應(yīng)用于SiC光伏并網(wǎng)逆變器研究的新模型，可分析開關(guān)振蕩問題

 　　輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))的研究人員周林、李寒江、解寶、李海嘯、聶莉，在2019年第20期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出(論文標(biāo)題為“SiC MOSFET的Saber建模及其在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用和分析”)，SiC MOSFET高頻、高效、高功率密度的特性符合光伏逆變器的發(fā)展趨勢，但隨之而來的開關(guān)振蕩問題亟待解決。開關(guān)頻率提升后，由于開關(guān)振蕩的存在，可能導(dǎo)致高頻下的并網(wǎng)電流波形質(zhì)量下降，因此需要建立精準(zhǔn)的模型來為SiC MOSFET在光伏逆變器中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。 　　目前的SiC MOSFET模型大多基于Pspice的仿真環(huán)境建立的，不能用于包含復(fù)雜的電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǖ姆抡嫜芯俊；赟aber環(huán)境提出一種可以將SiC MOSFET與光伏逆變器結(jié)合的模型，通過雙脈沖實驗得出SiC MOSFET的器件特性，對SiC MOSFET的靜態(tài)特性和非線性電容進(jìn)行建模。 　　最后將模型運用到光伏并網(wǎng)逆變器中，將仿真結(jié)果與搭建的光伏并網(wǎng)逆變器實驗平臺實測結(jié)果進(jìn)行對比，并對SiC光伏并網(wǎng)逆變器在不同開關(guān)頻率情況下的性能進(jìn)行分析和研究，驗證了模型的準(zhǔn)確性和適用性。 　　隨著能源的日益緊缺，清潔能源的開發(fā)和利用已成為了當(dāng)今時代的迫切需要。近年來，光伏電池組件和逆變器的成本不斷降低，光伏發(fā)電已經(jīng)成為了世界各國政府和能源專家的關(guān)注重點。光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)需要以逆變器為接口設(shè)備，因此光伏逆變器作為現(xiàn)今研究熱點之一，實現(xiàn)其高效、高功率密度和高可靠的性能指標(biāo)是保障光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵要素。 　　目前已有大量文獻(xiàn)對光伏逆變器的拓?fù)洹⒖刂萍夹g(shù)、孤島檢測、鎖相同步等進(jìn)行了研究。光伏逆變器各個層面上的技術(shù)研究在目前都已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)成熟的地步。為了進(jìn)一步降低逆變器的成本和提升逆變器的性能，對于開關(guān)器件上的改進(jìn)和創(chuàng)新是必然的發(fā)展趨勢。以硅(Si)作為主要材料的功率半導(dǎo)體器件在大型光伏電站并網(wǎng)逆變器中使用廣泛，但由于受到自身材料的限制，Si器件的性能已接近極限。 　　近年來，SiC等寬禁帶的功率半導(dǎo)體器件因其可在高壓、高溫、高頻的情況下工作的特性，越來越多地走進(jìn)了人們的視野，其中SiC MOSFET是現(xiàn)今最受關(guān)注的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件，已有很多文獻(xiàn)對高頻的SiC MOSFET功率變換器進(jìn)行了研究。 　　然而，正是由于SiC MOSFET極快的開關(guān)速度，使其對寄生參數(shù)非常敏感，導(dǎo)致其在開關(guān)過程中出現(xiàn)明顯的電壓和電流振蕩，強烈的電壓和電流過沖可能會危及器件的安全，使功率損耗增加，在運用于光伏逆變器中，還可能會影響逆變器的性能。開關(guān)振蕩問題是SiC MOSEFT成為主流功率半導(dǎo)體器件道路上遇到的一大挑戰(zhàn)。 　　為了研究和分析開關(guān)振蕩對光伏逆變器的影響以及為減振器和阻尼電路的設(shè)計提供指導(dǎo)，需要建立精準(zhǔn)的SiC MOSFET模型。