CN105245123B - 三相中点钳位三电平逆变器一维调制共模电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相中点钳位三电平逆变器一维调制共模电流抑制方法，它使非隔离三相中点钳位三电平逆变器的三个桥臂分别工作在0、1和2三种矢量状态或者三个桥臂都工作在1矢量状态，保证共模电压恒等于直流母线电压的二分之一，从而有效抑制非隔离光伏并网发电***中的共模电流。与现有的共模电流抑制技术相比，一维调制共模电流抑制方法不需要光伏发电***增加任何硬件设施，从而降低了***的成本，提高了能量变换效率，并且改进一维调制策略算法简单、运算速度快、方便实现，符合可再生能源和新能源发电技术需要的，适用于不含变压器的非隔离光伏并网发电***。

Description

三相中点钳位三电平逆变器一维调制共模电流抑制方法

技术领域

本发明涉及非隔离光伏并网发电***中的共模电流抑制技术，尤其涉及一种三相中点钳位(Neutral point clamped——NPC)三电平逆变器一维调制(1DM)共模电流抑制方法。

背景技术

不含有变压器的非隔离式光伏并网发电方式凭借自身变化效率高、体积小、重量轻和成本低的绝对优势，迅速得到各国科研人员的重视和工业界的关注，目前已经在部分欧洲国家得到应用。但是因为没有变压器作为隔离，光伏电池、光伏逆变器和电网通过光伏电池对地寄生电容形成了共模回路；在共模回路中共模电压不断变化，引起共模回路中电容、电感充放电，从而在共模回路中产生较大的共模电流。高频的共模电流会对周围设备造成严重的传导和辐射干扰、增加并网电流谐波以及***损耗，甚至危及设备和人身安全。

目前抑制共模电流的方法大体可分为三种：第一种是支路分流的方法，即通过增加共模电流支路的方法来减小共模电流。该方法在光伏电池两端并联两个电容，然后连接电容中点与电网中点；这样在共模回路中光伏电池对地寄生电容和光伏电池两端电容是并联的，由于光伏电池并联电容比较大，电容电压波动比较小，这样就起到了钳位共模电压的作用，从而达到抑制共模电流的目的。但是在实际应用中，直流侧中点通过大地与电网中点连接，连接线中必然会有大地阻抗；大地阻抗的存在使光伏电池对地寄生电容两端的电压产生波动，由此也会产生较大共模电流，因此支路分流的方法有待进一步改进。第二种是增大共模回路阻抗的方法，在共模回路中共模电压变化幅值一定的情况下，增大共模回路阻抗可以在一定程度上降低共模电流幅值，达到抑制共模电流的目的。但是这种方法只能起到抑制共模电流的作用，而且一般需要在共模回路中串入比较大的电感才能有较好的抑制共模电流的效果。第三种是减小共模电压或保持共模电压恒定，共模电压的存在是产生共模电流的根本原因，如果能减小共模电压或是保持共模电压恒定可以得到很好的抑制共模电流的效果。目前减小共模电压或保持共模电压恒定的方法是改进逆变器的拓扑结构和改进调制技术的两种策略。改变逆变器拓扑结构，需要增加有源开关，***成本上升。改进调制技术则无须添加任何硬件。

目前光伏并网逆变器以电压型两电平逆变器为主，但是随着光伏发电技术的不断成熟，光伏装机容量的不断增大，国内外相关企业和科研院所都在研究基于多电平的光伏并网逆变器，特别是三电平逆变器在光伏发电领域已得到越来越多的应用。而在抑制共模电流的现有研究成果中，直接针对三相中点钳位三电平逆变器的还非常少见。本发明针对该逆变器提供了一种基于一维调制策略的共模电流抑制方法。

