有源钳位五电平逆变器漏电流抑制

摘要

在高压大功率场合，有源中点钳位五电平逆变器(Active-neutral-point-clam-ed five-level inverter，ANPC-5L)和已经较为普及的三电平逆变器相比，开关损耗降低，电流谐波变少，所需滤波器件相应随之减小，同时共模电压幅值也降低为后者的二分之一，系统的安全性能相应提高，一种输出电平含多个换流路径提供了更多选择，从而让直流侧电容电压和飞跨电容电压等指标的控制变得更为轻松。在五电平逆变器的理论分析和实际工程应用中，漏电流(Leakage Current，LC)问题一直是一个热点，且富有一定难度。由于土壤，水分等介质的存在，太阳能电池板组成的光伏阵列对地含寄生电容。仅考虑高频共模电压(Common-Mode Voltage，CMV)时，直流侧支撑电容，滤波器和电网阻抗都可以看成是短路。因此在不隔离系统回路中会产生高频LC。CMV和LC将大幅降低系统的安全性，极易引起电击或者火灾，更有甚者，可能造成机毁人亡。
　　本文首先对ANPC-5L的拓扑及工作过程进行了阐述，并构建了ANPC-5L逆变器的数学模型。其次对LC和CMV的产生机理进行了数学推导和理论分析。根据两者的数学表达式，提出了一种能够抑制LC的调制方法。接着为了简化计算量，提出了该方法的载波实现。最后，将此方法与正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)、空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)、低共模电压调制(Low Common-mode Voltage Pulse Width Modulation，LCV，WM)在共模电压、漏电流、中点电位（neutral-point voltage）波动、飞跨电容电压(flying-capacity voltage)波动、电流谐波畸变率这五个方面进行了详细的对比。
　　为验证本文所提调制策略的正确性，设计并搭建了10kW三相ANPC-5L逆变器实验平台。该平台主要包括:ANPC-5L硬件电路设计及软件系统设计。其中硬件系统设计包括直流电容板设计，主电路板设计，并网接口板设计，信号处理板设计及控制板设计。软件控制系统设计包括控制板上的DSP和CPLD程序设计。在此平台的基础上，进行了上述四种调制策略的离网实验，实验结果表明了方案的正确性和可行性。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 五电平换流器的研究现状

1．2．1 二极管钳位式逆变器

1．2．2 电容钳位式逆变器

1．2．3 有源中点钳位式逆变器

1．2．4 级联式逆变器

1．3 五电平逆变器漏电流gp$0

1．3．1 共模电压及漏电流的定义

1．3．2 共模电压及漏电流研究进展

1．4 论文主要研究内容

第二章 ANPC五电平逆变器基本工作原理及漏电流模型

2．1 引言

2．2 有源钳位五电平逆变器拓扑结构及工作原理

2．2．2 ANPC-5L工作原理

2．3 共模电压与漏电流数学建模

2．4 不同调制策略的CMV比较

2．4．1 正弦脉宽调制

2．4．2 空间矢量调制

2．4．3 低共模电压调制

2．5 本章小结

第三章 漏电流抑制调制策略

3．1 前言

3．2 漏电流调制策略

3．2．1 漏电流调制策略的矢量思想

3．2．2 漏电流调制策略的载波实现

3．3 本章小结

第四章 ANPC-5L实验平台介绍

4．1 系统结构总览

4．2 硬件部分设计

4．2．1 电容板

4．2．2 主电路

4．2．3 并网接口板

4．2．4 信号调理板

4．2．5 控制板

4．3 软件部分介绍

4．4 实验验证

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况