xiàn)象與模型分析

2.1 并網(wǎng)沖擊實(shí)際現(xiàn)象描述

在客戶端實(shí)際捕獲的逆變器并網(wǎng)瞬間沖擊電流波形如下圖所示。

實(shí)際沖擊電流波形

其中，CH4波形為并網(wǎng)沖擊電流表現(xiàn)為衰減諧振電流。該電流峰值77A，諧振頻率1.852MHz。該沖擊電流在起振瞬間具有極大的di/dt。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，這一劇烈的電場(chǎng)變換將在導(dǎo)體中激發(fā)出較強(qiáng)的磁場(chǎng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電壓，對(duì)產(chǎn)品中的器件造成損壞。

式中，i1為沖擊電流，V2為器件中的感應(yīng)電壓，M為并網(wǎng)線路和器件內(nèi)部電路的等效互感。存在磁性部件，且與并網(wǎng)線路距離較近的器件互感更大，在并網(wǎng)沖擊下最容易損壞，如RCMU和繼電器等。用戶反饋該沖擊經(jīng)常造成逆變器輸出側(cè)繼電器和RCMU器件損壞。

2.2并網(wǎng)沖擊瞬間等效電路模型分析

考慮并網(wǎng)瞬間逆變器輸出側(cè)和電網(wǎng)的電路情況。在并網(wǎng)瞬間，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度不足以調(diào)整逆變器輸出電壓和電網(wǎng)同相，二者存在相位差，相當(dāng)于在線路中施加了一個(gè)階躍沖擊。逆變器的輸出濾波器和線路中的寄生電感等組成了LC串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在沖擊下產(chǎn)生諧振電流。并網(wǎng)沖擊瞬間的等效電路由L、C和一等效沖擊電壓源組成。

電路分析和等效模型

電壓源在0時(shí)刻產(chǎn)生一幅值為V的階躍信號(hào)，則沖擊電流為

該式表示為一逐漸衰減的正弦諧振信號(hào)，其諧振頻率為

諧振電路峰值為

基于這一等效模型推導(dǎo)出的沖擊電流表達(dá)式與實(shí)際波形相符。以此表達(dá)式評(píng)估沖擊電流的最壞情況，則階躍電壓振幅最大時(shí)沖擊最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)逆變器和電網(wǎng)完全錯(cuò)相，約為440V。諧振頻率即等效LC的諧振頻率，而C/L越大沖擊峰值越大。
因此，對(duì)特定的LC串聯(lián)電路施加階躍沖擊，即可以模擬逆變器并網(wǎng)瞬間的沖擊電流。

二、沖擊故障模擬與抗沖擊試驗(yàn)

3.1 電路仿真評(píng)估

首先在Ltspice中搭建電路模型進(jìn)行仿真，嘗試模擬該沖擊電流。以電壓源V1側(cè)的開(kāi)關(guān)管為S1，LC間的開(kāi)關(guān)管為S2，則該電路在運(yùn)行中有兩個(gè)模態(tài)。首先S1導(dǎo)通，S2斷開(kāi)，V1向C1充電至400V；之后S2導(dǎo)通瞬間S1關(guān)斷，C1向RLC電路放電。為達(dá)到足夠高的諧振頻率，C1的值需要足夠小，這導(dǎo)致其內(nèi)部的等效并聯(lián)電路形成的放電回路會(huì)使得其電壓快速下降。因此S1、S2必須使用速度通斷比放電時(shí)間快一個(gè)數(shù)量級(jí)的功率半導(dǎo)體器件，以忽略電容泄露的影響。

仿真電路

使用LTspice進(jìn)行電路仿真結(jié)果如下圖。電容和GaN HEMT均采用實(shí)際器件的高精度spice模型，考慮了器件寄生參數(shù)影響。仿真波形顯示諧振電流峰值為92A，諧振頻率為1.607MHz，表明該參數(shù)下的電路基本可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

仿真波形

3.2模擬電路測(cè)試

為盡可能模擬逆變器并網(wǎng)沖擊，并驗(yàn)證Magtron的RCMU產(chǎn)品具有在該工況的沖擊下可靠工作的能力，搭建了實(shí)際電路用于模擬該工況，并在線路中串入RCMU101SN-4P16A-5S/RCMU101SN-2P12A-5N產(chǎn)品?？刂?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓電源輸出不同的電壓以控制沖擊電流峰值。

沖擊模擬電路

實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，電源最高設(shè)置到500V(因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管的耐壓為600V)，模擬沖擊電流峰值為98.4A，諧振頻率為1.33MHz，基本模擬了實(shí)際并網(wǎng)沖擊電流。抽取兩款型號(hào)分別3pcs進(jìn)行測(cè)試。在此沖擊下，Magtron的兩款RCMU產(chǎn)品均未出現(xiàn)失效情況，驗(yàn)證了該產(chǎn)品具有良好的抗擾性能，足夠應(yīng)對(duì)逆變器場(chǎng)景下的沖擊影響。

RCMU101SN-4P16A-5S與RCMU101SN-2P12A-5N的試驗(yàn)過(guò)程

三、應(yīng)對(duì)逆變器沖擊并網(wǎng)的技術(shù)建議

1.選用耐沖擊特性更好的器件。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，Magtron RCMU系列產(chǎn)品可以在并網(wǎng)沖擊下保持可靠準(zhǔn)確運(yùn)行，在8/20us浪涌試驗(yàn)下可以達(dá)到50kA以上 ，符合并網(wǎng)逆變器在實(shí)際惡劣工況下的使用需求。
2.采用并網(wǎng)預(yù)同步技術(shù)。并網(wǎng)沖擊產(chǎn)生的根本原因是并網(wǎng)瞬間逆變器和電網(wǎng)間的電壓相位差。有論文指出，如果在網(wǎng)側(cè)部署電壓傳感器，并在并網(wǎng)之前就進(jìn)行相位同步，就可以有效解決并網(wǎng)瞬間相位不同步的問(wèn)題。
3.適當(dāng)調(diào)整輸出濾波器參數(shù)。由并網(wǎng)瞬間等效電路模型可知，并網(wǎng)沖擊電流和電流等效LC電路參數(shù)有關(guān)，而這些參數(shù)主要由輸出濾波器決定。在滿足濾波和EMC要求的情況下，通過(guò)修改濾波器LC參數(shù)，可以控制沖擊電流的最大幅值和振蕩頻率，減小并網(wǎng)沖擊電流的影響。

審核編輯 黃宇