单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制方法和抑制装置与流程
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制方法和抑制装置。
背景技术：
单相非隔离级联H桥逆变器由多个H桥模块级联而成，其拓扑结构如图1所示：各H桥模块的直流侧接独立的光伏电池板，各H桥模块的交流侧相串联后经滤波电感接入电网。单相非隔离级联H桥逆变器通过对各光伏电池板进行独立的MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制来获取最大的光伏能源利用率。
在单相非隔离级联H桥逆变器中，电网与光伏电池板之间存在直接的电气连接，导致光伏电池板的寄生电容(即图1中的电容CP1～CPn)在共模电压和差模电压作用下会产生一定漏电，这不仅带来了传导和辐射干扰、增加了进网电流谐波含量和系统损耗，还有可能危及到相关设备和人员安全。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制方法和抑制装置，以有效地抑制漏电流。
一种单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制方法，所述单相非隔离级联H桥逆变器由1～2k号H桥模块级联而成，i号与2k-i+1号H桥模块合称一个模组，i＝1,2,…,k；所述方法包括：
获取各H桥模块的直流侧电压；
根据获取到的直流侧电压，计算得到各模组内两个H桥模块的直流侧电压误差之和；
遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率、使同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等且使总寄生电容电压保持恒定的原则，计算各H桥模块的调制信号；
将计算得到的调制信号发送给对应的H桥模块。
其中，所述遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率、使同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等且使总寄生电容电压保持恒定的原则，计算各H桥模块的调制信号，包括：
按照各模组内两个H桥模块的直流侧电压误差之和从大到小的顺序，将除所述k号模组之外的其他模组分别定义为1～k-1号模组，其中，所述k号模组是指包括k号和k+1号H桥模块的模组；
计算得到各模组内两个H桥模块的直流侧电压之和；
用Udi表示i号模组内两个H桥模块的直流侧电压之和；用Vref表示单相非隔离级联H桥逆变器的总调制波的瞬时电压；用Uei表示i号模组两个H桥模块的直流侧电压误差之和；分别用Vc1和Vc2表示两个层叠三角载波，且1≥Vc2≥0.5≥Vc1≥0；当时，定义所述总调制波位于调制区间m+，当时，定义所述总调制波位于调制区间m-，m＝1,2,…,k；
当所述总调制波处于正半周期时，按照如下规则计算1～2k号H桥模块的调制信号：
当且m＝1时，控制1～k号模组输出0电平；
当且1<m时：若Uek>Ue(m-1)，控制m-1号模组输出0电平、k号模组输出+2电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出+2电平；否则(即Ue(m-1)>Uek>Uem，或Ue(m-1)>Uem>Uek)，控制m-1号模组输出+2电平，k号模组输出0电平，m～k-1号模组输出0电平，剩余模组输出+2电平；
当且m＝1时，控制1～k-1号模组输出0电平、k号模组输出+1电平；
当且1<m时，控制m～k-1号模组输出0电平、k号模组输出+1电平、剩余模组输出+2电平；
当且m＝k时，控制1～k号模组输出+2电平；
当且m<k时：若Uek>Uem，控制m号模组输出0电平、k号模组输出+2电平、1～m-1号模组输出+2电平、剩余模组输出0电平；否则，控制m号模组输出+2电平，k号模组输出0电平、1～m-1号模组输出+2电平、剩余模组输出0电平；
当所述总调制波处于负半周期时，按照如下规则计算1～2k号H桥模块的调制信号：
当且m＝1时，控制1～k号模组输出0电平；
当且m>1时：如果Uek>Ue(m-1),控制m-1号模组输出0电平、k号模组输出-2电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；否则，m-1号模组输出-2电平、k号模组输出0电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；
当且m＝1时，控制m～k-1号模组输出0电平、模组Vk输出-1电平；
当且m>1时，控制m～k-1号模组输出0电平、模组Vk输出-1电平、剩余模组输出-2电平；
当且m＝k时，控制1～k号模组输出-2电平；
