非隔离型模块化三电平并联逆变器、控制方法及系统与流程

本发明属于电力电子控制领域，涉及一种非隔离型模块化三电平并联逆变器、控制方法及系统。

背景技术：

为了解决能源危机和环境污染问题，新能源发电得到了越来越广泛的关注。新能源发电中光伏发电具有低碳环保、成本低的优势成为未来世界的只要能源之一，得到了大力发展。随着光伏发电功率等级的增加，i字型三电平逆变器模块化并联系统通过提供高质量的大电流被广泛使用。但是，逆变器模块化并联会引起环流。同时，在非隔离光伏系统中，由于寄生电容的存在，不可避免产生漏电流。环流和漏电流增加系统损耗、引起并网电流畸变、增加电磁干扰甚至给设备及操作人员的带来巨大的安全隐患。

通过分析发现环流包括高频分量和低频分量，漏电流只含有是高频分量。针对环流中的高频分量的控制方法，通常采用改变载波的方法实现。这种方法需要并联系统级间的实时通信，计算量大，且受通信速度及通信系统稳定性的限制。针对漏电流的抑制问题，通常采用改变调制和改变拓扑的方法实现。这两种方法的本质都是通过改变共模电压实现漏电流的抑制。改变调制的方法通过去除共模电压大的矢量抑制共模电压的幅值，进而实现漏电流的抑制。但是该方法会引起输出波形总谐波畸变率(thd)增加，破坏系统性能。改变拓扑的方法通过增加辅助开关器件或者辅助二极管改变共模回路的结构实现共模电压的抑制。但是辅助器件的使用会增加系统的损耗和体积，降低系统的效率。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种非隔离型三电平并联逆变器，其中的改进型lcl滤波器通过改变共模回路的结构，改变了模块化三电平并联逆变器的环流回路。

本发明的一种非隔离型三电平并联逆变器，包括主电路和lcl滤波器滤波器，其特征在于，所述主电路为i字型三电平逆变器模块化并联电路；非隔离型三电平并联逆变器共交直流母线的并联，且各模块的直流侧中点连接在一起；

所述lcl滤波器的电容中性点与直流侧中点连接在一起，形成改进型lcl滤波器；改进型lcl滤波器改变了共模回路结构，实现了高频环流和漏电流的抑制。

本发明为减小漏电流和环流的高频分量，采用改进型lcl滤波器。与传统的lcl滤波器相比，改进型lcl滤波器的滤波电容的中点与直侧电容中点通过一根导线相连。

基于传统的lcl滤波器的环流回路为一阶系统，而基于改进型lcl滤波器的环流回路是一个三阶系统。与传统的lcl滤波器相比，改进型lcl滤波器对环流的高频分量抑制能力更优。同样地，与传统lcl滤波器相比，改进型lcl滤波器对漏电流抑制能力更强。

由于改进型lcl滤波器改变了共模回路的结构，共模电压在共模回路上激起共模电流谐振。共模电流谐振增加漏电流和环流，破坏模块化并联系统输出波形质量和系统效率。

改进型lcl滤波器通过改变共模回路的结构，有效地抑制了环流的高频分量和漏电流。这种方法在几乎不增加成本和不改变控制及调制的前提下，实现漏电流和环流高频分量的有效抑制。

本发明的第二目的是提供一种非隔离型三电平并联逆变器的控制方法。

本发明的一种非隔离型三电平并联逆变器的控制方法，只控制第一台非隔离型三电平逆变器模块的直流侧中点电压，非隔离型三电平并联逆变器中其他非隔离型三电平逆变器模块的其余控制部分与第一台非隔离型三电平逆变器模块相同。