发明内容

本发明的目的是为了有效抑制非隔离光伏***中的共模电流，消除共模电流对***和人身安全的威胁。本发明基于三相中点钳位三电平光伏逆变器(Neutral pointclamped——NPC)，提出了一种一维调制共模电流抑制方法，在不增加任何硬件的条件下，可以实现共模电压恒定，有效的抑制共模电流。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三相中点钳位三电平逆变器(NPC)一维调制(1DM)共模电流抑制方法，其内容包括以下具体步骤：

对于三相中点钳位三电平逆变器(NPC)的每相桥臂，定义其开关矢量状态为S，则S有三种取值：0，桥臂输出端连接直流母线负端；1，桥臂输出端连接直流母线中点；2，桥臂输出端连接直流母线正端；当三相桥臂的开关状态S_A、S_B和S_C在满足式(1)的情况下，

S_A+S_B+S_C＝3 (1)

使非隔离三相中点钳位三电平逆变器NPC的三个桥臂分别工作在0、1和2三种矢量状态,或者三个桥臂都工作在1矢量状态；保证共模电压恒等于直流电压源的二分之一，从而有效的抑制***的共模电流；

步骤1：在一个基波周期内根据三相调制波正负将一个基波周期分为六个扇区分别操作，Ι扇区A相调制波大于零、B相调制波小于零、C相调制波小于零，ΙΙ扇区A相调制波大于零、B相调制波大于零、C相调制波小于零，ΙΙΙ扇区A相调制波小于零、B相调制波大于零、C相调制波小于零，ΙV扇区A相调制波小于零、B相调制波大于零、C相调制波大于零，V扇区A相调制波小于零、B相调制波小于零、C相调制波大于零，VΙ扇区A相调制波大于零、B相调制波小于零、C相调制波大于零；在Ι扇区矢量作用顺序为111—201—210—111、在ΙΙ扇区矢量作用顺序为111—210—120—111、在ΙΙΙ扇区矢量作用顺序为111—120—021—111、在ΙV扇区矢量作用顺序为111—021—012—111、在V扇区矢量作用顺序为111—012—102—111、在VΙ扇区矢量作用顺序为111—102—201—111；在每个扇区中三相调制波的正负符号是不变的；

步骤2：根据三相调制波在时域的瞬时值确定矢量状态及其作用时间，在每个扇区中首先分别求取A相和B相的电压矢量及其作用时间，定义a_x为x相标幺化基准输出电压；a_xi为x相标幺化基准输出电压的整数部分；V_refx为x相基准输出电压(V)；V_Max为输出相电压最大值(V)；E为输出相邻电平间的电压差值(V)；floor向下取整函数；S_x1、S_x2为x相相邻电压矢量；t_x1、t_x2为x相相应电压矢量的作用时间(s)，x＝a或b；

步骤3：依据式S_A+S_B+S_C＝3合理排列三相的电压矢量，推导三相在任意时刻的电压矢量及其作用时间保证共模电压恒定；根据三个桥臂的矢量状态之和为3的原则确定C相的矢量状态，最后合理组合三相的电压矢量，使三相整体的输出状态只有中矢量和零矢量111；在扇区Ι、ΙΙΙ、ΙV和VΙ中A相和B相的正负符号是不同的；在扇区ΙΙ和V中A相和B相的正负值是相同的；

步骤4：无死区一维调制能够更好地抑制共模，采样三相电感电流，然后用各相的电流信号与相应桥臂中第二开关和第三开关做与逻辑，得到新的第二开关和第三开关触发信号，这样由于第一开关与第三开关、第二开关与第四开关不存在互补关系，因此可以不添加死区。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明的改进一维调制共模电流抑制方法，不需要光伏发电***增加任何硬件设施，从而降低了***的成本，提高了能量变换效率，仅需改进调制策略就可以实现共模电压恒定，达到抑制共模电流的目的。同时，本发明调制算法简单，运算速度快，易于实现，符合可再生能源和新能源的发电技术需要，适用于不含变压器的非隔离光伏并网发电***。

