CN106208782A - 基于模型预测控制的级联h桥光伏逆变器漏电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于模型预测控制的级联H桥光伏逆变器漏电流抑制方法，所述方法包括：写出四个H桥级联逆变器的所有256种开关状态并计算对应的光伏电池寄生电容电压之和V_c的值；选择开关状态并组成开关状态组合；计算逆变器交流侧的输出电压V_k；在线检测k时刻电网的电压V_g(k)和电网电流i(k)，并计算出电网电流在k+1时刻的值i(k+1)；对在线检测得到的电网电压V_g(k)锁相，得到相位θ，由θ计算出k+1时刻的电流给定值i^*(k+1)，并与k+1时刻的电流计算值i(k+1)一起代入评估函数h；选择最小的评估函数h对应的开关状态组合，并作为输出量通过驱动电路驱动开关管。该方法不仅能有效地抑制***漏电流，而且扩展方便,并适用于偶数个H桥的单相非隔离级联H桥光伏并网逆变器。

Description

基于模型预测控制的级联H桥光伏逆变器漏电流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于模型预测控制的级联H桥光伏逆变器漏电流抑制方法；其适用于非隔离型光伏并网领域。

背景技术

与传统逆变器相比，级联H桥多电平逆变器具有电网电流谐波小、开关频率低、滤波器体积小且易于模块化等优点，因此得到了越来越多学者的关注。

此外，级联H桥多电平逆变器每个模块的直流侧可由一块光伏板独立供电，使其独立MPPT控制成为可能，因此级联H桥多电平拓扑结构尤其适用于光伏并网逆变器。

由于级联H桥逆变器模块化结构，可以通过级联一定的数量达到并网所需的电压，因此可以省去起升压和隔离作用的变压器，进一步降低成本和提高功率密度。

但是，由于缺少变压器隔离，光伏板和电网之间存在直接的电气连接，会在光伏板和大地之间的寄生电容上产生漏电流，漏电流会影响***的效率、降低***可靠性、威胁人身的安全以及产生电磁干扰等，因此非常有必要对漏电流进行抑制。

目前，传统的漏电流抑制方法主要可以分为以下三种：1)使用改进的拓扑结构，如H5、H6等拓扑；2)采用无源滤波器，如共模电感、EMI滤波器等；3)寻求合适的调制策略。

然而，与单模块逆变器拓扑不同的是，级联H桥拓扑漏电流的成分不仅与本模块的输出相关，还与级联的其他模块的输出相关联。因此，单个H桥漏电流的抑制方法并不能直接运用到级联H桥拓扑漏电流的抑制，造成了现有的单模块逆变器抑制漏电流的方法与级联H桥逆变器漏电流抑制方法之间存在着些许的不匹配性。

为此，学者们在级联H桥逆变器的漏电流抑制方面做了很多努力与尝试，如2016年IEEE文献“Single Phase Cascaded H5Inverter with Leakage Current Eliminationfor Transformerless Photovoltaic System”(“非隔离型级联H5光伏逆变器共模电流特性分析”——2016年IEEE能源学会全体会议论文集)提出了一种关于级联H5拓扑抑制漏电流的调制策略，虽然在一定程度上抑制了漏电流，但是随着模块数增多调制策略会非常复杂，不利于***扩展和模块化设计。此外，所提出的级联H5拓扑相比H4拓扑，成本和损耗都会有所增大。

2014年IEEE文献“Analysis and Suppression of Leakage Current inCascaded-Multilevel–Inverter-Based PV Systems,”Y.Zhou and H.Li,《IEEETrans.Power Electron.》,2014，29(10)，5265–5277(“级联多电平光伏逆变器漏电流分析与抑制”，《IEEE学报-电力电子期刊》，2014年第29卷第10期5265–5277页)提出了在直流侧和交流侧分别添加共模滤波器抑制漏电流，但其开关频率设定为10kHz，这与使用级联拓扑降低开关频率的初衷不符合。2013年IEEE文献“A Modulation Strategy for Single-phase HB-CMI to Reduce Leakage Ground Current in Transformer-less PV Applications”(“级联多电平光伏逆变器漏电流分析与抑制”——2013年IEEE能源学会全体会议论文集)提出的调制策略使得寄生电容电压按工频阶梯波变化，但该调制策略相对较复杂且不易于***扩展。此外，中国发明专利申请公开说明书CN 105450059 A于2015年12月22日公开的《抑制两H桥级联逆变器漏电流的调制方法》，对传统的载波层叠调制进行改进，提出了一种新的调制策略，可以抑制含有两个H桥的单相非隔离级联H桥光伏逆变器的漏电流，但是该方法仅仅使用于两个H桥的情况，不能扩展于多个H桥，有一定的局限性，不便于工程实际应用。

