三相中点钳位三电平逆变器一维调制共模电流抑制技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非隔离光伏并网发电系统中的共模电流抑制技术，尤其涉及一种三相 中点钳位（Neutral point clamped--NPC)三电平逆变器一维调制（IDM)共模电流抑制 技术。
【背景技术】
[0002] 不含有变压器的非隔离式光伏并网发电方式凭借自身变化效率高、体积小、重量 轻和成本低的绝对优势，迅速得到各国科研人员的重视和工业界的关注，目前已经在部分 欧洲国家得到应用。但是因为没有变压器作为隔离，光伏电池、光伏逆变器和电网通过光伏 电池对地寄生电容形成了共模回路；在共模回路中共模电压不断变化，引起共模回路中电 容、电感充放电，从而在共模回路中产生较大的共模电流。高频的共模电流会对周围设备造 成严重的传导和辐射干扰、增加并网电流谐波以及系统损耗，甚至危及设备和人身安全。
[0003] 目前抑制共模电流的方法大体可分为三种：第一种是支路分流的方法，即通过增 加共模电流支路的方法来减小共模电流。该方法在光伏电池两端并联两个电容，然后连接 电容中点与电网中点；这样在共模回路中光伏电池对地寄生电容和光伏电池两端电容是并 联的，由于光伏电池并联电容比较大，电容电压波动比较小，这样就起到了钳位共模电压的 作用，从而达到抑制共模电流的目的。但是在实际应用中，直流侧中点通过大地与电网中点 连接，连接线中必然会有大地阻抗；大地阻抗的存在使光伏电池对地寄生电容两端的电压 产生波动，由此也会产生较大共模电流，因此支路分流的方法有待进一步改进。第二种是增 大共模回路阻抗的方法，在共模回路中共模电压变化幅值一定的情况下，增大共模回路阻 抗可以在一定程度上降低共模电流幅值，达到抑制共模电流的目的。但是这种方法只能起 到抑制共模电流的作用，而且一般需要在共模回路中串入比较大的电感才能有较好的抑制 共模电流的效果。第三种是减小共模电压或保持共模电压恒定，共模电压的存在是产生共 模电流的根本原因，如果能减小共模电压或是保持共模电压恒定可以得到很好的抑制共模 电流的效果。目前减小共模电压或保持共模电压恒定的方法是改进逆变器的拓扑结构和改 进调制技术的两种策略。改变逆变器拓扑结构，需要增加有源开关，系统成本上升。改进调 制技术则无须添加任何硬件。
[0004] 目前光伏并网逆变器以电压型两电平逆变器为主，但是随着光伏发电技术的不断 成熟，光伏装机容量的不断增大，国内外相关企业和科研院所都在研究基于多电平的光伏 并网逆变器，特别是三电平逆变器在光伏发电领域已得到越来越多的应用。而在抑制共模 电流的现有研究成果中，直接针对三相中点钳位三电平逆变器的还非常少见。本发明针对 该逆变器提供了一种基于一维调制策略的共模电流抑制方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了有效抑制非隔离光伏系统中的共模电流，消除共模电流对 系统和人身安全的威胁。本发明基于三相中点钳位三电平光伏逆变器（Neutral point clamped--NPC)，提出了一种一维调制共模电流抑制技术，在不增加任何硬件的条件下， 可以实现共模电压恒定，有效的抑制共模电流。为了解决上述存在的技术问题，本发明是通 过以下技术方案实现的：
[0006] 一种三相中点钳位三电平逆变器（NPC) -维调制（IDM)共模电流抑制技术，其内 容包括以下具体步骤：
[0007] 对于三相中点钳位三电平逆变器（NPC)的每相桥臂，定义其开关状态为V，则V有 三种取值：〇,桥臂输出端连接直流母线负端；1，桥臂输出端连接直流母线中点；2,桥臂输 出端连接直流母线正端；当三相桥臂的开关状态V A、VjPV ^在满足式（1)的情况下，
[0008] VVVc= 3 (1)
[0009] 使非隔离三相中点钳位三电平逆变器NPC的三个桥臂分别工作在0、1和2三种矢 量状态，或者三个桥臂都工作在1矢量状态；保证共模电压恒等于直流电压源的二分之一， 从而有效的抑制系统的共模电流；
