组串式光伏逆变器SVPWM调制方法及系统与流程

组串式光伏逆变器svpwm调制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及光伏并网逆变器领域，具体地，涉及一种组串式光伏逆变器svpwm调制方法及系统，尤其是涉及一种低压大功率组串式光伏逆变器三电平svpwm调制方法。


背景技术：

2.发展以光伏为代表的绿色新能源技术是解决环境问题、保持经济社会可持续发展的一项重要举措，组串式逆变器功率介于集中式逆变器于微型逆变器之间，兼具结构灵活、效率高、成本低等特点。而对于功率较大的组串式逆变器，受限于功率等级只能选择低压380v并网，低压大功率的应用场合对组串式光伏逆变器的效率提出了更高的要求。
3.二极管钳位三电平电压型逆变器结构相对简单，具有更少的谐波含量意味着可以减小逆变器开关频率，带来更小的开关损耗，所用器件相对较少，可靠性高，成为最具实用价值的多电平拓扑结构。
4.目前对三电平组串式光伏逆变器的研究大多在于对逆变器的控制方法方面，旨在解决其固有的共模电压，以及中点电压不均衡等造成的谐波等问题，而对三电平调制方法研究较少。专利文献cn106712564a将每一大扇区仅仅划分为两个小扇区，使矢量计算更加简单，有效地抑制了共模分量，不过其仅适用于高压系统调制比较小的情况。专利文献cn103138619a通过调整矢量的分配注入零序分量，通过调节用冗余小矢量的种类，来调节中点电位零序分量幅值大小，从而达到抑制中点电位波动的目的，不过此类方法会造成损耗的进一步增加。
5.需要注意的是，对于不同类型的三电平电压源型逆变器，谐波含量thd、中点电位平衡、共模电压和损耗都是需要考量的因素，采用不同的调制方法，这些性能指标必定有所取舍而不可兼得。例如，对于低压大功率组串式逆变器，逆变器损耗问题就格外突出，本发明从如何降低开关损耗方面入手，旨在提高逆变器的效率。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种组串式光伏逆变器svpwm调制方法及系统。
7.根据本发明提供的一种组串式光伏逆变器svpwm调制方法，包括：
8.空间电压矢量扇区划分步骤：将空间电压矢量划分为六个大扇区，再将每个大扇区划分成a、b、c、d四个小扇区，对每个小扇区内的矢量拥有对应的分解方法；
9.矢量分解步骤：依据调制度将空间电压矢量分为三类，按照空间电压矢量所属类别依据对应的分解原则对相应扇区进行矢量分解，并分别计算矢量的作用时间；
10.矢量序列选取步骤：依据矢量的状态进行排序，获得每个开关周期内的控制信号，驱动桥臂进行开关动作。
11.优选地，根据矢量的调制度大小对空间电压矢量采取不同的分解方式：
[0012]-若调制度小于设定值且仅存在a扇区时采取第一种分解方式；
[0013]-若跨越a、c扇区采取第二种分解方式；
[0014]-若跨越b、c、d扇区采取第三种分解方式。
[0015]
优选地，所述矢量分解时允许采用不同的矢量组合，同时满足的条件包括：
[0016]
在每个大扇区内有一相桥臂开关不动作，其他两相桥臂最多一个开关周期内动作一次，且动作方式仅限于由0到1、由1到0、由0到-1或由-1到0。
[0017]
优选地，所述矢量序列选取依据矢量的分解结果，或通过拆分同一个矢量，使该矢量在一个开关周期内分别作用一段时间，需要满足条件：相邻的矢量最多只有一个桥臂开关状态不同，且每个开关周期内每相桥臂至多动作一次。
[0018]
优选地，所述矢量分解过程中，选取开关状态接近的矢量进行合成，且a扇区必须采用零矢量，其余状态的空间电压矢量分解都不再使用零矢量进行合成。
[0019]
优选地，所述矢量序列的选取考虑到小扇区内部，包括一个开关周期内的动作情况，同时也考虑到小扇区之间切换、大扇区之间切换，包括扇区切换时相邻两个开关周期的动作情况。
[0020]
根据本发明提供的一种组串式光伏逆变器svpwm调制系统，包括：
