基于级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制方法与流程

本发明涉及光伏发电并网技术领域，具体涉及一种基于级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制方法。

背景技术：

光伏逆变器(Photovoltaic inverter)是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。

对于H桥光伏逆变器，其每个模块的低压直流侧可由光伏板进行独立供电，便于实现每个模块的MPPT控制，因此H桥拓扑特别适用于光伏逆变器。与传统的逆变器相比，H桥光伏逆变器具备明显优势，例如开关频率低、滤波器体积小、易于模块化等。

H桥光伏逆变器可以通过级联模块达到并网所需电压，因此该类逆变器不需要变压器，进一步降低成本，提高功率密度。但是，级联H桥光伏逆变器缺少变压器的隔离作用，光伏板和电网之间存在直接电器连接，导致光伏板和大地之间的寄生电容形成回路，产生漏电流。所以严重影响系统的效率和可靠性，甚至对人身安全造成威胁。因此，如何抑制光伏逆变器的漏电流就变得极其重要。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种基于级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制方法，所述级联H桥光伏逆变器包括两个H桥模块，所述H桥模块包括四个开关管；其中，所述方法包括：

根据所述两个H桥模块的四个桥臂的上开关管的导通与关断分别形成16个开关状态；

在所述两个H桥模块输入的直流电压相同时，在所述16个开关状态下分别计算所述级联H桥光伏逆变器寄生电容的电压值；

从所述寄生电容电压值相同的多个开关状态中选择数个开关状态形成开关组合；

根据所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值形成一维空间矢量控制区域；

根据预输出电压值在所述一维空间矢量控制区域的位置确定所述开关组合中对应的开关状态，并控制所述两个H桥模块的开关管在对应的开关状态下导通与关断，从而实现漏电流的抑制。

在本发明的一个实施例中，从所述寄生电容电压值相同的多个开关状态中选择数个开关状态形成开关组合，包括：

在保持所述寄生电容电压值相同的情况下，以所述级联H桥光伏逆变器相邻输出电压值间开关管状态切换次数最小原则选择数个开关状态以形成所述开关组合。

在本发明的一个实施例中，假设所述H桥模块输入的直流电压值为E，则所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值为：-2E、-E、0、E、2E；

其中级联H桥光伏逆变器输出的电压值-2E、-E、E、2E分别对应一个开关状态，而电压值0对应两个开关状态以达到所述级联H桥光伏逆变器相邻输出电压值在正负周期间开关管状态切换次数最小的目的。

在本发明的一个实施例中，根据所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值形成一维空间矢量控制区域，包括：

分别用数字0、1、2代表所述H桥模块输出的直流电压值-E、0、E，则用数字00、10、11、21、22分别代表所述级联H桥光伏逆变器输出的电压值-2E、-E、0、E、2E，由所述级联H桥光伏逆变器输出的电压值-2E、-E、0、E、2E与数字00、10、11、21、22的对应关系形成所述一维空间矢量控制区域。

在本发明的一个实施例中，根据预输出电压值在所述一维空间矢量控制区域的位置确定所述开关组合中对应的开关状态，包括：

确定所述预输出电压值在所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值中最接近的两个电压值；

根据所述最接近的两个电压值确定对应的两个开关状态。

在本发明的一个实施例中，控制所述H桥模块的开关管在对应的开关状态下导通与关断，包括：

根据所述预输出电压在所述一维空间矢量控制区域中的位置，确定最接近的两个电压值与对应的开关状态占空比；

对所述最接近的两个电压值对应的两个开关状态及所述占空比进行线性合成以控制所述H桥模块的开关管的导通与关断。

在本发明的一个实施例中，所述占空比的计算公式为：

其中，Vref为预输出电压值，E为所述H桥模块的输入电压值，t₁、t₂为两种开关状态的占空比，floor为向下取整运算函数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：在不引入新的滤波电路以及在不更改拓扑结构图的情况下，本发明通过新的调制策略，使寄生电容电压之和保持恒定或工频正弦量，显著地减小了级联H桥光伏逆变器的漏电流。

附图说明

为了清楚说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制方法的示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种基于级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制方法的示意流程图；

图3是本发明实施例提供的两个模块级联H桥光伏逆变器的原理图；

图4是本发明实施例提供的两个模块级联H桥光伏逆变器的等效电路图；

图5是本发明实施例提供的一维空间矢量的控制区域图；

图6是本发明实施例提供的预输出电压值与最接近的两个电压值的确定以及两个开关状态的占空比确定的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制方法的示意图，该方法包括如下步骤：所述级联H桥光伏逆变器包括两个H桥模块，所述H桥模块包括四个开关管；其中，所述方法包括：