综上所述，对于单相非隔离级联H桥光伏逆变器而言，现有漏电流抑制方法主要存在如下问题：

(1)现有技术主要集中在含有两个H桥的单相非隔离级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制，这很大程度上限制了单相非隔离级联H桥光伏逆变器更多模块的扩展应用，未能充分发挥级联H桥光伏逆变器的优势；

(2)现有的含多个H桥的单相非隔离级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制方法主要改变现有的拓扑或者使用新的拓扑实现。如在直流侧和交流侧分别添加共模滤波器、采用级联H5或H6拓扑，这无疑会增大***的成本和损耗，降低逆变器的功率密度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服上述各种方案的局限性，针对非隔离型光伏逆变器由于缺少变压器隔离而在光伏板和大地之间的寄生电容上产生漏电流的问题，提出了一种基于模型预测控制漏电流抑制方法，该方法具有扩展方便，计算简单及成本低等优势。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案主要步骤如下：

1、一种基于模型预测控制的级联H桥光伏并网逆变器漏电流抑制方法，包括选择开关状态组合和检测电网的电压与电流，主要步骤如下：

步骤1，设四个H桥级联逆变器的四个模块直流电压相同，并记为V_dc，并用下式计算对应的光伏电池寄生电容电压之和V_c的值，

$V_c=\frac{V_{dc}}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\[4-2(i-1)\]S_{ia}-\frac{V_{dc}}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}(4-2i)S_{ib}-2V_g$

其中，V_g为电网的电压，S_1a为第一个H桥左桥臂上管的开关函数，S_1b为第一个H桥右桥臂上管的开关函数，S_2a为第二个H桥左桥臂上管的开关函数，S_2b为第二个H桥右桥臂上管的开关函数，S_3a为第三个H桥左桥臂上管的开关函数，S_3b为第三个H桥右桥臂上管的开关函数，S_4a为第四个H桥左桥臂上管的开关函数，S_4b为第四个H桥右桥臂上管的开关函数，且满足：

将开关函数进行排列组合得到开关状态组合S_1a/S_1b/S_2a/S_2b/S_3a/S_3b/S_4a/S_4b的值，得到四个H桥级联逆变器S_1a/S_1b/S_2a/S_2b/S_3a/S_3b/S_4a/S_4b的所有256种开关状态；

步骤2，根据步骤1写出的四个H桥级联逆变器的所有256种开关状态，按照维持光伏电池寄生电容电压之和V_c为工频正弦量且的要求，挑选满足要求的开关状态，组成以下开关状态组合：

10101010-10100010-10110010-10011110-11110110-01100001-01001101-01011101-01010101，这种开关组合共包含9种开关状态，每种开关状态对应一个输出电平；

步骤3，根据步骤2选择的9种开关状态，计算出逆变器交流侧的输出电平V_k的值，其中，其取值为[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]V_dc,共有9种电平；

步骤4，在线检测单相非隔离级联H桥逆变器在k时刻电网的电压V_g(k)和电网电流i(k)，并将步骤3计算得到的逆变器交流侧的输出电压V_k一并代入并网电流的离散模型函数，预测出电网电流在k+1时刻的值i(k+1)，其中，离散模型函数满足下式：

$i(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})i\left(k\right)+\frac{T_s}{L}(V_k-V_g(k\left)\right)$

式中，T_s是电网电压的采样周期，L和R分别为所述单相非隔离级联H桥光伏逆变器的电感值以及对应的电阻值，V_k是k时刻逆变器交流侧输出电压；

步骤5，将步骤4在线检测得到的电网电压V_g(k)进行锁相，得到相位θ，由θ计算出一个与电网电压同频同相的正弦量作为第k+1时刻的电流给定值i^*(k+1)，并与步骤4得到的电网电流在k+1时刻的计算值i(k+1)一起代入评估函数h，选择出使评估函数h最小的一个输出电平；其中，评估函数h＝|i^*(k+1)-i(k+1)|；