[0021]
空间电压矢量扇区划分模块：将空间电压矢量划分为六个大扇区，再将每个大扇区划分成a、b、c、d四个小扇区，对每个小扇区内的矢量拥有对应的分解方法；
[0022]
矢量分解模块：依据调制度将空间电压矢量分为三类，按照空间电压矢量所属类别依据对应的分解原则对相应扇区进行矢量分解，并分别计算矢量的作用时间；
[0023]
矢量序列选取模块：依据矢量的状态进行排序，获得每个开关周期内的控制信号，驱动桥臂进行开关动作。
[0024]
优选地，根据矢量的调制度大小对空间电压矢量采取不同的分解方式：
[0025]-若调制度小于设定值且仅存在a扇区时采取第一种分解方式；
[0026]-若跨越a、c扇区采取第二种分解方式；
[0027]-若跨越b、c、d扇区采取第三种分解方式。
[0028]
优选地，所述矢量分解时允许采用不同的矢量组合，同时满足的条件包括：
[0029]
在每个大扇区内有一相桥臂开关不动作，其他两相桥臂最多一个开关周期内动作一次，且动作方式仅限于由0到1、由1到0、由0到-1或由-1到0。
[0030]
优选地，所述矢量序列选取依据矢量的分解结果，或通过拆分同一个矢量，使该矢量在一个开关周期内分别作用一段时间，需要满足条件：相邻的矢量最多只有一个桥臂开关状态不同，且每个开关周期内每相桥臂至多动作一次。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0032]
1、不同于传统三电平svpwm调制方法，本发明在冗余小矢量参与调制时并非全部参与调制，而是进行了选取，而前者所有的小矢量状态都将参与调制，使得每个开关周期内三相桥臂开关均会动作一次。本发明采用开关状态更接近的小矢量参与调制，本发明的桥臂开关动作次数理论上只有前者的2/3。
[0033]
2、不同于传统的dpwm调制方法，本发明针对特定调制度下进行矢量分解，使得在调制度m＜0.5774时拥有更多的不动作桥臂选择，对于m＜0.5774时可使不动作桥臂为a相、b相和c相中的任意一个，相比于前者仅能使特定扇区的某一相桥臂钳位至指定状态，具有更高的灵活性与损耗分布均衡能力。
附图说明
[0034]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0035]
图1为二极管钳位型三电平逆变器的拓扑结构图；
[0036]
图2为矢量扇区划分与矢量位置关系图；
[0037]
图3为调制度m＜0.5时实施例1给出的矢量分解方法下第一扇区内桥臂开关动作情况；
[0038]
图4为调制度0.5＜m＜0.5774时实施例2给出的矢量分解方法下第一扇区内桥臂开关动作情况；
[0039]
图5为调制度0.5774＜m＜1时实施例3给出的矢量分解方法下第一扇区内桥臂开关动作情况。
具体实施方式
[0040]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0041]
根据本发明提供的组串式光伏逆变器svpwm调制方法，应用于如图1所示的三电平逆变器结构中，图中s1到s
12
为逆变器桥臂的开关管，c1和c2为直流分压电容。主要措施是尽量减小分解得到的矢量之间的差别，减少不同矢量之间的开关动作次数，从而减小开关损耗，包括以下步骤：
[0042]
空间电压矢量扇区划分步骤：如图2所示，将三电平空间电压矢量图按60
°
分为6个扇区，每个大扇区为一个大的正三角形，包含四个小的正三角形，每个小正三角形分别对应一个小的扇区。
[0043]
矢量分解步骤：将空间电压矢量分为3类：第一类调制度较小，其在整个空间中仅仅处于每个大扇区的a扇区内；第二类调制度较第一类更大，其在整个空间中会在a、c扇区内跨度；第三类调制度最大，其在整个空间中会在b、c、d三个扇区内跨度。对于每类空间电压矢量的分解方法，保证在每种分解方法中至少有一个桥臂开关不动作，仅会在大扇区跨度时动作，而动作方式也即从1到0到1，或从-1到0到-1，不会出现由-1到1或者由1到-1的动作方式。
