Shepwm调制的多台t型三电平逆变器的零序环流抑制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种SHEPWM调制的多台T型三电平逆变器的零序环流抑制系统，和传统的SHEPWM调制的多台T型三电平逆变器并联系统运行方法相比，该方法在同样开关角数量的情况下可以在系统输出交流侧消除更多的谐波；在要求交流侧消除同样数量谐波的情况下比传统的系统开关次数更低，开关损耗更小。本方法对逆变器之间的零序环流进行有效抑制，提高系统整体运行的效率和稳定性。本系统无需增加额外器件和控制算法，只需要更改系统中预存的SHEPWM开关角度，简单易行。
【专利说明】
SHEPWM调制的多台Τ型Ξ电平逆变器的零序环流抑制系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种甜EPWM调制的多台Τ型Ξ电平逆变器的零序环流抑制系统。
【背景技术】
[0002] 随着国家对新能源的重视程度不断增加，光伏产业近几年发展非常迅速，在低压 可再生能源发电系统中，多电平逆变器得到了越来越广泛的研究和使用。其输出交流电压 有较低的dv/dt，较低的谐波崎变率，相比传统两电平逆变器有较低的器件开关应力，并可 进一步降低开关器件的电压等级。Ξ电平逆变器的拓扑结构如中点错位型(NPC)、飞跨电容 型和级联Η桥型等，其中NPC型使用最为广泛，并W此为基础出现了诸多改进拓扑，特别是近 来提出的Τ型拓扑。
[0003] 单台Τ型Ξ电平逆变器的功率受到器件额定功率等因素的限制，使得面对大功率 应用场合时，单台Τ型Ξ电平逆变器会不能满足要求。对于大功率应用如电机驱动、微电网、 分布式发电系统等，逆变器并联是简单有效的方法。逆变器并联通常采用相互隔离的直流 母线，或利用变压器产生隔离的交流母线，W切断零序环流的流通路径，达到并联运行目 的。但运种硬件隔离的方法会增加系统成本和体积。共交直流母线的并联方法能极大程度 减小系统开销，但相应的也会产生零序环流通路，零序环流如果不加 W抑制，会产生极大的 输出电流崎变，并带来无功和谐波损耗，严重影响系统运行的稳定性，甚至会给逆变器带来 损坏。
[0004] 目前已有多种逆变器并联运行的方法。视逆变器控制与调制的方法不同，相应的 环流抑制的方法也不相同。逆变器的调制有多种方法如正弦脉宽调制（SPWM)，空间矢量调 制(SVPWM)，特定谐波消除法(S肥PWM)等。其中甜EPWM相对于SPWM和SVPWM具有开关频率小， 开关损耗低，控制简单，软件开销小的优点;在特定谐波抑制方面，S皿PWM有显著的优点。运 些特点使甜EPWM特别适合大功率应用。传统的甜EPWM调制的并联逆变器零序环流抑制的方 法有控制零矢量和小矢量的方法，但运种方法提高了逆变器的开关频率。在尽可能保持 S肥PWM优点的情况下，最大可能的抑制零序环流，对甜EPWM调制的Τ型Ξ电平逆变器并联系 统意义重大。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型为了解决上述问题，提出了一种甜EPmi调制的多台T型Ξ电平逆变器 的零序环流抑制系统，本实用新型能够很好的提高系统性能，有效抑制并联系统环流。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0007] -种S皿P丽调制的多台T型Ξ电平逆变器的零序环流抑制系统，包括脉冲信号发 生器、控制器、开关角控制器和T型Ξ电平逆变器并联系统，其中，T型Ξ电平逆变器并联系 统，包括多个并联的T型Ξ电平逆变器，所有T型Ξ电平逆变器共用交直流母线，且所有T型 Ξ电平逆变器直流侧分裂电容的中点相连，所有T型Ξ电平逆变器的交流侧经过滤波器滤 波后并联连接；
[0008] 所述脉冲信号发生器产生脉冲信号，发送给每个Τ型Ξ电平逆变器，所述控制器通 过細EPWM调制方式控制Τ型Ξ电平逆变器并联系统的开关器件的开断，所述开关角控制器 控制每个Τ型Ξ电平逆变器的开关角，切断零序环流各个频率分量通路。
