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

1 引言
    在光伏技術產業(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。結合二極管中點箝位(NPC)三電平逆變器拓撲結構，分析了共模電壓產生機理，通過優(yōu)化調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構并分析共模電壓產生機理，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、三電平逆變器、L濾波器及電網，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，關斷VSa1，VSa4時，輸出電壓為零；當開通VSa3，VSa4，關斷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)量的增加使開關有效狀態(tài)增加到27個，如圖2所示。

    假設電網三相對稱，將這些開關狀態(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中點的電壓。由計算得，三電平逆變器會產生共模電壓，幅值為±Udc／6，±Udc／3和0，而|du／dt|=Udc／6。其開關狀態(tài)與共模電壓對應關系如圖3所示。但在這些開關狀態(tài)中，(210)，(120)，(021)，(012)，(102)，(201)和(111)這7種狀態(tài)不會產生共模電壓，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開關管驅動控制信號，如圖4a所示；再將正弦波調制信號分別前后移動120°，經過與相同載波比較后得到c，b兩相橋臂IGBT開關管的驅動控制信號。通過Matlab 7．0仿真分析常規(guī)SPWM控制策略用于圖1所示NPC三電平并網逆變器的工作情況。為便于分析，假設直流側電容電壓不發(fā)生中點電位偏移，直流側電壓Udc=300V。由仿真可知，在該調制策略下，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三電平并網逆變器共模抑制的效果，再結合圖3中各開關狀態(tài)組合及對應的共模電壓大小?？擅黠@判斷，只要對常規(guī)SPWM調制策略進行改進，增加一個限定條件：僅選擇開關狀態(tài)組合后Ucom≤Udc／6的開關狀態(tài)參與調制波的發(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量。
    新型SPWM對NPC三電平并網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開關管的驅動控制信號，如圖4b所示；再將正弦波調制信號分別前后移動120°，即可得到c．b兩相橋臂開關管的驅動控制信號。
    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三電平并網逆變器抑制共模電壓的運行情況。假設條件與常
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 結論
    搭建了2 kW NPC三電平并網逆變器的實驗平臺，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，后者調制策略優(yōu)于前者，能夠更好地抑制共模電壓。實驗結果證明提出的新型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。