附图说明

图1是非隔离NPC三电平逆变器光伏并网***图；

图2是改进一维调制技术扇区划分图；

图3是一维调制原理图；

图4是一维调制共模电流技术矢量作用顺序图；

图5是A相带死区开关器件触发信号；

图6是A相不带死区开关器件触发信号；

图7是实验结果波形图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种三相中点钳位三电平逆变器一维调制共模电流抑制方法，其内容详细说明如下：

图1所示是基于三相中点钳位三电平逆变器的非隔离光伏并网发电***，当每个桥臂分别工作在0、1和2三种矢量状态或者三个桥臂都工作在1矢量状态时，即使三个桥臂的矢量状态之和为3也能够使共模电压恒等于直流电压源的二分之一，从而有效的抑制***的共模电流。

参见图2，在一个基波周期内可以根据三相调制波正负将一个基波周期分为六个扇区，在每个扇区中三相调制波的正负符号是不变的，这样便于三个桥臂矢量状态的确定。

在此基础上，根据三相调制波在时域的瞬时值确定矢量状态及其作用时间。在每个扇区中首先确定A相和B相的电压矢量及其作用时间，参见图3所示的1DM调制原理，然后根据三个桥臂的矢量状态之和为3的原则确定C相的矢量状态，最后合理组合三相的电压矢量，使三相整体的输出状态只有中矢量和零矢量111；在扇区Ι、ΙΙΙ、ΙV和VΙ中A相和B相的正负符号是不同的；在扇区ΙΙ和V中A相和B相的正负值是相同的，因此以扇区Ι和ΙΙ为例进行分析。

定义三相调制波为：V_refa＝m·V_Maxcosθ，V_refb＝m·V_Maxcos(θ-2π3)，V_refcc＝m·V_Maxcos(θ+2π3)。

根据1DM调制原理：a_a＝(m·V_Maxcosθ+V_Max)/E_p。在NPC三电平逆变器中E_p＝V_Max，因此a_a＝1+mcosθ。当cosθ＞0，a_ai＝1，r_a＝mcosθ，S_a1＝1，S_a2＝2，t_a1＝(1-mcosθ)·T_s＝(1-m|cosθ|)·T_s，t_a2＝mcosθ·T_s＝m|cosθ|·T_s；cosθ＜0，a_ai＝0，r_a＝1+mcosθ，S_a1＝0，S_a2＝1，t_a1＝-mcosθ·T_s＝m|cosθ|·T_s，t_a2＝(1+mcosθ)·T_s＝(1-m|cosθ|)·T_s。

由上述推导可得三相在任意时刻的电压矢量及其作用时间，如表1所示：

表1 1DM矢量作用时间

在区域Ι中A相t_c2＝m|cos(θ+2π/3)·T_s为正值、B相为负值，因此t_c2＝(1-m|cos(θ+2π3)|)·T_sA相有1和2两种电压矢量，B相有0和1两种电压矢量。在区域ΙΙ中A相和B相均为正值，所以A相和B相均有1和2两种电压矢量。

在扇区Ι中V_refa＞0，V_refb＜0并且|V_refa|＞|V_refb|，在扇区Ι内A相电压矢量1和B相电压矢量1的作用时间分别为：t_a1＝(1-m|cosθ|)·T_s，t_b2＝(1-m|cos(θ-2π/3)|)·T_s；则t_a1-t_b2＝(1-m|cosθ|)·T_s-(1-m|cos(θ-2π/3))·T_s＝m|cos(θ-2π/3)|·T_s-m|cosθ|·T_s＝m·T_s·(|cos(θ-2π/3)-|cosθ|)＜0。于是可知t_a1＜t_b2，即A相电压矢量1的作用时间小于B相电压矢量1的作用时间。由于t_a1+t_a2＝T_s，t_b1+t_b2＝T_s。所以t_a2＞t_b1，即A相电压矢量2的作用时间大于B相电压矢量0的作用时间。