[0009] 所述Τ型Ξ电平逆变器，包括并联的Ξ相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管， 各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的IGBT管，另一侧经滤波器与负载或电网连接;在 并联的各桥臂输入端接入输入电压源;每台逆变器输入直流侧并联有两组电容，两组电容 连接处连接各相桥臂的两个方向不同IGBT管的一端，各个IGBT管均由控制信号驱动。
[0010]优选的，所述控制器为解禪控制器，驱动了型立电平逆变器的每个IGBT管。
[0011] 优选的，所述Τ型Ξ电平逆变器并联系统采用不同的开关角。
[0012] 所述滤波器为电感。
[001引一种細ΕΡ歷调制的多台了型立电平逆变器的零序环流抑审巧法，具体包括：多台Τ 型Ξ电平逆变器采用不同的开关模式，即多台Τ型Ξ电平逆变器的S皿PWM计算出的开关角 不完全相同，根据要求的开关角的个数Ν及Τ型Ξ电平逆变器的台数Ρ，联立ρΧΝ个方程求解 出开关角，使得每台Τ型Ξ电平逆变器每四分之一周期中仍然有Ν个开关角，控制基波幅值 W及Ν-1个谐波幅值，每台Τ型Ξ电平逆变器都根据给定基波调制比Μ产生相同的基波分量 后，保证各台Τ型Ξ电平逆变器具有(Ν-1)个自由度，消除(Ν-1)个谐波。
[0014] 具体的，计算每台Τ型Ξ电平逆变器的細ΕΡ歷开关角时，要考虑消除（3+6η)次谐 波，η = 0，1，2···，要消除零序环流中m个分量，就增力化Xm个方程和pXm个未知数，相应的每 台T型Ξ电平逆变器增力化个开关角，系统整体增加2m个开关角。
[0015] 优选的，每台T型Ξ电平逆变器m个开关角都用来切断零序环流各个频率分量通 路，保证环流抑制效果。
[0016] 优选的，则P-1台逆变器增加的m个开关角用来切断零序环流各个频率分量通路， 剩余一台逆变器增加的m个开关角用来消除交流母线上更多的谐波，保证交流母线电能质 量。
[0017] 本实用新型的有益效果为：
[0018] (1)在同样开关频率下，和传统方案相比，本实用新型可W在交流侧公共连接点出 消除更多低次谐波;在交流侧要求同样谐波消除效果的情况下，本实用新型比传统方案开 关次数更低，开关损耗更小；
[0019] (2)本实用新型可W对逆变器之间零序环流进行有效抑制，增强Ξ电平逆变器并 联运行的稳定性，提高系统整体运行的效率；
[0020] (3)本实用新型无需增加额外器件和控制算法，只需要更改系统中预存的S皿PWM 开关角度，简单易行。
【附图说明】
[0021 ]图1为多台T型Ξ电平逆变器并联系统拓扑图；
[0022] 图2为两台T型Ξ电平逆变器并联系统拓扑图；
[0023] 图3为Ξ电平逆变器拓扑图；
[0024] 图4为T型Ξ电平逆变器甜EPWM的典型波形；
[0025] 图5(a)为方法一下第一台逆变器的输出线电压的仿真结果；
[0026] 图5(b)为方法一下第一台逆变器的输出线电压仿真结果的FFT分析；
[0027] 图6(a)为方法一下第二台逆变器的输出线电压的仿真结果；
[0028] 图6(b)为方法一下第二台逆变器的输出线电压仿真结果的FFT分析；
[0029] 图7(a)为方法一下并联逆变器输出公共连接点处线电压的仿真结果；
[0030] 图7(b)为方法一下并联逆变器输出公共连接点处线电压仿真结果的FFT分析；
[0031] 图8(a)为方法一下并联逆变器交流母线A相电流波形的仿真结果；
[0032] 图8(b)为方法一下并联逆变器交流母线A相电流波形仿真结果的FFT分析；
[0033] 图9(a)为方法一下并联逆变器没有抑制环流的仿真结果；
[0034] 图9(b)为方法一下并联逆变器采用本实用新型的环流抑制方法后的仿真结果；
[0035] 图10(a)为方法二下第一台逆变器的输出线电压的仿真结果；
[0036] 图10(b)为方法二下第一台逆变器的输出线电压仿真结果的FFT分析；
[0037] 图11(a)为方法二下第二台逆变器的输出线电压的仿真结果；
[0038] 图11(b)为方法二下第二台逆变器的输出线电压仿真结果的FFT分析；
[0039] 图12(a)为方法二下并联逆变器输出公共连接点处线电压的仿真结果；
[0040] 图12(b)为方法二下并联逆变器输出公共连接点处线电压仿真结果的FFT分析；
[0041] 图13(a)为方法二下并联逆变器交流母线A相电流波形的仿真结果；
[0042] 图13(b)为方法二下并联逆变器交流母线A相电流波形仿真结果的FFT分析；