目前針對SiC MOSFET的建模多數(shù)只關(guān)注其本身的振蕩問題，無法將器件特性的影響體現(xiàn)在光伏逆變器系統(tǒng)的復(fù)雜拓?fù)渲校鳶iC MOSFET開關(guān)振蕩的問題對逆變器造成的影響不可忽略，因此會出現(xiàn)仿真與實驗結(jié)果不符的情況。這是由于在提高了開關(guān)頻率后，開關(guān)振蕩在整個開關(guān)周期內(nèi)的占比增大，從而影響逆變器并網(wǎng)電流波形質(zhì)量。 　　本文提出一種基于Saber環(huán)境下的SiC MOSFET模型，建模過程中考慮了MOSFET的各寄生元件。首先，本文選用了Cree公司生產(chǎn)的CCS050M12SM2型號的1.2kV SiC MOSFET作為研究對象，通過雙脈沖實驗得出了SiC MOSFET器件的各項特性曲線，為建立SiC MOSFET模型奠定基礎(chǔ)，為驗證分析模型的可靠性提供了參考。然后，本文建立了SiC MOSFET的靜態(tài)特性模型和非線性電容模型。 　　基于不同工作區(qū)域的情況，推導(dǎo)了靜態(tài)特性參數(shù)的數(shù)學(xué)方程。MOSFET各極間非線性電容對開關(guān)暫態(tài)過程的特性影響較大，開關(guān)過程中的振蕩問題也是本文關(guān)注重點。因此，為滿足電路仿真的需求，本文搭建了準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型用以描述各個電容的特性，并與普通方式搭建的模型進(jìn)行對比分析。 　　最后，本文搭建了SiC單相并網(wǎng)逆變器實驗平臺，通過對比不同開關(guān)頻率下仿真和實驗的開關(guān)振蕩波形，對SiC光伏并網(wǎng)逆變器在不同開關(guān)頻率情況下的性能進(jìn)行研究和分析，驗證了模型的正確性和適用性，為后續(xù)SiC MOSFET在光伏逆變器中應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。
　　圖16 SiC單相并網(wǎng)逆變器實驗平臺 　　 結(jié)論 　　本文以1.2kV SiC MOSFET為研究對象，通過雙脈沖實驗獲取SiC MOSFET器件的各項特性曲線，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于Saber仿真環(huán)境下的模型，該模型包含了器件的各項寄生元件及參數(shù)，對SiC MOSFET的靜態(tài)特性和非線性電容特性還原度較高。本文提出的模型可以運用于SiC光伏并網(wǎng)逆變器的仿真研究中，分析逆變器的效果及性能。 　　仿真和實驗結(jié)果表明，該模型可準(zhǔn)確地模擬出SiC MOSFET在開關(guān)過程中出現(xiàn)的電壓振蕩問題，并反映出開關(guān)振蕩對并網(wǎng)逆變器電能質(zhì)量的影響。在后續(xù)SiC光伏逆變器的研究中，該模型也可為開關(guān)振蕩的阻尼電路和逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計提供理論指導(dǎo)和驗證工具。基于本文提出的模型和實驗分析，可總結(jié)出以下兩點SiC MOSFET在光伏并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用中可能面臨的問題： 　　1)在沒有針對性的阻尼SiC MOSFET開關(guān)電壓振蕩的情況下，電壓振蕩的波峰和波谷差值較大，同時振蕩頻率非常高，在此過程中SiC MOSFET漏源極兩端的du/dt較大。因此，電壓振蕩問題也會導(dǎo)致逆變器出現(xiàn)串?dāng)_，嚴(yán)重時可能出現(xiàn)橋臂直通的現(xiàn)象，影響逆變器的正常工作。 　　2)本文選用的1.2kV SiC MOSFET在開關(guān)過程中產(chǎn)生電壓振蕩的持續(xù)時間約為6s，因此在逆變器開關(guān)頻率較低的情況下，振蕩過程在整個開關(guān)周期的占比小;當(dāng)開關(guān)頻率提高后，逆變器橋臂上下兩端電壓在整個開關(guān)周期均處于振蕩狀態(tài)，導(dǎo)致高頻下的逆變器并網(wǎng)電流諧波相較于低頻時反而更大，不能發(fā)揮出SiC MOSFET高頻化的優(yōu)勢，嚴(yán)重影響逆變器的性能。

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