步骤6，根据步骤5选择的输出电平，从步骤2已选择出的开关状态组合中选择对应的开关状态，并作为输出量通过驱动电路驱动开关管。

本发明相对于现有技术的优势是：

1、适用性强，不仅能有效地抑制***漏电流，而且扩展方便，适用于四个H桥模块级联的光伏逆变器。

2、不需要通过改变现有的拓扑或采用新的拓扑来实现，通过本发明提出的开关控制策略就可以实现对四个H桥的单相非隔离级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制，不仅可以降低***的成本和开关损耗，而且能够提高逆变器的功率密度。

附图说明

图1是含有四个H桥的单相级联H桥光伏逆变器拓扑结构。

图2是含有四个H桥的单相级联H桥光伏逆变器的等效电路。

图3是基于模型预测控制抑制漏电流方法的控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步清楚、完整地描述。

本发明公开的基于模型预测控制的级联H桥光伏逆变器漏电流抑制方法可适用于抑制四个H桥的级联光伏逆变器的漏电流。

图1为本专利所述的单相非隔离级联H桥光伏并网逆变器拓扑结构，包含四个H桥，每个H桥直流侧通过一块或者多块光伏电池板独立供电，每个H桥交流侧相互串联，通过差模电感L₁和L₂与电网连接,这种级联H桥拓扑最大的特点是可以把每个H桥交流侧输出叠加以形成多电平。其中，参数C_pvk1和C_pvk2(k＝1,2,3,4)为光伏板对地的寄生电容，该电容大小与光伏板的面积以及天气等外部因素有关，L₁和L₂为网侧滤波电感；R₁和R₂为网侧滤波电感的寄生电阻；V_g为交流侧公共耦合点电压。

图2为图1所示单相四个模块级联H桥等效电路，其中C_pvk＝C_pvk1//C_pvk2。以电网电流正半周期为例进行分析，并记网侧滤波电感L₁＝L₂，R₁＝R₂。

图3是本发明专利提出的基于模型预测控制的控制框图，控制步骤包括：在线检测单相非隔离级联H桥逆变器在k时刻电网的电压V_g(k)和电网电流i(k)，并代入并网电流的离散模型函数，预测出电网电流在k+1时刻的值i(k+1)；对在线检测得到的电网电压锁相，得到相位θ，由θ计算出一个与电网电压同频同相且幅值为A的正弦量作为第k+1时刻的电流给定值i^*(k+1)；将第k+1时刻的电流给定值i^*(k+1)与电网电流在k+1时刻的计算值i(k+1)一起代入评估函数，选择出使评估函数最小的一个输出电平；根据选择出的输出电平，进一步选择出对应的开关状态，并作为输出量通过驱动电路驱动级联H桥光伏逆变器的开关管。

对于图1所示四个H桥的单相级联H桥光伏逆变器，本发明公开的基于模型预测控制的级联H桥光伏逆变器漏电流抑制方法的基本步骤如下：

参见图1、图2、图3。

步骤1，设四个H桥级联逆变器的四个模块直流电压相同，并记为V_dc，计算四个H桥级联逆变器的所有256种开关状态(S_1a/S_1b/S_2a/S_2b/S_3a/S_3b/S_4a/S_4b)及对应的光伏电池寄生电容电压之和V_c的值，

其中，V_g为电网的电压，S_1a为第一个H桥左桥臂上管的开关函数，S_1b为第一个H桥右桥臂上管的开关函数，S_2a为第二个H桥左桥臂上管的开关函数，S_2b为第二个H桥右桥臂上管的开关函数，S_3a为第三个H桥左桥臂上管的开关函数，S_3b为第三个H桥右桥臂上管的开关函数，S_4a为第四个H桥左桥臂上管的开关函数，S_4b为第四个H桥右桥臂上管的开关函数，且满足：

每个开关函数S_1a、S_1b、S_2a、S_2b、S_3a、S_3b、S_4a、S_4b的值为0或1，将开关函数的值进行排列组合并作为开关状态S_1a/S_1b/S_2a/S_2b/S_3a/S_3b/S_4a/S_4b的值，共2⁸种，这2⁸种开关状态的值就是四个H桥级联逆变器所有的256种开关状态(S_1a/S_1b/S_2a/S_2b/S_3a/S_3b/S_4a/S_4b)；

根据图2，可由基尔霍夫电压定律可得，寄生电容电压V_ck满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}-V_{1a}+V_L+V_R+V_g+V_{c1}=0\\ -V_{4b}-V_L-V_R+V_{cn}=0\\ -V_{1b}+V_{2a}-V_{c2}+V_{c1}=0\\ -V_{2b}+V_{3a}-V_{c3}+V_{c2}=0\\ -V_{3b}+V_{4a}-V_{c4}+V_{c3}=0\end{array}\right.$