[0010] 步骤1 :在一个基波周期内根据三相调制波正负将一个基波周期分为六个扇区分 别操作，I扇区A相调制波大于零、B相调制波小于零、C相调制波小于零，II扇区A相调制 波大于零、B相调制波大于零、C相调制波小于零，III扇区A相调制波小于零、B相调制波 大于零、C相调制波小于零，IV扇区A相调制波小于零、B相调制波大于零、C相调制波大于 零，V扇区A相调制波小于零、B相调制波小于零、C相调制波大于零，VI扇区A相调制波大 于零、B相调制波小于零、C相调制波大于零；在I扇区矢量作用顺序为111 一201 - 210- 111、在II扇区矢量作用顺序为111 一210 -120 -111、在III扇区矢量作用顺序为111 一 120-021 -111、在IV扇区矢量作用顺序为111 一021-012 -111、在V扇区矢量作用顺序 为111一012 -102 -111、在VI扇区矢量作用顺序为111一 102- 201-111 ;在每个扇区中 三相调制波的正负符号是不变的；
[0011] 步骤2 :根据三相调制波在时域的瞬时值确定矢量状态及其作用时间，在每个扇 区中首先分别求取A相和B相的电压矢量及其作用时间，其中a x为标么化基准输出电压； axi为标么化基准输出电压的整数部分；Vrafx为基准输出电压（V) ;VMaxx为输出相电压最大值 (V) ;E为输出相邻电平间的电压差值（V) ;fl〇〇r向下取整函数；Sxl、Sx2为相邻电压矢量； txi、tx2为相应电压矢量的作用时间（S);
[0012] 步骤3 :依据式VA+VB+Ve= 3合理排列三相的电压矢量，推导三相在任意时刻的电 压矢量及其作用时间保证共模电压恒定；根据三个桥臂的矢量状态之和为3的原则确定C 相的矢量状态，最后合理组合三相的电压矢量，使三相整体的输出状态只有中矢量和零矢 量111 ;在扇区I、III、IV和VI中A相和B相的正负符号是不同的；在扇区II和V中A相 和B相的正负值是相同的；
[0013] 步骤4 :无死区一维调制能够更好地抑制共模，采样三相电感电流，然后用各相的 电流信号与相应桥臂中第二开关和第三开关做与逻辑，得到新的第二开关和第三开关触发 信号，这样由于第一开关与第三开关、第二开关与第四开关不存在互补关系，因此可以不添 加死区。
[0014] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：
[0015] 本发明的改进一维调制共模电流抑制技术，不需要光伏发电系统增加任何硬件设 施，从而降低了系统的成本，提高了能量变换效率，仅需改进调制策略就可以实现共模电压 恒定，达到抑制共模电流的目的。同时，本发明调制算法简单，运算速度快，易于实现，符合 可再生能源和新能源的发电技术需要，适用于不含变压器的非隔离光伏并网发电系统。
【附图说明】
[0016] 图1是非隔离NPC三电平逆变器光伏并网系统图；
[0017] 图2是改进一维调制技术扇区划分图；
[0018] 图3是一维调制原理图；
[0019] 图4是一维调制共模电流技术矢量作用顺序图；
[0020] 图5是A相带死区开关器件触发信号；
[0021] 图6是A相不带死区开关器件触发信号；
[0022] 图7是实验结果波形图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述：
[0024] -种三相中点钳位三电平逆变器一维调制共模电流抑制技术，其内容详细说明如 下：
[0025] 图1所示是基于三相中点钳位三电平逆变器的非隔离光伏并网发电系统，当每个 桥臂分别工作在〇、1和2三种矢量状态或者三个桥臂都工作在1矢量状态时，即使三个桥 臂的矢量状态之和为3也能够使共模电压恒等于直流电压源的二分之一，从而有效的抑制 系统的共模电流。
[0026] 参见图2,在一个基波周期内可以根据三相调制波正负将一个基波周期分为六个 扇区，在每个扇区中三相调制波的正负符号是不变的，这样便于三个桥臂矢量状态的确定。
[0027] 在此基础上，根据三相调制波在时域的瞬时值确定矢量状态及其作用时间。在每 个扇区中首先确定A相和B相的电压矢量及其作用时间，参见图3所示的IDM调制原理，然 后根据三个桥臂的矢量状态之和为3的原则确定C相的矢量状态，最后合理组合三相的电 压矢量，使三相整体的输出状态只有中矢量和零矢量111 ;在扇区I、III、IV和VI中A相和 B相的正负符号是不同的；在扇区II和V中A相和B相的正负值是相同的，因此以扇区I和 II为例进行分析。
[0028] 定义三相调制波为：Vrefa= m · V Maxcos Θ，Vrefb= m · V Max C0s ( Θ -2 π /3)，Vrefcc = m · VMax cos ( θ +2 π /3) 〇
[0029] 根据IDM调制原理：aa= (m · V Max cos θ +VMax) /Ερ。在NPC三电平逆变器中Ep = VMax，因此 aa= 1+m cos Θ。当 cos Θ >〇，a ai= 1，r a= mcos Θ，Sal= 1，Sa2= 2，