进一步的，在第一台非隔离型三电平逆变器模块控制过程中：

采用比例控制来实现直流侧中点电压的平衡控制；

采用电容电压前馈控制来实现差模回路谐振电流的抑制；

共模环路电流的给定值为0，给定值与共模环路电流做差经过pi控制，以实现共模电流的谐振抑制；

在dq坐标系下，采用pi控制来实现电流的跟踪控制，进而实现系统传输功率的控制。

进一步的，采用七段式svpwm调制，通过闭环调节正负小矢量的作用时间，实现共模谐振电流、低频环流的抑制和直流侧中点电压的控制。

在差模回路中改进型lcl滤波器与传统的lcl滤波器有相同的特性，存在固有的谐振点，引起并网电流的谐振。本发明采用电容电压前馈控制实现差模回路谐振电流的抑制。

在差模回路中，为了解决差模电流谐振问题本发明采用电容电压前馈控制。另一方面，在差模回路中，为了实现电流的跟踪控制，在dq坐标系采用pi控制器实现传输功率的控制。

本发明的第三目的是提供一种非隔离型三电平并联逆变器的控制器。

本发明的非隔离型三电平并联逆变器的控制器，所述控制器被配置为：

只控制第一台非隔离型三电平逆变器模块的直流侧中点电压，非隔离型三电平并联逆变器中其他非隔离型三电平逆变器模块的其余控制部分与第一台非隔离型三电平逆变器模块相同。

进一步的，所述控制器被配置为：

采用比例控制来实现直流侧中点电压的平衡控制；

采用电容电压前馈控制来实现差模回路谐振电流的抑制；

共模环路电流的给定值为0，给定值与共模环路电流做差经过pi控制，以实现共模电流的谐振抑制；

在dq坐标系下，采用pi控制来实现电流的跟踪控制，进而实现系统传输功率的控制。

进一步的，所述控制器被配置为：

采用七段式svpwm调制，通过闭环调节正负小矢量的作用时间，实现共模谐振电流、低频环流的抑制和直流侧中点电压的控制。

本发明的第四目的是提供一种非隔离型三电平并联逆变器的控制系统。

下面提供两种非隔离型三电平并联逆变器的控制系统技术方案：

第一种非隔离型三电平并联逆变器的控制系统，包括上述所述的控制器。

第二种非隔离型三电平并联逆变器的控制系统，包括：

第一控制器，其采用比例控制来实现直流侧中点电压的平衡控制；

第二控制器，其采用电容电压前馈控制来实现差模回路谐振电流的抑制；

第三控制器，其共模环路电流的给定值为0，给定值与共模环路电流做差经过pi控制，以实现共模电流的谐振抑制；

第四控制器，其在dq坐标系下，采用pi控制来实现电流的跟踪控制，进而实现系统传输功率的控制；

所述第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器均与pwm调制器相连。

进一步的，所述pwm调制器，被配置为：

采用七段式svpwm调制，通过闭环调节正负小矢量的作用时间，实现共模谐振电流、低频环流的抑制和直流侧中点电压的控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明为减小漏电流和环流的高频分量，采用改进型lcl滤波器；

基于传统的lcl滤波器的环流回路为一阶系统，而基于改进型lcl滤波器的环流回路是一个三阶系统。与传统的lcl滤波器相比，改进型lcl滤波器对环流的高频分量抑制能力更优；

同样地，与传统lcl滤波器相比，改进型lcl滤波器对漏电流抑制能力更强。

(2)本发明提出了采用pi控制器，实现共模电流的谐振抑制。

(3)为了解决差模电流谐振问题本发明采用电容电压前馈控制。

(4)在差模回路中，为了实现电流的跟踪控制，在dq坐标系采用pi控制器实现传输功率的控制。

(5)本发明还能实现了低频环流抑制、直流侧中点电压的平衡控制和差模回路的电流跟踪与谐振抑制；

本发明提出的控制算法不需要无源阻尼的前提下实现了谐振的抑制，能够节约成本，提高了系统转换效率和安全稳定性，具有很高的实用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为基于改进型lcl滤波器的单台i字型三电平非隔离型光伏逆变器拓扑；

图2为基于改进型lcl滤波器的非隔离型模块化三电平i字型并联逆变器主电路图；

图3为三电平i字型并联逆变器直流侧中点电压控制框图；

图4为三电平逆变器差模回路控制框图；

图5为三电平逆变器空间矢量图；

图6为非隔离型模块化三电平i字型并联逆变系统中第一台逆变器的控制框图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明涉及一种非隔离型模块换三电平并联逆变器系统的共模谐振电流、系统环流和系统漏电流抑制方法。

