一、逆變器并網沖擊機理

在光伏發電系統并網運行的瞬間，并網逆變器常伴隨短時沖擊電流的產生，這一現象直接關聯著電力設備的穩定性和電網電能質量?，嚴重影響了逆變器產品的可靠性。并網沖擊的核心機理源于逆變器與電網同步過程中輸出電壓與電網電壓在幅值、相位或頻率上的瞬時偏差?，以及直流側濾波電容的快速充放電特性?。此外，電力電子開關器件的高頻切換動作與電網阻抗參數的耦合作用，進一步加劇了瞬態電流的脈沖特性?。
現有器件普遍存在的抗沖擊短板，已成為制約系統可靠性的關鍵瓶頸——數據顯示，約32%的逆變器故障源自并網沖擊造成的器件級損傷?。在此背景下，RCMU器件在耐沖擊性能上的研發突破，正為行業提供更優解。

二、沖擊故障現象與模型分析

2.1 并網沖擊實際現象描述

在客戶端實際捕獲的逆變器并網瞬間沖擊電流波形如下圖所示。

實際沖擊電流波形

其中，CH4波形為并網沖擊電流表現為衰減諧振電流。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。根據法拉第電磁感應定律，這一劇烈的電場變換將在導體中激發出較強的磁場，進而轉變為感應電壓，對產品中的器件造成損壞。

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

2.2并網沖擊瞬間等效電路模型分析

考慮并網瞬間逆變器輸出側和電網的電路情況。在并網瞬間，控制系統的響應速度不足以調整逆變器輸出電壓和電網同相，二者存在相位差，相當于在線路中施加了一個階躍沖擊。逆變器的輸出濾波器和線路中的寄生電感等組成了LC串聯結構，在沖擊下產生諧振電流。并網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時刻產生一幅值為V的階躍信號，則沖擊電流為

該式表示為一逐漸衰減的正弦諧振信號，其諧振頻率為

諧振電路峰值為

基于這一等效模型推導出的沖擊電流表達式與實際波形相符。以此表達式評估沖擊電流的最壞情況，則階躍電壓振幅最大時沖擊最強，對應逆變器和電網完全錯相，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，對特定的LC串聯電路施加階躍沖擊，即可以模擬逆變器并網瞬間的沖擊電流。

二、沖擊故障模擬與抗沖擊試驗

3.1 電路仿真評估

首先在Ltspice中搭建電路模型進行仿真，嘗試模擬該沖擊電流。以電壓源V1側的開關管為S1，LC間的開關管為S2，則該電路在運行中有兩個模態。首先S1導通，S2斷開，V1向C1充電至400V；之后S2導通瞬間S1關斷，C1向RLC電路放電。為達到足夠高的諧振頻率，C1的值需要足夠小，這導致其內部的等效并聯電路形成的放電回路會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間快一個數量級的功率半導體器件，以忽略電容泄露的影響。

仿真電路

使用LTspice進行電路仿真結果如下圖。電容和GaN HEMT均采用實際器件的高精度spice模型，考慮了器件寄生參數影響。仿真波形顯示諧振電流峰值為92A，諧振頻率為1.607MHz，表明該參數下的電路基本可以滿足設計指標。

仿真波形

3.2模擬電路測試

為盡可能模擬逆變器并網沖擊，并驗證Magtron的RCMU產品具有在該工況的沖擊下可靠工作的能力，搭建了實際電路用于模擬該工況，并在線路中串入RCMU101SN-4P16A-5S/RCMU101SN-2P12A-5N產品?？刂?a href="http://www.3532n.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

實際試驗過程中，電源最高設置到500V(因為開關管的耐壓為600V)，模擬沖擊電流峰值為98.4A，諧振頻率為1.33MHz，基本模擬了實際并網沖擊電流。抽取兩款型號分別3pcs進行測試。在此沖擊下，Magtron的兩款RCMU產品均未出現失效情況，驗證了該產品具有良好的抗擾性能，足夠應對逆變器場景下的沖擊影響。

RCMU101SN-4P16A-5S與RCMU101SN-2P12A-5N的試驗過程

三、應對逆變器沖擊并網的技術建議

1.選用耐沖擊特性更好的器件。經過試驗驗證，Magtron RCMU系列產品可以在并網沖擊下保持可靠準確運行，在8/20us浪涌試驗下可以達到50kA以上 ，符合并網逆變器在實際惡劣工況下的使用需求。
2.采用并網預同步技術。并網沖擊產生的根本原因是并網瞬間逆變器和電網間的電壓相位差。有論文指出，如果在網側部署電壓傳感器，并在并網之前就進行相位同步，就可以有效解決并網瞬間相位不同步的問題。
3.適當調整輸出濾波器參數。由并網瞬間等效電路模型可知，并網沖擊電流和電流等效LC電路參數有關，而這些參數主要由輸出濾波器決定。在滿足濾波和EMC要求的情況下，通過修改濾波器LC參數，可以控制沖擊電流的最大幅值和振蕩頻率，減小并網沖擊電流的影響。

審核編輯 黃宇