整理后，计算出寄生电容电压V_ck满足下式：

$V_{\mathrm{ck}}=\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{\mathrm{DMi}}}{2}+V_{\mathrm{CMk}}-\underset{i=k+1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{\mathrm{DMi}}}{2}-\frac{V_g}{2}$

其中，V_CMk和V_DMk分别表示第k(k＝1,2,3,4)个模块的共模电压和差模电压；

根据已经定义的开关函数S_1a、S_1b、S_2a、S_2b、S_3a、S_3b、S_4a、S_4b，计算四个模块各桥臂的输出端A₁、B₁、A₂、B₂、A₃、B₃、A₄和B₄的电压V_1a、V_1b、V_2a、V_2b、V_3a、V_3b、V_4a和V_4b的值，

V_1a＝S_1aV_dc，

V_1b＝S_1bV_dc，

V_2a＝S_2aV_dc，

V_2b＝S_2bV_dc，

V_3a＝S_3aV_dc，

V_3b＝S_3bV_dc，

V_4a＝S_4aV_dc，

V_4b＝S_4bV_dc；

最后，根据上述得到的***寄生电容电压V_ck、***漏电流i_leak以及四个模块各桥臂的输出端A₁、B₁、A₂、B₂、A₃、B₃、A₄和B₄的电压V_1a、V_1b、V_2a、V_2b、V_3a、V_3b、V_4a和V_4b的值，计算出四个模块H桥级联逆变器寄生电容的电压之和V_c的值，

$\begin{array}{c}{V}_c=\frac{V_{dc}}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\[4-2(i-1)\]S_{ia}-\frac{V_{dc}}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}(4-2i)S_{ib}-2V_g\\ ={\mathrm{mV}}_{dc}-2V_g\end{array}$

其中，m满足下式：

$m=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{\[4-2(i-1)\]}{2}{S}_{ia}-\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\frac{(4-2i)}{2}{S}_{ib}$

由写出的256种开关状态(S_1a/S_1b/S_2a/S_2b/S_3a/S_3b/S_4a/S_4b)计算得到256种光伏电池寄生电容电压之和V_c；

步骤2，根据步骤1写出的四个H桥级联逆变器的所有256种开关状态，按照维持光伏电池寄生电容电压之和V_c为工频正弦量且的要求，挑选满足要求的开关状态，根据上述要求，最终选择出满足要求的9种开关状态，组成以下开关状态组合：

10101010-10100010-10110010-10011110-11110110-01100001-01001101-01011101-01010101，每种开关状态对应一个输出电平；

选择出的四个H桥级联逆变器的9种开关状态与对应的寄生电容的电压之和V_c及m值如表1所示：

表1四个模块的开关状态与m值

输出电压	S1a/S1b/S2a/S2b/S3a/S3b/S4a/S4b	m
			-4Vdc	0101 0101	2
-3Vdc	0101 1101	2
			-2Vdc	0100 1101	2
-Vdc	0110 0001	2
			0	1111 0110	2
Vdc	1001 1110	2
			2Vdc	1011 0010	2
3Vdc	1010 0010	2
			4Vdc	1010 1010	2

由表1可知，选择出的这9种开关状态对应的m值均为2，这使得寄生电容的电压之和V_c能保持工频正弦量不变，且满足因此，选择的这9种开关状态可以组成开关状态组合；

步骤3，根据步骤2选择的9种开关状态，计算出逆变器交流侧的输出电压V_k，其中，其取值为[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]V_dc,共有9种电平；

步骤4，在线检测单相非隔离级联H桥逆变器在k时刻电网的电压V_g(k)和电网电流i(k)，并将步骤3计算得到的逆变器交流侧的输出电压V_k一并代入并网电流的离散模型函数，预测出电网电流在k+1时刻的值i(k+1)，其中，离散模型函数满足下式：

$i(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})i\left(k\right)+\frac{T_s}{L}(V_k-V_g(k\left)\right)$

式中，T_s是电网电压的采样周期,L和R分别为所述单相非隔离级联H桥光伏逆变器的电感值以及对应的电阻值，且R＝R₁+R₂，L＝L₁+L₂，采样时刻k的取值随着控制器的运行而不断增加，k＝1,2,3,…；