当且m<k时：如果Uek>Uem,控制m号模组输出0电平、k号模组输出-2电平、m+1～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；否则，控制m号模组输出-2电平、k号模组输出0电平、m+1～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平。
其中，所述两个层叠三角载波为两个同相位的层叠三角载波。
其中，所述两个层叠三角载波为两个反相位的层叠三角载波。
一种单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制装置，所述单相非隔离级联H桥逆变器由1～2k号H桥模块级联而成，i号H桥模块与2k-i+1号H桥模块合称一个模组，i＝1,2,…,k；所述装置包括：
获取单元，用于获取各H桥模块的直流侧电压；
第一计算单元，用于根据获取到的直流侧电压，计算得到各模组内两个H桥模块的直流侧电压误差之和；
第二计算单元，用于遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率、使同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等且使总寄生电容电压保持恒定的原则，计算各H桥模块的调制信号；
输出单元，用于将计算得到的调制信号发送给对应的H桥模块。
其中，所述第二计算单元具体用于：
按照各模组内两个H桥模块的直流侧电压误差之和从大到小的顺序，将除所述k号模组之外的其他模组分别定义为1～k-1号模组，其中，所述k号模组是指包括k号和k+1号H桥模块的模组；
计算得到各模组内两个H桥模块的直流侧电压之和；
用Udi表示i号模组内两个H桥模块的直流侧电压之和；用Vref表示单相非隔离级联H桥逆变器的总调制波的瞬时电压；用Uei表示i号模组两个H桥模块的直流侧电压误差之和；分别用Vc1和Vc2表示两个层叠三角载波，且1≥Vc2≥0.5≥Vc1≥0；当时，定义所述总调制波位于调制区间m+，并当时，定义所述总调制波位于调制区间m-，m＝1,2,…,k；
当所述总调制波处于正半周期时，按照如下规则计算1～2k号H桥模块的调制信号：
当且m＝1时，控制1～k号模组输出0电平；
当且1<m时：若Uek>Ue(m-1)，控制m-1号模组输出0电平、k号模组输出+2电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出+2电平；否则(即Ue(m-1)>Uek>Uem，或Ue(m-1)>Uem>Uek)，控制m-1号模组输出+2电平，k号模组输出0电平，m～k-1号模组输出0电平，剩余模组输出+2电平；
当且m＝1时，控制1～k-1号模组输出0电平、k号模组输出+1电平；
当且1<m时，控制m～k-1号模组输出0电平、k号模组输出+1电平、剩余模组输出+2电平；
当且m＝k时，控制1～k号模组输出+2电平；
当且m<k时：若Uek>Uem，控制m号模组输出0电平、k号模组输出+2电平、1～m-1号模组输出+2电平、剩余模组输出0电平；否则，控制m号模组输出+2电平，k号模组输出0电平、1～m-1号模组输出+2电平、剩余模组输出0电平；
当所述总调制波处于负半周期时，按照如下规则计算1～2k号H桥模块的调制信号：
当且m＝1时，控制1～k号模组输出0电平；
当且m>1时：如果Uek>Ue(m-1),控制m-1号模组输出0电平、k号模组输出-2电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；否则，m-1号模组输出-2电平、k号模组输出0电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；
当且m＝1时，控制m～k-1号模组输出0电平、模组Vk输出-1电平；
当且m>1时，控制m～k-1号模组输出0电平、模组Vk输出-1电平、剩余模组输出-2电平；
当且m＝k时，控制1～k号模组输出-2电平；
当且m<k时：如果Uek>Uem,控制m号模组输出0电平、k号模组输出-2电平、m+1～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；否则，控制m号模组输出-2电平、k号模组输出0电平、m+1～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平。
其中，所述两个层叠三角载波为两个同相位的层叠三角载波。
其中，所述两个层叠三角载波为两个反相位的层叠三角载波。
从上述的技术方案可以看出，本发明通过令总寄生电容电压保持恒定来消除共模电压和差模电压对漏电流的影响，从而有效抑制了漏电流。此外，本发明还遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率、且使同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等的原则，来计算各H桥模块的调制信号，以避免各H桥模块的输出功率存在较大的差异，从而提高了系统发电效率。
