非隔离型光伏逆变器共模谐振环路电流和漏电流抑制方法

摘要

本发明公开了一种非隔离型光伏逆变器共模谐振环路电流和漏电流抑制方法，包括三相I字型三电平逆变器和改进型LCL滤波电路，所述改进型LCL滤波电路的电容公共端直接连接到直流侧滤波电容的中性点处，改变三相I字型三电平逆变器的共模回路，抑制系统漏电流。本发明提出了共模回路的闭环控制算法，在共模回路中增加PI控制器，实现共模谐振环路电流的抑制。本发明能够节约成本，提高了系统转换效率，具有很高的实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非隔离型光伏逆变器共模谐振环路电流和漏电流抑制方法。

背景技术

近年来，光伏发电的快速增长为解决世界能源短缺和环境污染问题起到了巨大作用。在光伏发电系统中光伏逆变器是核心部件，它将直流电转换为交流电。I字型三相三电平光伏逆变器拓扑在中高压大功率光伏系统中被广泛应用。I字型三电平拓扑具有更低开关损耗、更优的输出波形质量和更高的能量密度和效率的优势，使其逐渐成为市场主流，得到各国科研人员的重视和工业界的广泛应用。

但是，该非隔离光伏逆变器系统中光伏板上的寄生电容不可避免产生漏电流。漏电流会增加系统的电磁干扰，使输出电流波形畸变，给设备和操作人员带来巨大的安全隐患。为此，国家标准对漏电流的大小做出了规定，10kW及以下功率等级的光伏逆变器的漏电流大小须低于300mA。

目前关于减小漏电流的方法主要从改变逆变器拓扑和改变调制策略两方面入手。一方面，在改变逆变器拓扑减小漏电流的方法中，通过在直流侧或者交流侧增加开关管和二极管改变逆变器系统产生的共模电压，进而抑制漏电流。但是该方法需要增加额外的辅助开关器件，这不仅增加了系统的成本也增加了控制难度。另一方面，在改变调制策略减小漏电流的方法中，常用的方法是弃用部分开关矢量(这些开关矢量产生幅值较大的共模电压)，如载波反向(APOD)调制方法和LMZ(只使用大、中、零矢量)调制方法，通过降低共模电压的幅值，实现抑制漏电流的目的。但是，该方法抑制漏电流的能力有限，同时由于只采用了部分矢量来合成参考电压，输出电压或者电流波形的总谐波畸变率(THD)增加。基于此，有文献提出了采用一种改进的LCL滤波器来减小漏电流的方法，此方法在几乎不增加成本和控制及调制难度的前提下，极大地减小了漏电流。但是，改进型LCL滤波器，改变了逆变器系统的共模漏电流回路，共模电压在改进的共模回路中激起共模谐振环路电流。共模谐振环路电流使逆变器侧电流振荡、系统漏电流增加、系统电流保护误动作等一系列问题，这破坏了系统的稳定性。

因此，针对I字型三电平光伏逆变器系统中共模谐振环路电流和漏电流带来的不利影响，研究一种简单有效的解决方法意义重大。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种非隔离型光伏逆变器共模谐振环路电流和漏电流抑制方法，本发明用改进型LCL滤波器，将LCL滤波器电容公共端连接到直流母线的中点，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，高频的共模电压激起的高频共模漏电流通过这条增加的低阻抗的电容支路流回直流母线的中点，从而极大地降低了流入大地的漏电流。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是提供一种光伏逆变器共模谐振环路电流和漏电流抑制系统，包括三相I字型三电平逆变器和改进型LCL滤波电路，所述改进型LCL滤波电路的电容公共端直接连接到直流侧滤波电容的中性点处，改变三相I字型三电平逆变器的共模回路，抑制系统漏电流。同时改进型LCL滤波器并没有改变系统的差模回路，不会改变差模回路的滤波效果。

进一步的，所述三相I字型三电平逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括上、下桥臂，所述上、下桥臂均包括两个串联的开关管，以及两个连接上、下桥臂开关管中点的箝位二极管，直流侧包括两个串联的相同的滤波电容，在两个电容中间形成一个中性点，每相桥臂的两个箝位二极管的中间与中性点相连，使交流桥臂中点产生零电位。