步骤5，对在线检测得到的电网电压锁相，得到相位θ，由θ计算出一个与电网电压同频同相且幅值为A的正弦量作为第k+1时刻的电流给定值i^*(k+1)，并与步骤4得到的电网电流在k+1时刻的计算值i(k+1)一起代入评估函数h，选择出评估函数h最小的一组开关状态组合。其中，评估函数h＝|i^*(k+1)-i(k+1)|。因为只有使评估函数最小，才能保证电网电流的跟踪效果最好，满足并网控制的基本目标；

步骤6，根据步骤5选择的输出电平，从步骤2已选择出的开关状态组合中选择对应的开关状态，并作为输出量通过驱动电路驱动开关管。

与现有调制技术不同的是，本发明提出的基于模型预测控制的级联H桥光伏逆变器漏电流抑制方法不需要载波参与调制，而是通过模型预测控制挑选开关状态的方法替代载波调制。根据上述步骤，能维持光伏电池寄生电容电压之和为工频正弦量，从而实现级联H桥光伏逆变器漏电流抑制。

本发明公开的基于模型预测控制的级联H桥光伏逆变器漏电流的方法应用于四个H桥的级联光伏并网***。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的其它实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于模型预测控制的级联H桥光伏逆变器漏电流抑制方法，包括选择开关状态组合和检测电网的电压与电流，其特征在于，主要步骤如下：

步骤1，设四个H桥级联逆变器的四个模块直流电压相同，并记为V_dc，并用下式计算对应的光伏电池寄生电容电压之和V_c的值，

$V_c=\frac{V_{dc}}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\[4-2\left(i-1\right)\]S_{ia}-\frac{V_{dc}}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(4-2i\right)S_{ib}-2V_g$

其中，V_g为电网的电压，S_1a为第一个H桥左桥臂上管的开关函数，S_1b为第一个H桥右桥臂上管的开关函数，S_2a为第二个H桥左桥臂上管的开关函数，S_2b为第二个H桥右桥臂上管的开关函数，S_3a为第三个H桥左桥臂上管的开关函数，S_3b为第三个H桥右桥臂上管的开关函数，S_4a为第四个H桥左桥臂上管的开关函数，S_4b为第四个H桥右桥臂上管的开关函数，且满足：

将开关函数进行排列组合得到开关状态组合S_1a/S_1b/S_2a/S_2b/S_3a/S_3b/S_4a/S_4b的值，得到四个H桥级联逆变器S_1a/S_1b/S_2a/S_2b/S_3a/S_3b/S_4a/S_4b的所有256种开关状态；

步骤2，根据步骤1写出的四个H桥级联逆变器的所有256种开关状态，按照维持光伏电池寄生电容电压之和V_c为工频正弦量且的要求，挑选满足要求的开关状态，组成以下开关状态组合：

10101010-10100010-10110010-10011110-11110110-01100001-01001101-01011101-01010101，这种开关状态组合共包含9种开关状态，每种开关状态对应一个输出电平；

步骤3，根据步骤2选择的9种开关状态，计算出逆变器交流侧的输出电平V_k的值，其中，其取值为[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]V_dc,共有9种电平；

步骤4，在线检测单相非隔离级联H桥逆变器在k时刻电网的电压V_g(k)和电网电流i(k)，并将步骤3计算得到的逆变器交流侧的输出电压V_k一并代入并网电流的离散模型函数，预测出电网电流在k+1时刻的值i(k+1)，其中，离散模型函数满足下式：

$i(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})i\left(k\right)+\frac{T_s}{L}(V_k-V_g(k\left)\right)$

式中，T_s是电网电压的采样周期，L和R分别为所述单相非隔离级联H桥光伏逆变器的电感值以及对应的电阻值，V_k是k时刻逆变器交流侧输出电压；

步骤5，将步骤4在线检测得到的电网电压V_g(k)进行锁相，得到相位θ，由θ计算出一个与电网电压同频同相的正弦量作为第k+1时刻的电流给定值i^*(k+1)，并与步骤4得到的电网电流在k+1时刻的计算值i(k+1)一起代入评估函数h，选择出使评估函数h最小的一个输出电平；其中，评估函数h＝|i^*(k+1)-i(k+1)|；

步骤6，根据步骤5选择的输出电平，从步骤2已选择出的开关状态组合中选择对应的开关状态，并作为输出量通过驱动电路驱动开关管。