附图说明
为了更清楚地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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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他的附图。
图1为现有技术公开的一种单相非隔离级联H桥逆变器结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制方法流程图；
图3为本发明实施例公开的一种正半周期的调制区间分布示意图；
图4为本发明实施例公开的一种正半周期的调制示意图；
图5为各H桥模块的寄生电容电压与漏电流波形图；
图6为本发明实施例公开的一种单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图2，本发明实施例公开了一种单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制方法，以实现在抑制漏电流的同时，保持各H桥模块输出功率均衡，包括：
步骤S01：获取单相非隔离级联H桥逆变器中各H桥模块的直流侧电压。
步骤S02：根据获取到的直流侧电压，计算得到单相非隔离级联H桥逆变器中各模组内两个H桥模块的直流侧电压误差之和。
下面阐述何为单相非隔离级联H桥逆变器的模组：本实施例适用的单相非隔离级联H桥逆变器由1～2k号H桥模块级联而成，如图1所示，为便于描述，本实施例将i(i＝1,2,…,k)号H桥模块与2k-i+1号H桥模块合称为一个模组，总共得到k个模组。其中，由k号和k+1号H桥模块合成的模组称为k号模组。
H桥模块的直流侧电压误差，是指本H桥模块直流侧电压的实际值与指令值之差。定义i号H桥模块直流侧电压的实际值与指令值分别为Vdci和Vdri，2k-i+1号H桥模块直流侧电压的实际值与指令值分别为Vdc(2k-i+1)和Vdr(2k-i+1)，则计算同一模块内i号H桥模块与2k-i+1号H桥模块的直流侧电压误差之和，就是计算Vdci-Vdri+Vdc(2k-i+1)-Vdr(2k-i+1)。
步骤S03：遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率、使同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等且使总寄生电容电压保持恒定的原则，计算各H桥模块的调制信号。
其中，使总寄生电容电压保持恒定，是为了抑制漏电流，推导过程如下：
已知单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流ilg为：
式中：CPV1为i号H桥模块的寄生电容容值；vNiO为i号H桥模块的寄生电容电压；vNtO为所有H桥模块的寄生电容电压之和；假设所有H桥模块寄生电容电压相同，即CPV＝CPV1＝CPV2＝…＝CPVn，n＝2k。
已知各H桥模块的寄生电容电压为：
式中：vCMi和vDMi分别为i号H桥模块的共模电压和差模电压。
根据式2，可得到总寄生电容电压表达式为
式中：vCM为1～2k号H桥模块的总共模电压。
由此可见，由式1可知，要抑制漏电流，就必须保持总寄生电容电压恒定。由式3可知，保持总寄生电容电压恒定的方法为：对于除k号模组之外的模组，由于vDMi与vDM(n-i+1)的系数相反，可使同一模组内两个H桥模块的差模电压保持相等，同时保持同一模组内两个H桥模块共模电压之和恒定即可消除该模组对漏电流的影响；对于k号模组，通过使用特定开关组合，可使式3中-0.5vDMk+0.5vDM(k+1)-vDMk-vDM(k+1)保持恒定，从而保持了总寄生电容电压恒定，消除了漏电流。
此处需要说明的是，由于单相非隔离级联H桥逆变器的输出波形所含电平数为4k+1，所以在满足消除漏电流的要求的前提下，为使单相非隔离级联H桥逆变器能够正常工作，可以直接、毫无疑义确定的是：在计算各H桥模块的调制信号时，还必须要满足1～k-1号模组内两个H桥模块为三电平输出(即输出+2、0、-2三种电平)、k号模组内两个H桥模块为五电平输出(即输出+2、+1、0、-1、-2五种电平)。
但考虑到仅依据上述要求来计算各H桥模块的调制信号的话，虽然可以保证单相非隔离级联H桥逆变器的正常工作且抑制了漏电流，但并不能保证各H桥模块输出功率均衡。而对于单相非隔离级联H桥逆变器来说，若各H桥模块输出功率不平衡，会造成系统发电效率低的问题，所以本实施例在计算各H桥模块的调制信号时，还加入了平衡各H桥模块输出功率的要求。