步骤(a)，根据所述两个H桥模块的四个桥臂的上开关管的导通与关断分别形成16个开关状态；

步骤(b)，在所述两个H桥模块输入的直流电压相同时，在所述16个开关状态下分别计算所述级联H桥光伏逆变器寄生电容的电压值；

步骤(c)，从所述寄生电容电压值相同的多个开关状态中选择数个开关状态形成开关组合；

步骤(d)，根据所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值形成一维空间矢量控制区域；

步骤(e)，根据预输出电压值在所述一维空间矢量控制区域的位置确定所述开关组合中对应的开关状态，并控制所述两个H桥模块的开关管在对应的开关状态下导通与关断，从而实现漏电流的抑制。

其中，对于步骤c，可以包括：从所述寄生电容电压值相同的多个开关状态中选择数个开关状态形成开关组合，具体如下：

在保持所述寄生电容电压值相同的情况下，以所述级联H桥光伏逆变器相邻输出电压值间开关管状态切换次数最小原则选择数个开关状态以形成所述开关组合。

其中，对于步骤c中以所述级联H桥光伏逆变器相邻输出电压值间开关管状态切换次数最小原则选择数个开关状态，可以包括：假设所述H桥模块输入的直流电压值为E，则所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值为：-2E、-E、0、E、2E；

其中级联H桥光伏逆变器输出的电压值-2E、-E、E、2E分别对应一个开关状态，而电压值0对应两个开关状态以达到所述级联H桥光伏逆变器相邻输出电压值在正负周期间开关管状态切换次数最小的目的。

其中，对于步骤d，可以包括：根据所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值形成一维空间矢量控制区域，具体如下：

分别用数字0、1、2代表所述H桥模块输出的直流电压值-E、0、E，则用数字00、10、11、21、22分别代表所述级联H桥光伏逆变器输出的电压值-2E、-E、0、E、2E，由所述级联H桥光伏逆变器输出的电压值-2E、-E、0、E、2E与数字00、10、11、21、22的对应关系形成所述一维空间矢量控制区域。

其中，对于步骤e，可以包括：根据预输出电压值在所述一维空间矢量控制区域的位置确定所述开关组合中对应的开关状态，具体如下：

确定所述预输出电压值在所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值中最接近的两个电压值；

根据所述最接近的两个电压值确定对应的两个开关状态。

其中，对于步骤e中根据所述最接近的两个电压值确定对应的两个开关状态，可以包括：控制所述H桥模块的开关管在对应的开关状态下导通与关断，具体如下：

根据所述预输出电压在所述一维空间矢量控制区域中的位置，确定最接近的两个电压值与对应的开关状态占空比；

对所述最接近的两个电压值对应的两个开关状态及所述占空比进行线性合成以控制所述H桥模块的开关管的导通与关断。

另外，对于步骤e中根据所述最接近的两个电压值确定对应的两个开关状态中的所述占空比，还可以包括：所述占空比的计算公式为：

其中，Vref为预输出电压值，E为所述H桥模块的输入电压值，t₁、t₂为两种开关状态的占空比，floor为向下取整运算函数。

本实施例，通过对级联H桥光伏逆变器的开关管进行控制，解决了级联H桥光伏逆变器漏电流过大的问题，达到了不引入新的滤波电路，不更改拓扑结构的前提下，通过新的调制策略，使寄生电容电压之和保持恒定或工频正弦量，显著减小级联H桥光伏逆变器漏电流的效果。

实施例二

请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种基于级联H桥光伏逆变器的漏电流抑制方法的示意流程图，本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的技术方案进行详细描述。具体地，该方法包括：

步骤(a)，建立两个H桥模块光伏逆变器级联

的原理图，如图3所示，

其中C_pvk1和C_pvk2(k＝1,2)为光伏板与大地之间的寄生电容，L₁和L₂为网侧滤波电感；v_g为交流侧公共耦合点电压。

步骤(b)，从图3可以得出，两个H桥模块包括八个开关管，通过定义两个H桥模块的四个桥臂的上开关管的导通与关断分别形成16个开关状态，方法如下：

用四个开关函数S_a1，S_b1，S_a2，S_b2分别表示所述级联H桥光伏逆变器的第一个H桥模块左桥臂开关管的开关函数，第一个H桥模块右桥臂开关管的开关函数，第二个H桥模块左桥臂开关管的开关函数，第二个H桥模块右桥臂开关管的开关函数。假设四个开关函数S_a1，S_b1，S_a2，S_b2的取值为0，或者1，可形成16个开关状态。

步骤(c)，由图3得出两个模块级联H桥光伏逆变器的等效电路图，如图4所示。

步骤(d)，利用两个模块级联H桥光伏逆变器的等效电路图，推导寄生电容的电压数学表达式。假设L₁＝L₂，由于漏电流很小，所以两个对称电感上产生的电压近似相等，由基尔霍夫电压定律可得：