由于A相电压矢量1的作用时间小于B相电压矢量1的作用时间，可以在t_a1时间内作用电压矢量111。而A相电压矢量2的作用时间大于B相电压矢量0的作用时间，可以在t_b1时间内作用矢量201。则电压矢量210的作用时间为：t₂₁₀＝T_s-t_a1-t_b1＝T_s-(T_s-t_a2)-t_b1＝t_a2-t_b1＝T_s-t_a1-(T_s-t_b2)＝t_b2-t_a1。为了使电压矢量111作为起始矢量，首先在t_a1/2时间内作用电压矢量111，然后t_b1时间内作用电压矢量201，接下来在t₂₁₀时间内作用电压矢量210，最后在t₁₁₁/2时间内作用电压矢量111。

在扇区ΙΙ中A、B两相的基准电压均为正值，则两相的电压矢量均在电压矢量1和2之间切换。A相电压矢量1的作用时间为：t_a1＝(1-m|cosθ|)·T_s；B相电压矢量2的作用时间为：t_b2＝m|cos(θ-2π/3)|·T_s；而在三相对称***中满足V_refa+V_refb+V_refc＝0；于是可得t_a1-t_b2＝(1-m|cosθ|)·T_s-m|cos(θ-2π/3)|·T_s＝1-(m cosθ+m cos(θ-2π/3))＝1+m cos(θ+2π/3)＞0。

由此可知在扇区ΙΙ中，A相电压矢量1的作用时间始终大于B相电压矢量2的作用时间，同时A相电压矢量2的作用时间始终小于B相电压矢量1的作用时间。所以可以在t_b2的时间内作用电压矢量120，在t_a2的时间内作用电压矢量210，于是可得电压矢量111的作用时间为：t₁₁₁＝T_s-t_a2-t_b2＝T_s-(T_s-t_a1)-t_b2＝t_a1-t_b2＝T_s-t_a2-(T_s-t_b1)＝t_b1-t_a2。为了使电压矢量111作为起始矢量，首先在t₁₁₁/2时间内作用电压矢量111，然后分别在t_a2、t_b2时间内作用电压矢量210和120，最后在t₁₁₁/2时间内作用电压矢量111，这样可以保证在任何扇区起始矢量和末尾矢量均为111，因此不会再扇区切换时产生矢量跳变。

参见图4，Ι、ΙΙ、ΙΙΙ、ΙV、V和VΙ扇区矢量作用顺序。

参见图5，A相桥臂开关器件带死区触发信号波形。当驱动信号带有死区时，在死区时间内***的共模电压不等于直流母线电压的二分之一，这样在死区时间内共模电压会产生尖峰，导致共模电流增加。

参见图6，A相桥臂开关器件不带死区触发信号波形。无死区一维调制可以更好的抑制共模，具体实施方法是采样三相电感电流，然后用各相的电流信号与相应桥臂中第二开关和第三开关做与逻辑，得到新的第二开关和第三开关触发信号，这样由于第一开关与第三开关、第二开关与第四开关不存在互补关系，因此可以不添加死区。

参见图7，A相电压波形、线电压V_ab波形、滤波后A相电压和电流波形、共模电压和共模电流波形。共模电压实验参数：直流输入电压E＝200V，负载在R＝20Ω，LC滤波器(L＝3mH，C＝14uF)，开关频率f_s＝5kHz，调制比m＝0.8，模拟光伏电池对地寄生电容C_G-PV＝220nF。

Claims (1)

1.一种三相中点钳位三电平逆变器一维调制共模电流抑制方法，其特征在于其内容包括以下具体步骤：

对于三相中点钳位三电平逆变器的每相桥臂，定义其开关矢量状态为S，则S有三种取值：0，桥臂输出端连接直流母线负端；1，桥臂输出端连接直流母线中点；2，桥臂输出端连接直流母线正端；当三相桥臂的开关矢量状态S_A、S_B和S_C在满足式(1)的情况下，