[0044]
如图2的矢量扇区划分与矢量位置关系图，其中p代表桥臂输出为正电平，即桥臂状态为+1，0代表桥臂输出为0电平，n代表桥臂输出为负电平。对于a、c扇区中的空间电压矢量，保证所有在此扇区中的矢量分解都至少有一个桥臂开关始终不动作，将a扇区中的矢量分解两小矢量v1、v2与零矢量v0的叠加，将c扇区两小矢量v1、v2与中矢量v3的叠加；
[0045]
对于b、d扇区中的空间电压矢量，保证所有在此扇区中的矢量分解都至少有一个桥臂始终不动作，故将b扇区中的空间电压矢量分解为一个长矢量v4和与其相同方向的小矢量v1，以及一个中矢量v3，d扇区分解方式亦同b扇区，分解为v2、v5和v3。
[0046]
判断参考空间电压矢量的位置，主要依据此时的调制度与空间电压矢量的相位来计算，依据矢量幅值判断其属于哪一类分解方法，再依据相位判断其应分解得到的具体矢
量。
[0047]
在一个开关周期ts内，计算各个矢量的作用时间。对于调制度为相位为θ的参考电压矢量，其在空间矢量图中的长度为k。若其在a扇区，则三个矢量作用时间为：
[0048][0049]
若其在c扇区，则三个矢量作用时间为：
[0050][0051]
若其在b扇区，则三个矢量的作用时间为：
[0052][0053]
若其在d扇区，则三个矢量的作用时间为：
[0054][0055]
矢量序列选取步骤：依据矢量作用时间对矢量进行排序，并按对应状态作用于pwm信号，即可合成对应的电压矢量。
[0056]
对矢量的排序遵循以下原则
[0057]
1)两相邻矢量之间的差别最多有一个桥臂状态不同；
[0058]
2)两相邻矢量之间的桥臂动作情况只能为由1到0或由0到1或由-1到0或由0到-1，桥臂动作情况不能为由-1到+1或者由+1到-1；
[0059]
3)选取矢量需考虑到扇区交替时动作尽量少的桥臂。
[0060]
所述矢量分解方法仅仅区别于三类空间电压矢量，这种分解方法对六个大扇区均是适用的。
[0061]
空间电压矢量分解得到的长矢量与中矢量唯一，而小矢量与零矢量不唯一，选取的原则是保证其选取满足该类调制度下，在大扇区内的空间电压矢量至少有一个桥臂开关不动作。
[0062]
给出第一大扇区的一种矢量选取方法：第一类矢量在a扇区中的分解方法为：a扇区中选择矢量v2(oon)、v1(poo)和v0(ooo)；第二类矢量在a、c扇区中的分解方法为：a扇区中
选择矢量v2(oon)、v1(poo)和v0(ooo)，c扇区中选择矢量v2(oon)、v1(poo)和v3(pon)；第三类矢量在b、c、d扇区中的分解方法为：b扇区中选择矢量v1(poo)、v4(pnn)和v3(pon)，c扇区中选择矢量v2(ppo)、v1(poo)和v3(pon)，d扇区中选择矢量v2(ppo)、v5(ppn)和v3(pon)；
[0063]
给出第一大扇区中上述矢量分解方法下的一种排序规则为：
[0064]
第一类矢量：
[0065]
a扇区中v2(oon)-v0(ooo)-v1(poo)-v0(ooo)-v2(oon)。
[0066]
第二类矢量：
[0067]
a扇区中v2(oon)-v0(ooo)-v1(poo)-v0(ooo)-v2(oon)。
[0068]
c扇区中v2(oon)-v3(pon)-v1(poo)-v3(pon)-v2(oon)。
[0069]
第三类矢量：
[0070]
b扇区中v1(poo)-v3(pon)-v4(pnn)-v3(pon)-v1(poo)。
[0071]
c扇区中v2(ppo)-v1(poo)-v3(pon)-v1(poo)-v2(ppo)。
[0072]
d扇区中v2(ppo)-v5(ppn)-v3(pon)-v5(ppn)-v2(ppo)。
[0073]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0074]