进一步的，所述每相桥臂的四个开关管的导通状态不同，交流桥臂中点产生的电位不同，产生+U_dc/2、-U_dc/2、0三种电平，U_dc为直流侧电源电压。

优选的，所述开关管为IGBT开关管。

进一步的，所述开关管的开通与关断由控制系统中的控制器通过调理电路和驱动电路直接控制。

进一步的，所述控制系统包括保护电路、驱动电路、采样调理电路和控制电路，三相I字型三电平逆变器的信号经过采样调理电路连接到控制器，所述控制器与保护电路通信，实现过流和过压保护，控制器连接驱动电路，控制器输出的PWM信号经过驱动电路的隔离放大送到开关管的控制极，控制开关管的开通与关断。

进一步的，所述采样调理电路采集与调理直流侧的上下电容电压、三相桥逆变侧电流、三相滤波电容电压和三相电网电压值。

进一步的，基于上述系统的共模电路控制方法，将三相逆变器侧输出电流相加并与参考值做差，差值经过共模回路谐振电流控制器，得到用于调整正负小矢量作用时间的控制变量，实现七段式调制算法中的正负小矢量作用时间的实时调整；通过改变正负小矢量作用时间降低共模电压在共模回路谐振频率处的幅值，实现共模谐振环路电流的抑制。

进一步的，在共模回路中，实现共模谐振环路电流抑制的控制器为PI控制器，实现共模谐振环路电流的无静差控制。由于期望共模谐振环路电流尽量消除，所以共模谐振环路电流的参考值设置为零。

基于上述系统差模回路的电容电压前馈控制方法，通过电容电压前馈控制算法实时调整调制波，以改变桥臂输出电压在差模回路谐振频率处的幅值，实现对差模回路中谐振电流的抑制。

基于上述系统的中点电压平衡控制方法，采集直流侧上下电容电压的差值，利用中点电压控制器根据该差值计算得到用于实时调整正负小矢量作用时间的控制变量，改变正负小矢量作用时间，控制中点电压平衡。

具体的，当上侧电容电压大于下侧电容电压时，应增加P型小矢量作用时间；当下侧电容电压大于上侧电容电压时，应增加N型小矢量作用时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、与采用传统的LCL滤波器对比，改进型LCL滤波器通过改变共模回路结构，有效抑制漏电流。减小了漏电流引起的电磁干扰大、系统稳定性差、输出波形质量低的不利影响。

2、与传统通过增加辅助开关管或者二极管改变主电路拓扑抑制漏电流方法对比，本发明方法无需任何辅助开关管或者二极管，只需增加一根导线。这极大地降低了系统成本，减小了系统体积，简化了控制算法和调制算法。

3、与传统通过改变调制算法抑制漏电流的方法对比，本发明没有弃用任何矢量，使得输出电压和电流的波形质量更优，谐波含量更低，更有利于减小滤波器的体积，降低系统成本。

4、与无共模谐振环路电流抑制的方法对比，本发明提出了一种共模回路的闭环控制算法，能有效抑制共模谐振环路电流，使逆变器输出电流振荡得到有效抑制，输出电流波形质量更好，系统的稳定性和抗干扰性更强。

5、与采用无源阻尼抑制共模谐振环路电流和差模回路谐振电流的方法对比，本发明通过闭环控制算法实现共模与差模回路的谐振电流抑制。在共模回路中增加PI控制器，抑制共模谐振环路电流。在差模回路中采用电容电压前馈控制，抑制差模回路谐振电流。由于该方法中省去了阻尼电阻，所以降低了系统的能量损耗，这种方法节约了成本，提高了系统转换效率，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为改进型LCL滤波器的I字型三电平光伏逆变器系统结构图；

图2为改进型LCL滤波器的I字型三电平光伏逆变器的共模等效电路图；

图3为改进型LCL滤波器共模等效电路的bode图；

图4为共模谐振环路电流的控制框图；

图5为基于改进型LCL滤波器的I字型三电平光伏逆变器的差模等效电路；

图6为改进型LCL滤波器差模等效电路的bode图；

图7为系统总控制框图；

图8为三电平空间矢量分布图；

图9为七段式开关序列图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

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。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

为了有效抑制漏电流，降低漏电流的不利影响，本发明采用改进型LCL滤波器。它将LCL滤波器电容公共端连接到直流母线的中点，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，高频的共模电压激起的高频共模漏电流通过这条增加的低阻抗的电容支路流回直流母线的中点，从而极大地降低了流入大地的漏电流。