[0043] 图14(a)为方法二下并联逆变器没有抑制环流的仿真结果；
[0044] 图14(b)为方法二下并联逆变器采用本实用新型的环流抑制方法后的仿真结果。
【具体实施方式】：
[0045] 下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0046] 多台Ξ电平逆变器并联系统拓扑图如图1所示，在本实用新型中为了验证方法的 可行性采用两台Ξ电平逆变器并联系统拓扑图如图2所示，逆变器通过输出滤波电感共享 交直流母线，P、N为并联系统的正负直流母线;A、B、C为并联系统的Ξ相并网点;曰^\^、叫为 第j台逆变器输出的交流端，滤波器采用L滤波器，滤波电感为k(j = l，2,3,……P)，交流侧 并网滤波电容为为第j台逆变器的m相输出电流，m=a、b、c，j = l，2,3,......p;iA、iB、ic 为系统并网电流。izj为第j台逆变器中的零序环流。
[0047] W如图3所示单台逆变器结构阐述逆变器控制策略。单台T型Ξ电平逆变器相电压 Vxz的S皿PWM波形如图4所示。波形四分之一周期对称，可消除电压波形中的偶次谐波分量。 若指定四分之一周期内N个开关角，则基波与η次谐波的的幅值可利用傅里叶级数展开得 到。对于图4所示S肥PWM波形，设波形具有单位幅值，该波形中基波与η次谐波幅值分别如式 (1)、（ 2)。其中Μ为基波幅值调制比。
[0050]由于Ξ相电压中Ξ次谐波相位相同，故3次谐波与3的倍次谐波不考虑。所W四分 之一周期中N个开关角可w控制基波幅值w及N-1个谐波幅值。定义为该細EPmi具有(N-1) 个自由度。多台逆变器都按照式（1)(2)计算出来的开关角进行开关，进而并联，即是传统的 S肥PWM调制的Ξ电平T型并联逆变器运行方法。在公共交流母线上可消除N-1个谐波。
[0051]本方案中，多台逆变器工作在不同的开关模式下，在开关角个数相同的情况下，尽 可能多的消除公共交流母线上的特定谐波。运些特定谐波在公共交流母线上不存在，但可 能会在单台逆变器的输出中存在。每台逆变器每四分之一周期中仍然有N个开关角，控制基 波幅值W及N-1个谐波幅值。每台逆变器都根据给定基波调制比Μ产生相同的基波分量后， 各台逆变器还有(Ν-1)个自由度，可消除(Ν-1)个谐波。运样Ρ台并联系统在公共交流母线上 可消除pX(N-l)个谐波，即有pX(N-l)个自由度。为了能消除pX(N-l)个谐波并控制基波 分量，需要联立pXN个方程解出pXN个角，pXN个解中每台逆变器有N个开关角。系统整体 开关频率不变，但可消除的谐波量增加数倍。Wp = 2，N = 3为例，求解两台逆变器开关角的 方程如式(3)。
[0化2]
[0053] 其中αιι，α?2，α?3为逆变器1四分之一周期内的开关角，日21，日22，日23为逆变器2四分之 一周期内的开关角，如图2和图4所示。对于特定的调制比Μ，5、7、11和13次谐波可在输出公 共交流母线上消除。
[0054] 如图4所示的S皿nm可W控制基波分量并消除正序和负序谐波分量，但零序分量 会存在于单台逆变器的相电压中。零序分量主要是输出电压频率的（3+6n)次谐波，n = 0，l， 2···。当逆变器共交直流母线直接并联运行时，逆变器之间会存在零序环流通路。第j台逆变 器的零序环流定义为式(4)，其中j = l，2,3,……P。
[0055] i〇j = iaj+ibj+icj (4)
[0056] 本实用新型提出了适用于S肥PWM调制的多台并联T型Ξ电平逆变器零序环流抑制 方法，即切断逆变器之间零序环流的各个频率分量的流通路径。通过切断多台逆变器之间 分量较大的低频环流流通路径，达到抑制环流的目的。本实用新型采用两种方法实现抑制 环流：
[0057] 方法一:p台逆变器中，每台逆变器的输出相电压中都要消除3次和9次谐波，运两 个分量在零序环流中占有比例较大。W上述P = 2，N = 3为例，在逆变器输出电压中，运两个 谐波完全得到消除，故3次和9次谐波也不会在逆变器之间流动，从而达到抑制环流的目的。 每台逆变器都要完全消除运两个谐波，故每台逆变器都需要增加两个开关角，即N=5,同时 保持并联系统自由度为4,即其可消除5、7、11、13次谐波。为求解开关角，可列方程(5)(6)。 求解该方程即可得到两台逆变器的开关角。
[0化引