已知任一H桥模块的直流侧电压与输出功率之间存在对应关系：当H桥模块的直流侧电压达到最大功率点时，本H桥模块的输出功率最大。所以对于两个直流侧电压不同的H桥模块来说，哪个H桥模块的直流电压误差越大，哪个H桥模块的输出功率与本H桥模块的最大输出功率的偏差越大，那么要平衡这两个H桥模块的输出功率，就要使直流电压误差更大的H桥模块获得更大的输出功率。同样的道理，要想平衡1～2k号H桥模块的输出功率，就要使直流电压误差越大的H桥模块获得越大的输出功率。
在保证同一模组内两个H桥模块的输出功率相同的前提下，平衡各H桥模块的输出功率，也就是平衡各模组的输出功率，所以本实施例在保证同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等的情况下，只要遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率的原则来计算各H桥模块的调制信号，就可以避免各H桥模块的输出功率存在较大的差异。
步骤S04：将计算得到的调制信号发送给对应的H桥模块，从而满足了有效的抑制漏电流，且避免了各H桥模块的输出功率存在较大的差异。
由上述描述可知，本实施例通过令总寄生电容电压保持恒定来消除共模电压和差模电压对漏电流的影响，从而有效抑制了漏电流。此外，本实施例还遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率、且使同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等的原则，来计算各H桥模块的调制信号，以避免各H桥模块的输出功率存在较大的差异，从而提高了系统发电效率。
下面，给出所述步骤S03的其中一种实现方式。
步骤S031：按照各模组内两个H桥模块的直流侧电压误差之和从大到小的顺序，将除k号模组之外的其他模组分别定义为1～k-1号模组。
步骤S032：计算得到各模组内两个H桥模块的直流侧电压之和。
为下文描述方便，用Udi表示i号模组内两个H桥模块的直流侧电压之和；用Vref表示单相非隔离级联H桥逆变器的总调制波的瞬时电压；用Uei表示i号模组两个H桥模块的直流侧电压误差之和；分别用Vc1和Vc2表示两个层叠三角载波，且1≥Vc2≥0.5≥Vc1≥0。
Vref与Udi之间满足如果则定义所述总调制波位于调制区间m+，其中m＝1,2…k，如图3所示；如果则定义所述总调制波位于调制区间m-。
步骤S033：当总调制波处于正半周期时，按照如下规则计算1～2k号H桥模块的调制信号，如图4所示(图4仅示出了1<m<k时的情况)：
1)当且m＝1时，控制1～k号模组输出0电平；
2)当且1<m时：若Uek>Ue(m-1)，控制m-1号模组输出0电平、k号模组输出+2电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出+2电平；否则(即Ue(m-1)>Uek>Uem，或Ue(m-1)>Uem>Uek)，控制m-1号模组输出+2电平，k号模组输出0电平，m～k-1号模组输出0电平，剩余模组输出+2电平；
3)当且m＝1时，控制1～k-1号模组输出0电平、k号模组输出+1电平；
4)当且1<m时，控制m～k-1号模组输出0电平、k号模组输出+1电平、剩余模组输出+2电平；
5)当且m＝k时，控制1～k号模组输出+2电平；
6)当且m<k时：若Uek>Uem，控制m号模组输出0电平、k号模组输出+2电平、1～m-1号模组输出+2电平、剩余模组输出0电平；否则，控制m号模组输出+2电平，k号模组输出0电平、1～m-1号模组输出+2电平、剩余模组输出0电平。
当所述总调制波处于负半周期时，按照如下规则计算1～2k号H桥模块的调制信号：
1)当且m＝1时，控制1～k号模组输出0电平；
2)当且m>1时：如果Uek>Ue(m-1),控制m-1号模组输出0电平、k号模组输出-2电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；否则，m-1号模组输出-2电平、k号模组输出0电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；
3)当且m＝1时，控制m～k-1号模组输出0电平、模组Vk输出-1电平；
4)当且m>1时，控制m～k-1号模组输出0电平、模组Vk输出-1电平、剩余模组输出-2电平；
5)当且m＝k时，控制1～k号模组输出-2电平；
6)当且m<k时：如果Uek>Uem,控制m号模组输出0电平、k号模组输出-2电平、m+1～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；否则，控制m号模组输出-2电平、k号模组输出0电平、m+1～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平。
其中，本实施例中的两个层叠三角载波，可以为两个同相位的层叠三角载波，也可以为两个反相位的层叠三角载波。