改进的LCL滤波器虽然能有效降低漏电流，但是同时会引起共模谐振环路电流，给系统带来不利影响。为了有效抑制在改进型LCL滤波器中共模电压激起的共模谐振环路电流，本发明提出了一种共模回路闭环控制策略，通过在共模回路中增加PI控制器实现共模谐振环路电流的抑制。PI控制器的输出改变空间矢量调制中正负小矢量的作用时间，降低共模回路中共模电压在谐振频率处的幅值，进而抑制共模谐振环路电流。

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，实现的共模谐振环路电流和漏电流的有效抑制。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。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

主电路为三相I字型三电平逆变器，每相桥臂包括四个IGBT开关管和两个箝位二极管。直流侧为两个相同的滤波电容串联，在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，交流桥臂中点产生的电位也不同，这种拓扑可以产生+U_dc/2、-U_dc/2、0三种电平。

所述改进型LCL滤波电路中，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，改变I字型三电平逆变器系统的共模回路，有效抑制系统漏电流。

开关管的开通与关断由控制系统中的控制器通过调理电路和驱动电路直接控制；系统的调制策略和控制算法在控制器DSP中实现。

所述控制系统包括保护电路、驱动电路、采样调理电路和控制电路组成。主电路的信号经过采样调理电路连接到DSP模块，将主电路的信号送到DSP进行控制算法的运算。DSP模块与保护电路通信，实现系统的过流和过压保护。DSP模块连接驱动电路，DSP输出的PWM信号经过驱动电路的隔离放大送到IGBT的门极，控制IGBT的开通与关断。

所述采样调理电路，采集与调理直流侧上下电容电压、三相桥逆变侧电流、三相滤波电容电压、三相电网电压。

所述调制策略为可改变正负小矢量作用时间的七段式空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)。

所述基于改进型LCL滤波器的三电平I字型逆变器拓扑的控制算法包括共模电路的闭环控制算法、差模回路的电容电压前馈控制算法和中点电压平衡算法控制算法。

基于上述改进型LCL滤波器的I字型三电平逆变器的控制算法，具体为：

共模回路闭环控制算法实现了系统由于采用改进型LCL滤波器引入的共模谐振环路电流的抑制。将三相逆变器侧输出电流相加并与参考值做差，差值经过共模回路谐振电流控制器，得到用于调整正负小矢量作用时间的控制变量，实现七段式调制算法中的正负小矢量作用时间的实时调整。通过改变正负小矢量作用时间降低共模电压在共模回路谐振频率处的幅值，实现共模谐振环路电流的抑制。在共模回路中，实现共模谐振环路电流抑制的控制器为PI控制器，用于实现共模谐振环路电流的无静差控制，由于期望共模谐振环路电流尽量消除，参考值设置为零。

差模回路的电容电压前馈控制算法，实现了差模回路谐振电流的抑制。由于采用了改进型LCL滤波器，差模回路中存在固有的谐振点，桥臂输出的脉冲电压在谐振点处产生差模谐振电流，造成系统的不稳定。通过电容电压前馈控制算法实时调整调制波，改变桥臂输出电压在差模回路谐振频率处的幅值，实现差模回路中谐振电流的抑制。

中点电压平衡控制算法实现了I字型三电平逆变器的直流侧中点电压的平衡控制。直流侧上下电容电压的差值，经过中点电压控制器，得到用于实时调整正负小矢量作用时间的控制变量，改变正负小矢量作用时间，实现中点电压平衡的控制。当上侧电容电压大于下侧电容电压时，应增加P型小矢量作用时间；当下侧电容电压大于上侧电容电压时，应增加N型小矢量作用时间。

作为一种典型实施例，如图1所示，采用改进型LCL滤波器的I字型三电平光伏逆变器系统结构图，主电路为三相I字型三电平逆变器，共12个IGBT开关管和六个箝位二极管；滤波器采用改进型LCL滤波器，此滤波器的电容公共端通过一根导线连接直流侧电容的中点；直流侧为两个串联的滤波电容，在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，这种拓扑可以产生+U_dc/2、-U_dc/2、0三种电平。

图2为根据图1中基尔霍夫电路方程得到的改进型LCL滤波器的I字型三电平光伏逆变器的共模等效电路图。与传统LCL共模等效电路相比，此等效电路在共模回路中增加了一条低阻抗的电容支路，该支路为高频的共模电流提供了通路，大大减小流入大地的漏电流。漏电流对共模电压的传递函数为：

