三相中點鉗位三電平逆變器一維調制共模電流抑制技術的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及非隔離光伏并網發電系統中的共模電流抑制技術，尤其涉及一種三相 中點鉗位（Neutral point clamped--NPC)三電平逆變器一維調制（IDM)共模電流抑制 技術。
【背景技術】
[0002] 不含有變壓器的非隔離式光伏并網發電方式憑借自身變化效率高、體積小、重量 輕和成本低的絕對優勢，迅速得到各國科研人員的重視和工業界的關注，目前已經在部分 歐洲國家得到應用。但是因為沒有變壓器作為隔離，光伏電池、光伏逆變器和電網通過光伏 電池對地寄生電容形成了共模回路；在共模回路中共模電壓不斷變化，引起共模回路中電 容、電感充放電，從而在共模回路中產生較大的共模電流。高頻的共模電流會對周圍設備造 成嚴重的傳導和輻射干擾、增加并網電流諧波以及系統損耗，甚至危及設備和人身安全。
[0003] 目前抑制共模電流的方法大體可分為三種：第一種是支路分流的方法，即通過增 加共模電流支路的方法來減小共模電流。該方法在光伏電池兩端并聯兩個電容，然后連接 電容中點與電網中點；這樣在共模回路中光伏電池對地寄生電容和光伏電池兩端電容是并 聯的，由于光伏電池并聯電容比較大，電容電壓波動比較小，這樣就起到了鉗位共模電壓的 作用，從而達到抑制共模電流的目的。但是在實際應用中，直流側中點通過大地與電網中點 連接，連接線中必然會有大地阻抗；大地阻抗的存在使光伏電池對地寄生電容兩端的電壓 產生波動，由此也會產生較大共模電流，因此支路分流的方法有待進一步改進。第二種是增 大共模回路阻抗的方法，在共模回路中共模電壓變化幅值一定的情況下，增大共模回路阻 抗可以在一定程度上降低共模電流幅值，達到抑制共模電流的目的。但是這種方法只能起 到抑制共模電流的作用，而且一般需要在共模回路中串入比較大的電感才能有較好的抑制 共模電流的效果。第三種是減小共模電壓或保持共模電壓恒定，共模電壓的存在是產生共 模電流的根本原因，如果能減小共模電壓或是保持共模電壓恒定可以得到很好的抑制共模 電流的效果。目前減小共模電壓或保持共模電壓恒定的方法是改進逆變器的拓撲結構和改 進調制技術的兩種策略。改變逆變器拓撲結構，需要增加有源開關，系統成本上升。改進調 制技術則無須添加任何硬件。
[0004] 目前光伏并網逆變器以電壓型兩電平逆變器為主，但是隨著光伏發電技術的不斷 成熟，光伏裝機容量的不斷增大，國內外相關企業和科研院所都在研究基于多電平的光伏 并網逆變器，特別是三電平逆變器在光伏發電領域已得到越來越多的應用。而在抑制共模 電流的現有研究成果中，直接針對三相中點鉗位三電平逆變器的還非常少見。本發明針對 該逆變器提供了一種基于一維調制策略的共模電流抑制方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了有效抑制非隔離光伏系統中的共模電流，消除共模電流對 系統和人身安全的威脅。本發明基于三相中點鉗位三電平光伏逆變器（Neutral point clamped--NPC)，提出了一種一維調制共模電流抑制技術，在不增加任何硬件的條件下， 可以實現共模電壓恒定，有效的抑制共模電流。為了解決上述存在的技術問題，本發明是通 過以下技術方案實現的：
[0006] 一種三相中點鉗位三電平逆變器（NPC) -維調制（IDM)共模電流抑制技術，其內 容包括以下具體步驟：
[0007] 對于三相中點鉗位三電平逆變器（NPC)的每相橋臂，定義其開關狀態為V，則V有 三種取值：〇,橋臂輸出端連接直流母線負端；1，橋臂輸出端連接直流母線中點；2,橋臂輸 出端連接直流母線正端；當三相橋臂的開關狀態V A、VjPV ^在滿足式（1)的情況下，
[0008] VVVc= 3 (1)
[0009] 使非隔離三相中點鉗位三電平逆變器NPC的三個橋臂分別工作在0、1和2三種矢 量狀態，或者三個橋臂都工作在1矢量狀態；保證共模電壓恒等于直流電壓源的二分之一， 從而有效的抑制系統的共模電流；
