逆变器并网冲击机理分析建模和RCMU抗冲击试验

一、逆变器并网冲击机理

      在光伏发电系统并网运行的瞬间，并网逆变器常伴随短时冲击电流的产生，这一现象直接关联着电力设备的稳定性和电网电能质量‌，严重影响了逆变器产品的可靠性。并网冲击的核心机理源于逆变器与电网同步过程中输出电压与电网电压在幅值、相位或频率上的瞬时偏差‌，以及直流侧滤波电容的快速充放电特性‌。此外，电力电子开关器件的高频切换动作与电网阻抗参数的耦合作用，进一步加剧了瞬态电流的脉冲特性‌。
      现有器件普遍存在的抗冲击短板，已成为制约系统可靠性的关键瓶颈——数据显示，约32%的逆变器故障源自并网冲击造成的器件级损伤‌。在此背景下，RCMU器件在耐冲击性能上的研发突破，正为行业提供更优解。

二、冲击故障现象与模型分析

2.1 并网冲击实际现象描述

      在客户端实际捕获的逆变器并网瞬间冲击电流波形如下图所示。

实际冲击电流波形

      其中，CH4波形为并网冲击电流表现为衰减谐振电流。该电流峰值77A，谐振频率1.852MHz。该冲击电流在起振瞬间具有极大的di/dt。根据法拉第电磁感应定律，这一剧烈的电场变换将在导体中激发出较强的磁场，进而转变为感应电压，对产品中的器件造成损坏。

      式中，i1为冲击电流，V2为器件中的感应电压，M为并网线路和器件内部电路的等效互感。存在磁性部件，且与并网线路距离较近的器件互感更大，在并网冲击下最容易损坏，如RCMU和继电器等。用户反馈该冲击经常造成逆变器输出侧继电器和RCMU器件损坏。

2.2并网冲击瞬间等效电路模型分析

      考虑并网瞬间逆变器输出侧和电网的电路情况。在并网瞬间，控制系统的响应速度不足以调整逆变器输出电压和电网同相，二者存在相位差，相当于在线路中施加了一个阶跃冲击。逆变器的输出滤波器和线路中的寄生电感等组成了LC串联结构，在冲击下产生谐振电流。并网冲击瞬间的等效电路由L、C和一等效冲击电压源组成。

电路分析和等效模型

      电压源在0时刻产生一幅值为V的阶跃信号，则冲击电流为

      该式表示为一逐渐衰减的正弦谐振信号，其谐振频率为

      谐振电路峰值为

      基于这一等效模型推导出的冲击电流表达式与实际波形相符。以此表达式评估冲击电流的最坏情况，则阶跃电压振幅最大时冲击最强，对应逆变器和电网完全错相，约为440V。谐振频率即等效LC的谐振频率，而C/L越大冲击峰值越大。
因此，对特定的LC串联电路施加阶跃冲击，即可以模拟逆变器并网瞬间的冲击电流。

二、冲击故障模拟与抗冲击试验

3.1 电路仿真评估

      首先在Ltspice中搭建电路模型进行仿真，尝试模拟该冲击电流。以电压源V1侧的开关管为S1，LC间的开关管为S2，则该电路在运行中有两个模态。首先S1导通，S2断开，V1向C1充电至400V；之后S2导通瞬间S1关断，C1向RLC电路放电。为达到足够高的谐振频率，C1的值需要足够小，这导致其内部的等效并联电路形成的放电回路会使得其电压快速下降。因此S1、S2必须使用速度通断比放电时间快一个数量级的功率半导体器件，以忽略电容泄露的影响。

仿真电路

      使用LTspice进行电路仿真结果如下图。电容和GaN HEMT均采用实际器件的高精度spice模型，考虑了器件寄生参数影响。仿真波形显示谐振电流峰值为92A，谐振频率为1.607MHz，表明该参数下的电路基本可以满足设计指标。

仿真波形

3.2模拟电路测试

      为尽可能模拟逆变器并网冲击，并验证Magtron的RCMU产品具有在该工况的冲击下可靠工作的能力，搭建了实际电路用于模拟该工况，并在线路中串入RCMU101SN-4P16A-5S/RCMU101SN-2P12A-5N产品。控制高压电源输出不同的电压以控制冲击电流峰值。

冲击模拟电路

      实际试验过程中，电源最高设置到500V(因为开关管的耐压为600V)，模拟冲击电流峰值为98.4A，谐振频率为1.33MHz，基本模拟了实际并网冲击电流。抽取两款型号分别3pcs进行测试。在此冲击下，Magtron的两款RCMU产品均未出现失效情况，验证了该产品具有良好的抗扰性能，足够应对逆变器场景下的冲击影响。

RCMU101SN-4P16A-5S与RCMU101SN-2P12A-5N的试验过程

三、应对逆变器冲击并网的技术建议

1.选用耐冲击特性更好的器件。经过试验验证，Magtron RCMU系列产品可以在并网冲击下保持可靠准确运行，在8/20us浪涌试验下可以达到50kA以上 ，符合并网逆变器在实际恶劣工况下的使用需求。
2.采用并网预同步技术。并网冲击产生的根本原因是并网瞬间逆变器和电网间的电压相位差。有论文指出，如果在网侧部署电压传感器，并在并网之前就进行相位同步，就可以有效解决并网瞬间相位不同步的问题。
3.适当调整输出滤波器参数。由并网瞬间等效电路模型可知，并网冲击电流和电流等效LC电路参数有关，而这些参数主要由输出滤波器决定。在满足滤波和EMC要求的情况下，通过修改滤波器LC参数，可以控制冲击电流的最大幅值和振荡频率，减小并网冲击电流的影响。

审核编辑 黄宇