图1为基于改进型lcl滤波器的单台i字型三电平非隔离型光伏逆变器拓扑。本拓扑共有12个开关管和6个箝位二极管，其中每相桥臂有4个开关管和2个箝位二极管。直流侧为两个电容串联，两个电容中间形成一个中性点o，每相桥臂的两个箝位二极管的中间与中性点o相连，使交流桥臂中点产生零电位。显然，在这种电路拓扑中，每相的四个管子的导通状态不同，可以产生+udc/2、-udc/2、0三种电平。其中，udc为直流侧输入电压值。

图2为基于改进型lcl滤波器的非隔离型模块化三电平i字型并联逆变器主电路图。该系统中每个三电平模块的交流输出端都与电网连接，直流输入端接在一起，每个三电平模块的正直流母线、负直流母线和中线接在一起。

所述改进型lcl滤波电路为电容公共端通过一根导线连接到直流侧滤波电容的中性点o，在共模回路中增加一条低阻抗的电容支路，改变了共模回路的电路结构，环流的高频分量和漏电流通过低阻抗的电容支路流回逆变器，极大地降低了环流的高频分量和漏电流。

由于改进的lcl滤波器改变了共模回路的结构，共模电压在共模回路上激起共模电流谐振。本发明采用pi控制器，实现共模电流的谐振抑制。具体为采集每个逆变器模块的三相电网侧电流iajibjicj和桥臂侧电流iajibjicj。得到共模环路电流ioj为：

ioj＝(iaj+ibj+icj)-(iaj+ibj+icj)

为了抑制共模电流的谐振，共模环路电流的给定值为0。给定值与共模环路电流做差经过pi控制器，实现共模电流的谐振抑制。pi控制器的输出可以dz为：

其中，为共模环路电流的给定值；

kp1和ki1分别为抑制共模电流的谐振的pi控制器的比例系数和积分系数。

为了抑制环流的低频分量，pi控制器作为环流控制器实现低频环流的抑制。模块化三电平并联逆变器的环流定义为：

izj＝iaj+ibj+icj

控制环流低频分量的pi控制器的输出为：

其中，为控制环流低频电流的给定值；

kp2和ki2分别为控制环流低频分量的pi控制器的比例系数和积分系数。

在三电平系统中直流侧中点电压的平衡控制是必须要考虑的一个问题。由于非隔离型模块化三电平并联逆变器系统共直流母线且共中点连接，所以只需要并联系统中的一台实现直流母线的控制，这里在第一台控制系统中实现直流母线中点电压平衡的控制。直流侧上电容电压up和下电容电压un为：

其中ip和in分别为流过上电容的电流和下电容的电流，假设c1＝c2＝c，所以上下电容电压差为：

io为流过中线的电流，通过控制流过中线的电流实现中点电压的平衡控制，本发明使用比例控制器控制流过中线的电流。控制框图如图3所示。

其中比例控制器的输出为：

yz＝kp3[(up-un)^*-(up-un)]

其中，(up-un)^*为上下电容电压差的给定值；

kp3为比例控制器的比例系数。

直流侧中点电压控制系统的开环传递函数为：

td为采样延时时间，ts为开关周期，kpwm为逆变器模块的增益。由于td和ts都很小，这两个使劲常数可以合并，并且满足下列关系：

所以开环传递函数可以简化为：

由以上公式可以看出该系统为i型系统，按照典型i型系统设计控制器，使该系统具有快速的动态响应性能和稳态性能。按照典型i型系统设计，比例控制器的参数为：

为了控制系统的传输功率，电流内环在dq坐标系下采用pi控制器。另外由于采用了改进的lcl控制器，lcl在差模回路中固有的谐振也会使系统不稳定，也是必须要解决的问题。本发明，采用基于电容电压前馈的有源阻尼控制策略解决差模回路的谐振问题。本发明的控制电流为逆变器桥臂侧输出电流，以逆变器a相为例，桥臂侧输出电流ia对桥臂侧输出电压uan的传递函数为：

