解析三電平光伏并網(wǎng)逆變器共模電壓SVPWM抑制

^OOCNjcwn找電源工作 上電源英才網(wǎng)引言目前，多電平變流器以其突出的優(yōu)點在高壓大功率變流器中得到了日益廣泛的應(yīng)用，它不僅能減少輸出波形的諧波，也易于進(jìn)行模塊化設(shè)計。二極管中點箝位式(NPC)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即是高壓大功率變頻器的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。然而在三電平變流器的應(yīng)用中，也出現(xiàn)了一些問題，特別是共模電壓問題。目前，變頻器共模電壓的抑制方法主要有兩種：一是外加無源濾波器等或有源濾波器，這類方法會導(dǎo)致體積和成本顯著增加，且不易應(yīng)用于高壓大容量場合；二是通過控制策略從源頭減小共模電壓。一種SPWM消除共模電壓的調(diào)制方法是通過異相調(diào)制來消除開關(guān)共模電壓,但是存在直流電壓利用率低、線性調(diào)制區(qū)過小的問題。針對SPWM調(diào)制的電壓利用率低、不利于運用于各種調(diào)制比工況下的缺點，本文從三電平逆變器共模電壓形成機理出發(fā)，提出了一種基于優(yōu)化電壓空間矢量(SVPWM)方法，可有效抑制三電平逆變器輸出共模電壓。并通過Matlab/Simulink軟件對該方法進(jìn)行了仿真驗證，結(jié)果表明效果良好。光伏三電平逆變器及其共模電壓畑2亠-卜仆 0-11三電平天里圖畑2亠-卜仆 0-11三電平天里圖本文研究的三電平光伏逆變器系統(tǒng)如圖1所示。其輸入為光伏陣列的直流電壓，逆變器主拓?fù)錇镹PC三電平結(jié)構(gòu)。設(shè)直流母線電壓的幅值為Vdc,用開關(guān)狀態(tài)字T”、“0”和“-T分別表示逆變器每相輸出為+Vdc/2、0和-Vdc/2的三種狀態(tài)，則三相三電平逆變器總共有27種不同的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)幅值和相位可以畫出三電平逆變器的電壓空間矢量圖，具體如圖2所示。表1輸出控制字與共模電壓的關(guān)系

找電源工作 上電源英才網(wǎng)三電平逆變器開關(guān)狀態(tài)A111B110101011C1-11,11-1-111,001,010,100D000.10-1.1-10.01-1,0-11.-110.-1010E-11-1-1-11,1-1-1,0-10,00-1,-100F0-1-1.-10-1,-1-10G-1-1-1電源英才網(wǎng)電源英才網(wǎng)對于三電平逆變器而言，必須保證輸出電壓的基波分量幅值與輸出頻率成一定的正比關(guān)系變化，其共模電壓的計算與它們的觸發(fā)方式有關(guān)。設(shè)Ua、Ub、Uc分別為逆變器的三相相電壓。根據(jù)三相三線制的對稱性原理，推得三相輸出電壓波形的共模電壓為：□⑶U仏口」譏1)因而，對應(yīng)三相三電平每一種開關(guān)序列的共模電壓大小如表1所示。0 C.005 0.01 0.015Time晟0 C.005 0.01 0.015Time晟ooOoO22〔占ill園OA圖3普通SVPWM下共模電壓波形通常的空間矢量調(diào)制策略都會使用圖2中所記載的19種有效矢量，以達(dá)到直流母線電壓利用率高，輸出諧波小。但是會帶來較大的輸出共模電壓，最高VCM幅值會達(dá)到了Vdc/3。圖3顯示的是母線電壓Vdc=600V時，一種普通SVPWM產(chǎn)生的共模電壓最大幅度達(dá)到了200V,這樣大的共模電壓會對系統(tǒng)造成很大的不利影響。抑制共模電壓SVPWM原理

^OOOIXMn^OOOIXMn找電源工作 上電源英才網(wǎng)從表1中的27種狀態(tài)可以看出，對于可控的PWM輸出波來講，其輸出共模電壓的幅值在0Vdc?Vdc/2之間變化。欲減小共模電壓，應(yīng)盡量不使3個輸出端與同一“+”極性端或“-”極性端連接，避免2個端子一起接到“+”極性端或“-”極性端，而另一個端子接到直流中性點，如使用表中D類的7個狀態(tài)字，此時逆變器的輸出共模電壓為0,但不能只選用D類矢量，因為那樣雖能很好的抑制共模干擾，但卻因為少的合成矢量會造成參考電壓過渡不平滑，使得逆變器輸出線線間電壓波形變差，因此需要均衡考慮共模差模問題。本文所研究的SVPWM算法中，就是選擇合理輸出共模電壓較小的矢量來合成參考電壓矢量。由表1可見（111、-1-1-1），（110、101、011、0-1-1、-10-1、-1-10）八個開關(guān)狀態(tài)造成了很大的共模干擾，因此，本研究就避開這八個開關(guān)狀態(tài)（即圖2中方框中的矢量），這樣就能從源頭上降低逆變器的共模輸出電壓。本文具體采用CDE三類矢量，這樣，理論上即可以把逆變器輸出共模電壓幅值降為Vdc/6。然而可用矢量的減少使得無法采用傳統(tǒng)的七段式脈沖觸發(fā)序列，因此，本策略采用五段式脈沖觸發(fā)序列。基于以上分析，可依據(jù)下列步驟實現(xiàn)SVPWM算法：確定當(dāng)前矢量的幅值和角度；判斷參考矢量所處的扇區(qū)及區(qū)域；確定構(gòu)成該矢量的實際開關(guān)矢量；確定開關(guān)矢量的作用時間及工作順序。VODODV9-11-1EAVl：100+Vdc-2--Vrcz1-VODODV9-11-1EAVl：100+Vdc-2--Vrcz1-+VA1-2-I(]-Vtfa2-1001011-1-1101100BI1I*本文以圖41扇區(qū)F區(qū)為例，在F區(qū)中各矢量持續(xù)時間為:門□2T0jctsun(-TOC\o"1-5"\h\z|J 'ngi.□2K7'Sin￡70 v■:i!：： sir(-0C007,o -3 ￥式2中：ta、tb、tc分別表示矢量V1、V8、V7在一個PWM周期內(nèi)的持續(xù)時間；A為輸