-v_a1+v_L+v_g+v_cpv1＝0

-v_b2-v_L+v_cpv2＝0

-v_b1+v_a2-v_cpv2+v_cpv1＝0

其中v_a1、v_b1、v_a2、v_b2分别表示为所述级联H桥光伏逆变器的第一个H桥模块左桥臂的输出电压，第一个H桥模块右桥臂的输出电压，第二个H桥模块左桥臂的输出电压，第二个H桥模块右桥臂的输出电压。

由于电网电压为工频变量，则v_g在寄生电容上产生的共模电流一般可忽略，此后的分析均不在考虑电网电压。因此，忽略电网电压影响后，由以上各式可以求得寄生电容的电压分别如下：

$v_{cpv1}=\frac{v_{a1}+v_{b1}}{2}-\frac{v_{a2}-v_{b2}}{2}$

$v_{cpv2}=\frac{v_{a1}-v_{b1}}{2}+\frac{v_{a2}+v_{b2}}{2}$

步骤(e)，为了研究调制策略对寄生电容的电压值的影响，可将开关管的开关状态分别用开关函数表示。具体为：S_ai＝1表示第i个H桥模块左桥臂上管导通，下管关断；S_ai＝0表示第i个H桥模块左桥臂上管关断，下管导通；S_bi＝1表示第i个H桥模块右桥臂上管导通，下管关断；S_bi＝0表示第i个H桥模块右桥臂上管关断，下管导通，其中i＝1,2；因此，用开关函数表示寄生电容的电压如下：

v_a1＝s_a1v_pv1

v_b1＝s_b1v_pv1

v_a2＝s_a2v_pv2

v_2b＝s_b2v_pv2

$v_{cpv1}=\frac{s_{a1}+s_{b1}}{2}{v}_{pv1}-\frac{s_{a2}-s_{b2}}{2}{v}_{pv2}$

$v_{cpv2}=\frac{s_{a1}-s_{b1}}{2}{v}_{pv1}+\frac{s_{a2}+s_{b2}}{2}{v}_{pv2}$

其中，v_pv1，v_pv2分别为第一个H桥模块的直流输入电压，第二个H桥模块的直流输入电压。

步骤(f)，根据两个H桥模块四个桥臂的16个开关状态以及寄生电容的电压公式，得出两个H桥模块输入的直流电压相同且为E的情况下两个H桥模块的输出电平，开关组合，以及寄生电容的电压关系表。如表1所示。

表1

步骤(g)，系统的漏电流为：

$i_{leak}=i_{cpv1}+i_{cpv2}=C_{pv}\frac{d(v_{cpv1}+v_{cpv2})}{dt}$

为了抑制系统的漏电流，则需保证寄生电容的电压值为恒定，即选择表1中寄生电容的电压值相同的开关状态。按照相邻输出电压值间开关管状态切换次数最小原则选择数个开关状态以形成所述开关组合。本发明选取开关组合1010→1000→1100→0011→0001→0101，6个开关状态，其中输出电平0选取两个开关状态1100→0011。

步骤(h)，根据级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值形成一维空间矢量控制区域，如图5所示，具体为：

分别用数字0、1、2代表所述H桥模块输出的直流电压值-E、0、E，则用数字00、10、11、21、22分别代表所述级联H桥光伏逆变器输出的电压值-2E、-E、0、E、2E，由所述级联H桥光伏逆变器输出的电压值-2E、-E、0、E、2E与数字00、10、11、21、22的对应关系形成所述一维空间矢量控制区域。

步骤(I)，确定所述预输出电压值在所述级联H桥光伏逆变器输出的全部电压值中最接近的两个电压值。确定所述两个开关状态的占空比。流程如图6所示。具体为：

假设每个H桥的直流输入电压为E，分别用upper1-lower1和upper2-lower2分别表示为上下H桥相邻的输出电压状态变量，因为每个H桥的输出电压均有三个输出状态，即：-E、0和E，因此本发明分别用0、1和2代替-E、0和E作为upper1、upper2、lower1和lower2的值。根据所述最接近的两个电压值确定对应的两个开关状态。

其中，确定两个开关状态占空比的计算方法为：

a＝Vref/E，Vref为预输出电压值。a₁＝floor(a)，式中的floor(x)为向下取整函数，a₁为负无穷大方向最靠近a的整数。

利用下面两个公式分别计算出每个H桥的开关时间t₁和t₂，即t₁、t₂为两种开关状态的占空比。

t₁＝a-a₁

t₂＝1-t₁

步骤(J)，根据占空比以及最接近的两个电压值对应的两个开关状态控制H桥模块的开关管在对应的开关状态下导通与关断。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。