所以可知其谐振频率为：

为了抑制差模回路的谐振，采用电容电压前馈控制。为了实现系统传输功率的控制，电流内环采用pi控制器，所以差模回路的控制框图如图4所示。

由图4可以得到差模回路的开环传递函数为：

其中，m(s)＝1/kpwm，简化差模控制系统的开环传函为：

为了抑制高频谐波带来的不利影响，开环穿越频率fc和pi控制器的转折频率为：

其中，kp4和ki4为差模控制系统中pi控制器的比例系统和积分系数。

为了保证系统稳定性，同时满足动态性能的要求，转折频率、谐振频率和截止频率满足的关系为fl＜fc＜fr。同时，在转折频率处，差模系统的开环传函的幅值满足由此得到差模控制系统中pi控制器参数为：

由此得到差模回路的闭环传递函数为：

得到闭环系统的控制带宽为fb＝2.38khz，满足控制要求。

开关管的开通与关断由调制模块控制，调制模块的输入为三相调制波信号，输出为开关管的开通与关断信号。本发明，采用七段式svpwm调制。三相三电平逆变器有27个空间矢量，如图5所示。根据空间电压矢量的幅值不同，27个空间电压矢量分为6个大矢量、6个中矢量、6对小矢量和3个零矢量。成对的小矢量不改变输出电压，但是可以用于其他控制目标的实现。本发明中直流侧中点电压、共模谐振电流和低频环流的控制是通过改变正负小矢量的作用时间实现的。

图6为非隔离型模块化三电平i字型并联逆变系统中第一台逆变器的控制框图。该控制框图包括差模回路的控制，共模回路的控制，环流的控制，直流侧中点电压的控制。需要说明的是，只有第一台控制直流侧中点电压，并联系统中其他逆变器不需要控制直流侧中点电压，其余控制部分与第一台相同。

本发明在几乎不增加成本、不增加控制和调制难度的前提下，实现非隔离型模块化三电平并联逆变器共模谐振电流、环流与漏电流的抑制。同时本发明实现了差模回路的谐振抑制和直流侧中点电压的平衡控制。本发明改善了系统输出波形质量，提高了系统的安全性和稳定性。

本发明提供的一种非隔离型三电平并联逆变器的控制器，被配置为：

只控制第一台非隔离型三电平逆变器模块的直流侧中点电压，非隔离型三电平并联逆变器中其他非隔离型三电平逆变器模块的其余控制部分与第一台非隔离型三电平逆变器模块相同。

具体地，所述控制器被配置为：

采用比例控制来实现直流侧中点电压的平衡控制；

采用电容电压前馈控制来实现差模回路谐振电流的抑制；

共模环路电流的给定值为0，给定值与共模环路电流做差经过pi控制，以实现共模电流的谐振抑制；

在dq坐标系下，采用pi控制来实现电流的跟踪控制，进而实现系统传输功率的控制。

具体地，所述控制器被配置为：

采用七段式svpwm调制，通过闭环调节正负小矢量的作用时间，实现共模谐振电流、低频环流的抑制和直流侧中点电压的控制。

本发明提供了两种非隔离型三电平并联逆变器的控制系统技术方案：

第一种非隔离型三电平并联逆变器的控制系统，包括上述所述的控制器。

第二种非隔离型三电平并联逆变器的控制系统，包括：

第一控制器，其采用比例控制来实现直流侧中点电压的平衡控制；

第二控制器，其采用电容电压前馈控制来实现差模回路谐振电流的抑制；

第三控制器，其共模环路电流的给定值为0，给定值与共模环路电流做差经过pi控制，以实现共模电流的谐振抑制；

第四控制器，其在dq坐标系下，采用pi控制来实现电流的跟踪控制，进而实现系统传输功率的控制；

所述第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器均与pwm调制器相连。

具体地，所述pwm调制器，被配置为：

采用七段式svpwm调制，通过闭环调节正负小矢量的作用时间，实现共模谐振电流、低频环流的抑制和直流侧中点电压的控制。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。