不同于传统三电平svpwm调制方法，本发明在冗余小矢量参与调制时并非全部参与调制，而是进行了选取，而前者所有的小矢量状态都将参与调制，使得每个开关周期内三相桥臂均会动作一次。本发明采用开关状态更接近的小矢量参与调制，本发明的桥臂动作次数理论上只有前者的2/3。
[0075]
不同于传统的dpwm调制方法，本发明针对特定调制度下进行矢量分解，使得在调制度m＜0.5774时拥有更多的不动作桥臂选择，对于m＜0.5774时可使不动作桥臂为a相、b相和c相中的任意一个，相比于前者仅能使特定扇区的某一相桥臂钳位至指定状态，具有更高的灵活性与损耗分布均衡能力。
[0076]
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
[0077]
实施例1：
[0078]
本实例可作为第一类调制度下的一种具体的svpwm调制方法。
[0079]
如图2矢量位置关系所示，对于第一类空点电压矢量，存在关系调制度m＜0.5，逆变器处于一种较低调制度的运行模式下，电压参考矢量的位置一直处于第一大扇区的a扇区中，同理对于其他五个大扇区电压参考矢量的位置也只会位于该扇区内的同一个小扇区中。即此时电压参考矢量仅由小矢量与零矢量合成。
[0080]
优选地，按照矢量分解的原则可选取一种第一扇区中a扇区分解方式：保证a相桥臂不动作的(ppo)、(poo)和(ppp)，或(oon)、(onn)和(ooo)；保证b相桥臂不动作的(oon)、(poo)和(ooo)；保证c相桥臂不动作的(ppo)、(poo)和(ooo)，或(oon)、(onn)和(nnn)。同理，对于其他五个大扇区，也可得到类似的矢量分解方法。
[0081]
优选地，考虑到跨扇区桥臂动作元件尽量少的原则，若第一扇区中a扇区的分解为(ppo)、(poo)和(ppp)，则其他五个大扇区的矢量分解方式可分别选择为：第二扇区(ppo)、(opo)和(ppp)；第三扇区(opo)、(noo)和(ooo)；第四扇区(noo)、(nno)和(nnn)；第五扇区(nno)、(ono)和(nnn)；第六扇区(ono)、(onn)和(ooo)。
[0082]
具体地，以第一扇区为例，其电压矢量始终由(oon)、(poo)和(ooo)合成，选取v2(oon)-v0(ooo)-v1(poo)-v0(ooo)-v2(oon)的矢量排序规则，可以得到桥臂开关的动作状态
如图3所示。可以看出桥臂a在一个开关周期内完成一次动作o-p-o，桥臂c在一个周期内完成一次动作o-n-o，而桥臂b一直处于0状态，所以桥臂b的开关管上不存在开关损耗。同时注意到，整个正弦波周期内，桥臂b的开关状态始终为0，即桥臂b始终不存在开关损耗。
[0083]
实施例2：
[0084]
本实例可作为区别于实施例1的另一类调制度下的一种svpwm调制方法。
[0085]
如图2矢量位置关系所示，若存在关系调制度0.5＜m＜0.5774，可知电压参考矢量的位置在第一大扇区的中经历了a扇区-c扇区-a扇区的交替，同理对于其他五个大扇区电压参考矢量的位置也存在两个扇区的交替。
[0086]
优选地，按照矢量分解的原则可选取一种第一扇区中a扇区和c扇区分解方式分别为：a扇区中(oon)、(poo)和(ooo)和c扇区中(oon)、(poo)和(pon)，或a扇区中(ppo)、(poo)和(ppp)和c扇区中(ppo)、(poo)和(pon)，或a扇区中(oon)、(onn)和(nnn)和c扇区中(oon)、(onn)和(pon)。同理，对于其他五个大扇区，也可得到类似的矢量分解方法。
[0087]