S_A+S_B+S_C＝3 (1)

使非隔离三相中点钳位三电平逆变器NPC的三个桥臂分别工作在0、1和2三种矢量状态,或者三个桥臂都工作在1矢量状态；保证共模电压恒等于直流电压源的二分之一，从而有效的抑制***的共模电流；

步骤1：在一个基波周期内根据三相调制波正负将一个基波周期分为六个扇区分别操作，Ι扇区A相调制波大于零、B相调制波小于零、C相调制波小于零，ΙΙ扇区A相调制波大于零、B相调制波大于零、C相调制波小于零，ΙΙΙ扇区A相调制波小于零、B相调制波大于零、C相调制波小于零，ΙV扇区A相调制波小于零、B相调制波大于零、C相调制波大于零，V扇区A相调制波小于零、B相调制波小于零、C相调制波大于零，VΙ扇区A相调制波大于零、B相调制波小于零、C相调制波大于零；在Ι扇区矢量作用顺序为111—201—210—111、在ΙΙ扇区矢量作用顺序为111—210—120—111、在ΙΙΙ扇区矢量作用顺序为111—120—021—111、在ΙV扇区矢量作用顺序为111—021—012—111、在V扇区矢量作用顺序为111—012—102—111、在VΙ扇区矢量作用顺序为111—102—201—111；在每个扇区中三相调制波的正负符号是不变的；

步骤2：根据三相调制波在时域的瞬时值确定矢量状态及其作用时间，在每个扇区中首先分别求取A相和B相的电压矢量及其作用时间，定义a_x为x相标 幺化基准输出电压；a_xi为x相标幺化基准输出电压的整数部分；V_refx为x相基准输出电压；V_Max为输出相电压最大值；E为输出相邻电平间的电压差值；floor向下取整函数；S_x1、S_x2为x相相邻电压矢量；t_x1、t_x2为x相相应电压矢量的作用时间，其中x＝a或b；

定义三相调制波为：V_refa＝m·V_Maxcosθ，V_refb＝m·V_Maxcos(θ-2π/3)，V_refcc＝m·V_Maxcos(θ+2π/3)；

以扇区I为例，说明A相电压矢量的选取及作用时间计算；根据1DM调制原理：a_a＝(m·V_Maxcosθ+V_Max)/E_p，在NPC三电平逆变器中E_p＝V_Max，因此a_a＝1+mcosθ；当cosθ＞0，a_ai＝1，r_a＝mcosθ，S_a1＝1，S_a2＝2，t_a1＝(1-mcosθ)·T_s＝(1-m|cosθ|)·T_s，t_a2＝mcosθ·T_s＝m|cosθ|·T_s；cosθ＜0，a_ai＝0，r_a＝1+mcosθ，S_a1＝0，S_a2＝1，t_a1＝-mcosθ·T_s＝m|cosθ|·T_s，t_a2＝(1+mcosθ)·T_s＝(1-m|cosθ|)·T_s；

步骤3：依据式S_A+S_B+S_C＝3合理排列三相的电压矢量，推导三相在任意时刻的电压矢量及其作用时间保证共模电压恒定；根据三个桥臂的矢量状态之和为3的原则确定C相的矢量状态，最后合理组合三相的电压矢量，使三相整体的输出状态只有中矢量和零矢量111；在扇区Ι、ΙΙΙ、ΙV和VΙ中A相和B相的正负符号是不同的；在扇区ΙΙ和V中A相和B相的正负值是相同的；

步骤4：无死区一维调制能够更好地抑制共模，采样三相电感电流，然后用各相的电流信号与相应桥臂中第二开关和第三开关做与逻辑，得到新的第二开关和第三开关触发信号，这样由于第一开关与第三开关、第二开关与第四开关不存在互补关系，因此可以不添加死区。