三電平并網(wǎng)逆變器共模電壓抑制方法研究

摘要：針對高壓大功率三電平并網(wǎng)逆變器應用中產(chǎn)生的共模電壓，對其產(chǎn)生機理進行分析，比較常規(guī)正弦脈寬調(diào)制(SPWM)策略對逆變器共模電壓的抑制效果，通過優(yōu)化開關(guān)序列的組合，提出一種新型SPWM策略。該策略有效地將三電平并網(wǎng)逆變器共模電壓抑制在一定范圍內(nèi)，明顯優(yōu)于常規(guī)SPWM策略，同時兼顧了輸出波形的質(zhì)量。仿真和實驗結(jié)果證明了新型調(diào)制策略的可行性和對共模電壓抑制的有效性。
關(guān)鍵詞：并網(wǎng)逆變器；共模電壓；正弦脈寬調(diào)制

1 引言
    在光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程中，多電平電壓源逆變器性能不斷提高，但其存在的負面效應備受關(guān)注。其負面效應使系統(tǒng)可靠性下降、故障率增加，它所帶來的實際損失可能超過逆變系統(tǒng)自身的成本。因此，研究多電平逆變器共模電壓產(chǎn)生機理，對其加以消除或抑制具有重要意義。這里主要從控制策略優(yōu)化的角度對共模電壓進行分析研究。結(jié)合二極管中點箝位(NPC)三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，分析了共模電壓產(chǎn)生機理，通過優(yōu)化調(diào)制策略抑制共模電壓。

2 三電平逆變器原理及共模電壓
    要消除共模電壓，需改進逆變器拓撲結(jié)構(gòu)并分析共模電壓產(chǎn)生機理，進而提出抑制或消除共模電壓的方法?；贗GBT的NPC三電平高壓大功率逆變器常用拓撲如圖1所示，主要包括直流側(cè)、三電平逆變器、L濾波器及電網(wǎng)，其中三電平逆變器由12個IGBT和12個反并聯(lián)二極管及6個箝位二極管組成。

    簡要分析NPC三電平逆變器的工作原理，以a相為例，當開通VSa1，VSa2，關(guān)斷VSa3，VSa4時，在逆變器輸出端可以獲得一個正電平；當開通VSa2，VSa3，關(guān)斷VSa1，VSa4時，輸出電壓為零；當開通VSa3，VSa4，關(guān)斷VSa1，VSa2時，可在輸出端得到一個負電平。根據(jù)其原理，可定義Sx(x=a，b，c)為三電平逆變器三相輸出的開關(guān)函數(shù)，其具體定義為：
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    電壓電平數(shù)量的增加使開關(guān)有效狀態(tài)增加到27個，如圖2所示。

    假設(shè)電網(wǎng)三相對稱，將這些開關(guān)狀態(tài)代入共模電壓Ucom=(Ua+Ub+Uc)／3=Udc(Sa+Sb+Sc-3)／6，Ua，Ub，Uc分別為逆變器各相輸出端到直流側(cè)中點的電壓。由計算得，三電平逆變器會產(chǎn)生共模電壓，幅值為±Udc／6，±Udc／3和0，而|du／dt|=Udc／6。其開關(guān)狀態(tài)與共模電壓對應關(guān)系如圖3所示。但在這些開關(guān)狀態(tài)中，(210)，(120)，(021)，(012)，(102)，(201)和(111)這7種狀態(tài)不會產(chǎn)生共模電壓，即共模電壓在三電平逆變器中是可消除的。同理，這個結(jié)論可以推廣至奇數(shù)倍多電平逆變器中。

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3 SPWM控制及共模電壓影響
    常規(guī)SPWM對NPC三電平并網(wǎng)逆變器三相橋臂控制方式為：以a相為例，就是一個正弦波和等幅值、同相位、位置相差一個幅值的兩個三角載波進行比較后得到NPC三電平逆變器a相橋臂中4個IGBT開關(guān)管驅(qū)動控制信號，如圖4a所示；再將正弦波調(diào)制信號分別前后移動120°，經(jīng)過與相同載波比較后得到c，b兩相橋臂IGBT開關(guān)管的驅(qū)動控制信號。通過Matlab 7．0仿真分析常規(guī)SPWM控制策略用于圖1所示NPC三電平并網(wǎng)逆變器的工作情況。為便于分析，假設(shè)直流側(cè)電容電壓不發(fā)生中點電位偏移，直流側(cè)電壓Udc=300V。由仿真可知，在該調(diào)制策略下，共模電壓的負面影響很大，幅值的變化較大。

    基于以上分析以及對NPC三電平并網(wǎng)逆變器共模抑制的效果，再結(jié)合圖3中各開關(guān)狀態(tài)組合及對應的共模電壓大小?？擅黠@判斷，只要對常規(guī)SPWM調(diào)制策略進行改進，增加一個限定條件：僅選擇開關(guān)狀態(tài)組合后Ucom≤Udc／6的開關(guān)狀態(tài)參與調(diào)制波的發(fā)生，即可有效減小共模電壓幅值，并能較好兼顧輸出波形質(zhì)量。
    新型SPWM對NPC三電平并網(wǎng)逆變器三相橋臂控制方式為：以a相為例，就是一個正弦波和等幅值、反相位、位置是背靠背的兩個三角載波進行比較后得到三電平逆變器a相橋臂中4個IGBT開關(guān)管的驅(qū)動控制信號，如圖4b所示；再將正弦波調(diào)制信號分別前后移動120°，即可得到c．b兩相橋臂開關(guān)管的驅(qū)動控制信號。
    為便于比較效果，仍采用Matlab 7．0仿真分析新型SPWM控制策略應用于NPC三電平并網(wǎng)逆變器抑制共模電壓的運行情況。假設(shè)條件與常
規(guī)SPWM時相同。由仿真可見新型三電平SPWM策略比常規(guī)SPWM更有效抑制了共模電壓，進一步降低了其所帶來的負面效應，同時還能較好兼顧輸出相電流波形。

4 實驗驗證
    搭建了基于TMS320F2812+CPLD1270的2 kW三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，進行了共模電壓抑制實驗研究。實驗參數(shù)為：Udc=300 V，C1=C2=3 400μF，L=1．5mH，開關(guān)頻率為4kHz。

    圖5a，b為常規(guī)SPWM和新型SPWM策略應用于NPC三電平并網(wǎng)逆變器之后的相電流波形比較，可見后者相電流波形稍差。圖5c，d為常規(guī)SPWM和新型SPWM策略應用于NPC三電平并網(wǎng)逆變器后的共模電壓ucom波形比較?？梢姡葪l件下，采用新型SPWM時ucom的幅值降為原來的1／2，大幅減小了Ucom有效值，極大地降低了負面效應。由實驗可知，新型SPWM調(diào)制策略有效抑制了共模電壓，并兼顧了輸出相電流波形。

5 結(jié)論
    搭建了2 kW NPC三電平并網(wǎng)逆變器的實驗平臺，采用TMS320F2812+CPLD作為系統(tǒng)控制核心，通過深入分析共模電壓形成的機理，結(jié)合常規(guī)SPWM策略對共模電壓的抑制效果，提出一種新型的SPWM方法。仿真分析表明，后者調(diào)制策略優(yōu)于前者，能夠更好地抑制共模電壓。實驗結(jié)果證明提出的新型SPWM方法有效、可行，同時該方法具有一定的工程應用參考價值。