電源英才網(wǎng)找電源工作上電源英才網(wǎng)電源英才網(wǎng)找電源工作上電源英才網(wǎng)出電壓調(diào)制比，Ts為開關(guān)周期。開關(guān)變換次序為（100、10-1、1-1-1、10-1、100），考慮共模電壓抑制后的輸出矢量時序如圖5所示。對于該扇區(qū)的其它小三角形，按照以上過程，確定矢量作用順序，計算三角形頂點開關(guān)矢量作用時間。同理，可以計算出其他扇區(qū)內(nèi)各三角形頂點開關(guān)矢量作用時間。仿真驗證和分析根據(jù)三電平NPC逆變器數(shù)學(xué)模型和控制策略，驗證本文提出的三電平空間矢量調(diào)制算法及其共模電壓抑制策略的有效性，針對三相電網(wǎng)負(fù)載進(jìn)行了仿真研究，使用的是MATLAB7.0。以Simulink為平臺，SimPowerSystem工具箱為輔助。考慮到用最短的時間得到結(jié)論，模塊中的控制算法用基于解釋的S文件實現(xiàn)。三電平五段法在每個采樣周期內(nèi)有一相開關(guān)不動作,比三電平七段法減少了每個采樣周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)，從而減小了開關(guān)損耗，提高了效率。由于在一個開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)減少了，逆變輸出電壓（電流）的THD有所增大，這就對控制器參數(shù)和輸出濾波器的設(shè)計有了更高的要求。圖6NPC三電平仿真模型圖6為NPC三電平逆變器的總體結(jié)構(gòu)框圖，其中Three-levelBridge為NPC逆變器主拓?fù)?，Three-phaseV-IMeasurement為主測量模塊，SVPWM模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生PWM波。仿真參數(shù)和試驗波形如下：電網(wǎng)參數(shù)：Em=200V,f=50Hz，濾波電感：LS=1.28mH。直流母線電壓Vdc=600v。開關(guān)頻率fS=10kHz，采樣頻率fN=10kHz。圖7至圖10為仿真試驗結(jié)果波形圖。對三相輸出的相電壓和線電壓的頻譜進(jìn)行分析，線電壓的THD為1.25%，經(jīng)輸出電感濾波后得到正弦波幅值為311.4乂THD下降到0.27%,如圖8所示。相電壓的THD為23.96%,主要表現(xiàn)為3次諧波，與普通SVPWM/控制策略下輸出相電壓（圖9）相比較可知,諧波含量還略有下降。找電源工作 上電源英才網(wǎng)■4LO25oDjDIaazaoilineFkrdanenld>：5￡iHz：i-315.1eTHD-Z3.9Wrn-苗on■4LO25oDjDIaazaoilineFkrdanenld>：5￡iHz：i-315.1eTHD-Z3.9Wrn-苗on-500Daa-l0j02DjO3￡i時一石>D2flD40C?QMSCOIODOFrtqitnqr(H:■-n10JI200 +00 ?SOOFntqutrxy^Hz-543:THD-I冷*IQsG+2-迥匚4wp.ru耐1000(a) (b)+J圖T該SVP控制下的線電壓、相電壓波形：屮<a)輸出相電壓；(b)輸出線電壓d40ms.rauo>lu2-4DD ■= 1 1 D U.D1D.U2D.D340ms.rauo>lu2-4DD ■= 1 1 D U.D1D.U2D.D3Time(s)Fundamental(50l-b)=311.4,THD=D.27^00口0022■MtffITI'lo>-<ij0 0.01 0.02O.LG：Time住)Fundamental(50Hz)=315.1.THD=Sti.10%閣8濾波后線電壓波形閤9晉通SVFWM輸出相電壓波那*圖10為采用優(yōu)化SVPWM算法后的共模電壓仿真波形。從圖中可以明顯看出，該方法可將共模電壓完全抑制到直流電壓的1/6,為100V。MEErall口>MEErall口>DD-u-uDDD211■2UU 1 c 1—D.D2D.D25 0.D3 0.D35Time(s)圖10輸出共模電壓波形結(jié)束