[0010] 步驟1 :在一個基波周期內根據三相調制波正負將一個基波周期分為六個扇區分 別操作，I扇區A相調制波大于零、B相調制波小于零、C相調制波小于零，II扇區A相調制 波大于零、B相調制波大于零、C相調制波小于零，III扇區A相調制波小于零、B相調制波 大于零、C相調制波小于零，IV扇區A相調制波小于零、B相調制波大于零、C相調制波大于 零，V扇區A相調制波小于零、B相調制波小于零、C相調制波大于零，VI扇區A相調制波大 于零、B相調制波小于零、C相調制波大于零；在I扇區矢量作用順序為111 一201 - 210- 111、在II扇區矢量作用順序為111 一210 -120 -111、在III扇區矢量作用順序為111 一 120-021 -111、在IV扇區矢量作用順序為111 一021-012 -111、在V扇區矢量作用順序 為111一012 -102 -111、在VI扇區矢量作用順序為111一 102- 201-111 ;在每個扇區中 三相調制波的正負符號是不變的；
[0011] 步驟2 :根據三相調制波在時域的瞬時值確定矢量狀態及其作用時間，在每個扇 區中首先分別求取A相和B相的電壓矢量及其作用時間，其中a x為標么化基準輸出電壓； axi為標么化基準輸出電壓的整數部分；Vrafx為基準輸出電壓（V) ;VMaxx為輸出相電壓最大值 (V) ;E為輸出相鄰電平間的電壓差值（V) ;fl〇〇r向下取整函數；Sxl、Sx2為相鄰電壓矢量； txi、tx2為相應電壓矢量的作用時間（S);
[0012] 步驟3 :依據式VA+VB+Ve= 3合理排列三相的電壓矢量，推導三相在任意時刻的電 壓矢量及其作用時間保證共模電壓恒定；根據三個橋臂的矢量狀態之和為3的原則確定C 相的矢量狀態，最后合理組合三相的電壓矢量，使三相整體的輸出狀態只有中矢量和零矢 量111 ;在扇區I、III、IV和VI中A相和B相的正負符號是不同的；在扇區II和V中A相 和B相的正負值是相同的；
[0013] 步驟4 :無死區一維調制能夠更好地抑制共模，采樣三相電感電流，然后用各相的 電流信號與相應橋臂中第二開關和第三開關做與邏輯，得到新的第二開關和第三開關觸發 信號，這樣由于第一開關與第三開關、第二開關與第四開關不存在互補關系，因此可以不添 加死區。
[0014] 由于采用上述技術方案，本發明與現有技術相比具有這樣的有益效果：
[0015] 本發明的改進一維調制共模電流抑制技術，不需要光伏發電系統增加任何硬件設 施，從而降低了系統的成本，提高了能量變換效率，僅需改進調制策略就可以實現共模電壓 恒定，達到抑制共模電流的目的。同時，本發明調制算法簡單，運算速度快，易于實現，符合 可再生能源和新能源的發電技術需要，適用于不含變壓器的非隔離光伏并網發電系統。
【附圖說明】
[0016] 圖1是非隔離NPC三電平逆變器光伏并網系統圖；
[0017] 圖2是改進一維調制技術扇區劃分圖；
[0018] 圖3是一維調制原理圖；
[0019] 圖4是一維調制共模電流技術矢量作用順序圖；
[0020] 圖5是A相帶死區開關器件觸發信號；
[0021] 圖6是A相不帶死區開關器件觸發信號；
[0022] 圖7是實驗結果波形圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述：
[0024] -種三相中點鉗位三電平逆變器一維調制共模電流抑制技術，其內容詳細說明如 下：
[0025] 圖1所示是基于三相中點鉗位三電平逆變器的非隔離光伏并網發電系統，當每個 橋臂分別工作在〇、1和2三種矢量狀態或者三個橋臂都工作在1矢量狀態時，即使三個橋 臂的矢量狀態之和為3也能夠使共模電壓恒等于直流電壓源的二分之一，從而有效的抑制 系統的共模電流。
[0026] 參見圖2,在一個基波周期內可以根據三相調制波正負將一個基波周期分為六個 扇區，在每個扇區中三相調制波的正負符號是不變的，這樣便于三個橋臂矢量狀態的確定。
[0027] 在此基礎上，根據三相調制波在時域的瞬時值確定矢量狀態及其作用時間。在每 個扇區中首先確定A相和B相的電壓矢量及其作用時間，參見圖3所示的IDM調制原理，然 后根據三個橋臂的矢量狀態之和為3的原則確定C相的矢量狀態，最后合理組合三相的電 壓矢量，使三相整體的輸出狀態只有中矢量和零矢量111 ;在扇區I、III、IV和VI中A相和 B相的正負符號是不同的；在扇區II和V中A相和B相的正負值是相同的，因此以扇區I和 II為例進行分析。
[0028] 定義三相調制波為：Vrefa= m · V Maxcos Θ，Vrefb= m · V Max C0s ( Θ -2 π /3)，Vrefcc = m · VMax cos ( θ +2 π /3) 〇
[0029] 根據IDM調制原理：aa= (m · V Max cos θ +VMax) /Ερ。在NPC三電平逆變器中Ep = VMax，因此 aa= 1+m cos Θ。當 cos Θ >〇，a ai= 1，r a= mcos Θ，Sal= 1，Sa2= 2，