[0060]零序环流成分主要是输出电压频率的（3+6n)次谐波，消除的谐波次数越高，零序 环流抑制效果越好。如果要消除m个(3+6n)次谐波分量，每台逆变器每四分之一周期就需要 增加 m个开关角，系统需要整体增加 pXm个开关角，求解开关角的方程组中需要增加 pXm个 未知数和pXm个方程。m越大，零序环流抑制效果就越好。
[0061 ] 在MATLAB/simulink 2012B中，W图2所示的两台Ξ电平逆变器并联系统拓扑结构 对本实用新型提出的控制策略进行仿真研究。仿真中，直流侧电压为200V，输出频率为 50Hz，电容CA、CB、Cc为14μF。输出滤波电感レ、L2为5恤。在M=l，N=5时，第一台逆变器的输出 线电压和FFT分析如图5(a)、（b)所示;第二台逆变器的输出线电压和FFT分析如图6(a)、（b) 所示;公共连接点处线电压Vab及其FFT分析如图7(a)、（b)。并联系统输出A相电流及其FFT分 析见图8(a)、（b)。可见，Ξ电平T型并联系统的输出电压和相电流中均不含较低的5、7、11和 13次谐波，取得了比较满意的特定谐波消除效果。
[0062] 图9(a)为并联逆变器没有抑制环流的仿真结果，图9(b)为并联逆变器采用本实用 新型的环流抑制方法后的仿真结果。可见，没有抑制环流时零序环流幅值约14A，将会严重 影响系统运行的稳定性;环流抑制后零序环流幅值约为1.4A，幅值缩小为抑制前的1/10。说 明本实用新型的环流抑制方法能够有效抑制S肥PWM调制的多台T型Ξ电平逆变器并联系统 的零序环流。
[0063] 对于P台逆变器，根据方法一，系统根据公式(7)和(8)即可算出开关角度。
[0064]
[00 化]
[0066]方法二:在P台逆变器中，其中前P-1台逆变器的输出相电压中都要消除3次和9次 谐波，运两个分量在零序环流中占有比例较大，由于P-1台逆变器的输出相电压中都要消除 3次和9次谐波，所W第P台逆变器就消除了 3次和9次谐波回路，第P台逆变器也不会含有3次 和9次谐波，达到抑制环流的目的。前P-1台逆变器都要完全消除运两个谐波，故每台逆变器 都需要增加两个开关角，而第P台逆变器不用消除3次和9次谐波，所W系统多了两个自由 度，就可W多消除两个谐波。W上述P = 2，N=3为例，在逆变器输出电压中，由于在一台逆变 器中运两个谐波完全得到消除，从而对于另外一台逆变器来说消除了3次和9次谐波回路， 故3次和9次谐波也不会在逆变器之间流动，从而达到抑制环流的目的。第一台逆变器都要 完全消除运两个谐波，故第一台逆变器都需要增加两个开关角，为了使两台逆变器开关频 率相同，使N=5,即并联系统增加了两个自由度，增加为6,即其可消除5、7、11、13、17、19次 谐波。为求解开关角，可列方程(9)(10)。求解该方程即可得到两台逆变器的开关角。
[0067]
[0069] 零序环流成分主要是输出电压频率的（3+6n)次谐波，消除的谐波次数越高，零序 环流抑制效果越好。如果要消除m个(3+6n)次谐波分量，每台逆变器每四分之一周期就需要 增力化个开关角，其中P-1台逆变器利用增加的m个开关角切断零序环流的m个低频分量，剩 余1台逆变器利用增加的m个开关角进一步消除m个谐波。系统需要整体增加 pXm个开关角， 求解开关角的方程组中需要增加 pXm个未知数和pXm个方程。m越大，零序环流抑制效果就 越好，同时公共交流母线上谐波消除效果越好。相比方法一，在开关角数量相同的情况下， 方法二可W在公共交流母线上消除更多谐波。
[0070] 在MATLAB/simulink 2012B中，W图2所示的两台Ξ电平逆变器并联系统拓扑结构 对本实用新型提出的控制策略进行仿真研究。仿真中，直流侧电压为200V，输出频率为 50Hz，电容CA、CB、Cc为14μF。输出滤波电感レ、L2为5恤。在M=l，N=5时，第一台逆变器的输出 线电压和FFT分析如图10(a)、（b)所示;第二台逆变器的输出线电压和FFT分析如图11(a)、 (b)所示;公共连接点处线电压Vab及其FFT分析如图12(a)、（b)。并联系统输出A相电流及其 FFT分析见图13(a)、（b)。可见，Ξ电平T型并联系统的输出电压和相电流中均不含较低的5、 7、11、13、17和19次谐波，取得了比较满意的特定谐波消除效果。