为验证该方案的正确性与有效性，对该漏电流抑制方案进行仿真。仿真参数如下：采用具有4个H桥模块的单相非隔离级联H桥逆变器，直流侧指令电压为35V，电网电压幅值为110V，频率为50Hz，滤波电感为1mH，每个光伏电池板的寄生电容为10nF。仿真后可以得到如图5所示的各H桥模块的寄生电容电压与漏电流波形，可以看到，采用该方案后，虽然各H桥模块的寄生电容电压幅值不同，但各H桥模块的寄生电容电压的高频分量得到了抑制，而且系统稳定后漏电流有效值为0.8mA，完全满足并网安全标准。
此外，本发明实施例还公开了一种单相非隔离级联H桥逆变器的漏电流抑制装置，所述单相非隔离级联H桥逆变器由1～2k号H桥模块级联而成，i号H桥模块与2k-i+1号H桥模块合称一个模组，i＝1,2,…,k；所述装置包括：
获取单元100，用于获取各H桥模块的直流侧电压；
第一计算单元200，用于根据获取到的直流侧电压，计算得到各模组内两个H桥模块的直流侧电压误差之和；
第二计算单元300，用于遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率、使同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等且使总寄生电容电压保持恒定的原则，计算各H桥模块的调制信号；
输出单元400，用于将计算得到的调制信号发送给对应的H桥模块。
其中，第二计算单元300具体用于：
按照各模组内两个H桥模块的直流侧电压误差之和从大到小的顺序，将除k号模组之外的其他模组分别定义为1～k-1号模组；
计算得到各模组内两个H桥模块的直流侧电压之和；
用Udi表示i号模组内两个H桥模块的直流侧电压之和；用Vref表示单相非隔离级联H桥逆变器的总调制波的瞬时电压；用Uei表示i号模组两个H桥模块的直流侧电压误差之和；分别用Vc1和Vc2表示两个层叠三角载波，且1≥Vc2≥0.5≥Vc1≥0；当时，定义所述总调制波位于调制区间m+，当时，定义所述总调制波位于调制区间m-，m＝1,2,…,k；
当所述总调制波处于正半周期时，按照如下规则计算1～2k号H桥模块的调制信号：
当且m＝1时，控制1～k号模组输出0电平；
当且1<m时：若Uek>Ue(m-1)，控制m-1号模组输出0电平、k号模组输出+2电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出+2电平；否则(即Ue(m-1)>Uek>Uem，或Ue(m-1)>Uem>Uek)，控制m-1号模组输出+2电平，k号模组输出0电平，m～k-1号模组输出0电平，剩余模组输出+2电平；
当且m＝1时，控制1～k-1号模组输出0电平、k号模组输出+1电平；
当且1<m时，控制m～k-1号模组输出0电平、k号模组输出+1电平、剩余模组输出+2电平；
当且m＝k时，控制1～k号模组输出+2电平；
当且m<k时：若Uek>Uem，控制m号模组输出0电平、k号模组输出+2电平、1～m-1号模组输出+2电平、剩余模组输出0电平；否则，控制m号模组输出+2电平，k号模组输出0电平、1～m-1号模组输出+2电平、剩余模组输出0电平；
当所述总调制波处于负半周期时，按照如下规则计算1～2k号H桥模块的调制信号：
当且m＝1时，控制1～k号模组输出0电平；
当且m>1时：如果Uek>Ue(m-1),控制m-1号模组输出0电平、k号模组输出-2电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；否则，m-1号模组输出-2电平、k号模组输出0电平、m～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；
当且m＝1时，控制m～k-1号模组输出0电平、模组Vk输出-1电平；
当且m>1时，控制m～k-1号模组输出0电平、模组Vk输出-1电平、剩余模组输出-2电平；
当且m＝k时，控制1～k号模组输出-2电平；
当且m<k时：如果Uek>Uem,控制m号模组输出0电平、k号模组输出-2电平、m+1～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平；否则，控制m号模组输出-2电平、k号模组输出0电平、m+1～k-1号模组输出0电平、剩余模组输出-2电平。
其中，所述两个层叠三角载波为两个同相位的层叠三角载波。
其中，所述两个层叠三角载波为两个反相位的层叠三角载波。
综上所述，本发明通过令总寄生电容电压保持恒定来消除共模电压和差模电压对漏电流的影响，从而有效抑制了漏电流。此外，本发明还遵循使内部两个H桥模块的直流侧电压误差之和越大的模组获得越大的输出功率、且使同一模组内两个H桥模块的输出功率保持相等的原则，来计算各H桥模块的调制信号，以避免各H桥模块的输出功率存在较大的差异，从而提高了系统发电效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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