优选地，考虑到跨扇区桥臂开关动作尽量少的原则，若第一扇区的矢量选取为a扇区中(oon)、(poo)和(ooo)和c扇区中(oon)、(poo)和(pon)，则其他五个扇区的矢量分解方式可分别选择为：第二扇区a扇区中(oon)、(non)和(ooo)以及c扇区中(oon)、(non)和(opn)；第三扇区a扇区中(non)、(noo)和(ooo)以及c扇区中(non)、(noo)和(npo)；第四扇区a扇区中(noo)、(oop)和(ooo)以及c扇区中(noo)、(oop)和(nop)；第五扇区a扇区中(oop)、(pop)和(ooo)以及c扇区中(oop)、(pop)和(onp)；第六扇区a扇区中(pop)、(poo)和(ooo)以及c扇区中(pop)、(poo)和(pno)。
[0088]
具体地，以第一扇区为例，对于a扇区选取v2(oon)-v0(ooo)-v1(poo)-v0(ooo)-v2(oon)的矢量排序规则，对于c扇区选取v2(oon)-v3(pon)-v1(poo)-v3(pon)-v2(oon)的矢量排序规则，并且电压矢量在第一扇区中完成a-c-a的旋转。可以得到桥臂开关的动作状态如图4所示。可以看出桥臂a在一个开关周期内完成一次动作o-p-o，桥臂c在一个周期内完成一次动作o-n-o，而桥臂b一直处于o状态，所以桥臂b的开关管上不存在开关损耗。
[0089]
具体地，对于各个大扇区之间的运行，应与第一扇区一致，即存在两个桥臂会在每个开关周期内动作一次，存在一个桥臂会在整个大扇区内不动作。
[0090]
具体地，按照上述矢量选取实例，可进一步知道六个大扇区内不动作桥臂是一致的，均为桥臂b，故桥臂b在整个正弦周期内始终不存在开关损耗。
[0091]
实施例3：
[0092]
本实例可作为区别于实施例1和实例2的第三类调制度下的一种svpwm调制方法，需要注意的是，逆变器稳定运行时调制度一定在这三个实例的范围内。
[0093]
如图2矢量位置关系所示，若存在关系调制度0.5774＜m＜1，即逆变器处于一种较高调制度的运行模式下，可知电压参考矢量的位置在第一大扇区的中经历了b扇区-c扇区-d扇区的交替，同理对于其他五个大扇区电压参考矢量也会是对应的一个交替过程。此时电压矢量的分解根据所在扇区不同而区分。
[0094]
优选地，按照矢量分解的原则可选取一种第一扇区的矢量分解方式：b扇区(poo)、(pnn)和(pon)，c扇区中(ppo)、(poo)和(pon)以及d扇区(ppo)、(ppn)和(pon)。同理，对于其他五个大扇区，也可得到类似的矢量分解方法。
[0095]
优选地，考虑到跨扇区桥臂动作次数尽量少的原则，第二个大扇区矢量分解方式
可选择为：b扇区中(poo)、(pnn)和(pon)，c扇区中(ppo)、(opo)和(opn)以及d扇区中(opo)、(opn)和(non)。
[0096]
具体地，以第一扇区为例，对于b扇区选取v1(poo)-v3(pon)-v4(pnn)-v3(pon)-v1(poo)的矢量排序规则，对于c扇区选取v1(poo)-v3(pon)-v2(ppo)-v3(pon)-v1(poo)的排序规则，对于d扇区选取v2(ppo)-v5(ppn)-v3(pon)-v5(ppn)-v2(ppo)的排序规则，并且电压矢量在第一扇区中完成b-c-d的旋转。可以得到桥臂开关的动作状态如图5所示。可以看出桥臂b在一个开关周期内完成o-n-o或o-p-o或p-o-p的一次动作，桥臂c在一个周期内完成o-n-o或n-o-n的一次动作，而桥臂a一直处于p状态，所以桥臂a的开关管上不存在开关损耗。
[0097]
需要注意到，以上实例仅考虑逆变器稳定运行的状态，即在一个正弦周期内调制度不会发生较大的暂态变化，不考虑调制度变化带来扇区异常切换造成的额外开关损耗，而仅仅考虑在一个相对稳定调制度下运行逆变器的开关损耗分析。
[0098]
以16khz的三电平igbt逆变器为例，对于传统svpwm方法与本发明提出的调制方法，在0.02s周期内其开关动作情况如下表所示
[0099][0100]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0101]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。