[0071] 图14(a)为并联逆变器没有抑制环流的仿真结果，图14(b)为并联逆变器采用本实 用新型的环流抑制方法后的仿真结果。可见，没有抑制环流时零序环流幅值约14A，将会严 重影响系统运行的稳定性;环流抑制后零序环流幅值约为2.1A，幅值缩小为抑制前的将近 1/7。说明本实用新型的环流抑制方法能够有效抑制S肥pmi调制的多台T型Ξ电平逆变器并 联系统的零序环流。
[0072] 对于P台逆变器，根据方法二，系统根据公式(11)和(12)即可算出开关角度。
[0073]
(11)
[0074]
(12)
[0075] 通过W上仿真结果可知，相比于方法二，方法一能实现逆变器之间环流更小，但消 除的谐波比方法二少两个，所W采用方法一时系统输出电流不如方法二。方法二改善输出 波形的代价是零序环流会略有增加，运是因为开关角并不能够精确的将3次、9次等低次谐 波完全消除。零序环流增加的量相对于系统输出来说非常小，几乎可W忽略，对系统稳定性 没有影响。但与此同时，交流母线上消除了更多的谐波，提高了输出波形质量。因此方法二 比方法一实用意义更大。方法一和方法二都对环流进行了有效的抑制，效果明显，且消除的 谐波个数比普通的S肥PWM更多，系统输出波形效果更好。本实用新型采用S皿PWM的多台T型 Ξ电平逆变器并联系统能保持S肥PWM消除特定谐波的能力，在每四分之一周期开关角相同 的情况下，并联系统可W消除更多的谐波。本实用新型中多台逆变器之间的环流也得到有 效抑制。
[0076] 本方法易于实现，不需要对逆变器的硬件和软件进行大量改动，只需要改变预存 的S皿PWM开关角数组表，或在实际产品中设计多种查表备选方案，通过人为的模式切换，W 适应单台或多台运行的环境，具有简单易行和便于模块化扩展的优点。
[0077] 上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新 型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领 域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范 围W内。
【主权项】
1. 一种SHEPWM调制的多台T型三电平逆变器的零序环流抑制系统，其特征是:包括脉冲 信号发生器、控制器、开关角控制器和Τ型三电平逆变器并联系统，其中，Τ型三电平逆变器 并联系统，包括多个并联的Τ型三电平逆变器，所有Τ型三电平逆变器共用交直流母线，且所 有Τ型三电平逆变器直流侧分裂电容的中点相连，所有Τ型三电平逆变器的交流侧经过滤波 器滤波后并联连接； 所述脉冲信号发生器产生脉冲信号，发送给每个Τ型三电平逆变器，所述控制器通过 SHEPWM调制方式控制Τ型三电平逆变器并联系统的开关器件的开断，所述开关角控制器控 制每个T型三电平逆变器的开关角，切断零序环流各个频率分量通路。2. 如权利要求1所述的一种SHEPWM调制的多台T型三电平逆变器的零序环流抑制系统， 其特征是:所述T型三电平逆变器，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管， 各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的IGBT管，另一侧经滤波器与负载或电网连接;在 并联的各桥臂输入端接入输入电压源;每台逆变器输入直流侧并联有两组电容，两组电容 连接处连接各相桥臂的两个方向不同IGBT管的一端，各个IGBT管均由控制信号驱动。3. 如权利要求2所述的一种SHEPWM调制的多台T型三电平逆变器的零序环流抑制系统， 其特征是:所述控制器为解耦控制器，驱动T型三电平逆变器的每个IGBT管。4. 如权利要求1所述的一种SHEPWM调制的多台T型三电平逆变器的零序环流抑制系统， 其特征是:所述T型三电平逆变器并联系统采用不同的开关角。5. 如权利要求1所述的一种SHEPWM调制的多台T型三电平逆变器的零序环流抑制系统， 其特征是:所述滤波器为电感。
【文档编号】H02M7/487GK205430084SQ201620270851
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】张承慧, 张桐盛, 陈阿莲, 杜春水, 潘羿威, 邢相洋
【申请人】山东大学