可以看出基于改进型LCL滤波器的共模回路为一个四阶系统，对高频漏电流有更强的衰减能力，这极大地降低了流入大地的漏电流。从图2和漏电流对共模电压的传递函数可以得出，由于改进型滤波器本身系统的结构特点，滤波器本身存在固有的谐振点，在谐振点处会导致共模谐振环路电流。

图3为改进型LCL滤波器共模等效电路的bode图，由于低阻抗电容支路的引入，使得共模等效电路中存在谐振点，在实际应用中，通常会在f_r1频率处产生共模谐振环路电流，造成逆变器输出电流振荡，系统的电流保护误动作，系统不稳定。谐振频率f_r1为：

由谐振频率f_r1的表达式可以看出，此谐振频率受电路参数L和C_f的影响。假设系统的漏电流可以抑制到零，所以共模谐振环路电流的数学模型为：

可以看出u_cm为共模谐振环路电流i_cmz的激励源，为实现i_cmz谐振环路电流的有效抑制,可以通过降低u_cm在谐振频率处的幅值，实现共模谐振环路电流的抑制。本发明通过在共模回路中增加闭环控制策略，闭环控制策略降低了共模电压在谐振频率处的幅值，进而抑制共模谐振环路电流。

图4为共模谐振环路电流抑制的控制框图，共模回路的控制器为PI控制器，为了有效抑制共模谐振环路电流，共模谐振环路电流的给定值设置为零，共模谐振环路电流的给定值与实际值的差值送入PI控制器。PI控制器的输出用于调整正负小矢量作用时间，通过实时调整七段式调制策略中成对正负小矢量作用时间，减小共模电压在谐振频率处幅值，进而实现共模谐振环路电流的有效抑制。用于实时调整正负小矢量作用时间的控制变量为：

图5为改进型LCL滤波器的I字型三电平光伏逆变器的差模等效电路；采用LCL滤波器能在实现相同的滤波效果的前提下，大大降低滤波器的体积、减小系统损耗、提高系统转换效率、节约成本。系统桥臂输出电流对桥臂输出电压的传递函数为：

但是LCL滤波器本身存在谐振点，会导致系统输出电流的谐振，差模谐振频率为：

图6为改进型LCL滤波的I字型三电平光伏逆变器的差模等效电路的bode图，由于滤波器本身结构的原因，使得LCL滤波器存在谐振尖峰，如果谐振尖峰不能得到有效抑制，系统不稳定，造成系统振荡，系统崩溃。这里采用电容电压前馈控制实现差模回路电流谐振的抑制。

图7为本发明的整体控制框图，控制部分由用于共模谐振环路电流抑制的PI控制器、用于差模回路谐振抑制的差模控制器、用于直流侧中点电压平衡控制的中点电压控制器构成。该控制器作用在改进型LCL滤波器的三相I字型三电平逆变器上，能有效抑制漏电流、共模谐振环路电流；差模回路谐振；直流侧中点电压波动。该算法在几乎不增加成本的前提下实现系统的高效、稳定、可靠运行。

图8为三电平空间矢量图，每一相桥臂有P、O、N三种状态，所以三相I字型三电平拓扑有27个开关矢量，根据矢量的模长，27个矢量分为4组，大、中、小、零矢量。其中大矢量分布在外六边形的顶点处，共六个；中矢量分布在外六边形的边的中点处，共六个；小矢量成对出现，分为正小矢量和负小矢量，分布在内六边形的顶点处，共12个；零矢量分布在六边形的中点处，共3个。

图9为假设参考矢量位于I大扇区的5区域时采用七段式调制策略的开关序列，通过调整正负小矢量的作用时间，实现不同的控制目标。将图4中PI制器输出用于调整正负小矢量的作用时间，减小共模电压在谐振频率处的幅值，进而抑制共模谐振环路电流。此时三相作用时间调整为：

为了保证系统的稳定性，d_z必须满足下面的条件

类似地，图7中直流侧中点电压平衡控制器的输出用于调整正负小矢量的作用时间，实现中点电压平衡的有效控制。此时三相的作用时间再次调整为：

为了保证系统的稳定性，y_z必须满足下面的条件

表1为七段式开关矢量表，七段式空间矢量调制策略以负小矢量开始和结束。采用七段式空间矢量调制能有效提高输出波形质量。减小滤波器的体积。

表1不同扇区对应的开关次序

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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。