CN105140966B - 一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略 - Google Patents

一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略，其技术特点是包括以下步骤：将H桥级联光伏系统分为前半周期工作模式和后半周期工作模式，在前半周期工作模式下，逆变器输出电压为0、‑Vpv和‑2Vpv，其中，下级开关状态是保持不变的，开关S21和开关S24关断，开关S23和开关S22开通；在后半周期工作模式下，逆变器输出电压为0、+Vpv和+2Vpv，其中上级开关状态是保持不变的，开关S11和开关S14开通，开关S13和开关S12关断。本发明以H桥级联多电平逆变器为基础，在不改变系统结构、不增加系统成本的前提下，从调制策略出发，使所需载波个数较传统调制策略减少了一半，大大减少了计算量，并且使共模电压控制在一定的范围内，达到抑制漏电流的效果。

Description

一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，尤其是一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略。
背景技术
光伏发电系统由于其高额的成本，使光伏总发电量相对其他常见的能量资源较小。降低光伏系统成本，提高效率成为关键，其中一种降低成本的方法就是不使用变压器，由于非隔离型光伏逆变器和电网无电气隔离，会形成具有较低阻抗的漏电流循环路径，产生的漏电流不仅会引起电磁干扰、并网电流的畸变等问题，同时也会对设备和人身安全造成危害。国内外解决非隔离型逆变器输出共模电流问题的方法主要有硬件方法和软件方法两类。硬件方法通过在逆变器输出端增加滤波器来滤除共模电压，或者采用改进的拓扑结构，这类方法缺点是：添加硬件增加了逆变器的体积和重量，控制系统设计复杂，同时需要对所用滤波器或变压器的参数进行重新设计，降低了系统的可靠性。软件方法从控制策略入手，在不增加其他元件的情况下，采用适合的脉宽调制技术来降低共模电流。
H桥级联多电平逆变器电路是由多个两电平H桥逆变器结构单元串联构成的，这种逆变器具有设计灵活、易于模块化、容易扩展、直流侧的直流电源相互独立、更适合高功率、高电压电路、逆变器的输出电平数可更加灵活等诸多优点，基于上述特点，HB-CMI应用于较大功率光伏并网系统中具有一定的优势。如何以H桥级联多电平逆变器电路为基础并采用软件抑制非隔离型光伏系统漏电流是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、效率高、成本低的抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略，将H桥级联光伏系统分为 前半周期工作模式和后半周期工作模式，并按下述步骤处理：
步骤1、前半周期工作模式
在前半周期工作模式下，逆变器输出电压为0、-Vpv和-2Vpv，其中，下级开关状态是保持不变的，开关S21和开关S24关断，开关S23和开关S22开通，考虑上级H桥的开关状态，载波与调制波的关系分为三种：
(1)当V1>Vref<V2时，开关S11和开关S14开通，开关S13和开关S12关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va1b1＝+Vpv，Va2b2＝-Vpv；
(2)当V1>Vref>V2时，开关S14和开关S12开通，开关S11和开关S13关断，Va1N1＝0，Vb1N1＝0，Va1b1＝0，Va2b2＝-Vpv；
(3)当V1<Vref>V2时，开关S13和开关S12开通，开关S11和开关S14关断，Va1N1＝0，Vb1N1＝+Vpv，Va1b1＝-Vpv，Va2b2＝-Vpv；
步骤2、后半周期工作模式
在后半周期工作模式下，逆变器输出电压为0、+Vpv和+2Vpv，其中上级开关状态是保持不变的，开关S11和开关S14开通，开关S13和开关S12关断，只考虑下级H桥的开关状态，载波与调制波的关系分为三种：
(1)当V1>Vref<V2时，开关S23和开关S22开通，开关S21和开关S24关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv,Vb2N2＝+Vpv，Va2b2＝-Vpv；
(2)当V1>Vref>V2时，开关S21和开关S23开通，开关S24和开关S22关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv，Vb2N2＝+Vpv，Va2b2＝0；
(3)当V1<Vref>V2时，开关S21和开关S24开通，开关S23和开关S22关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv，Vb2N2＝0，Va2b2＝+Vpv；
其中，V1和V2分别表示调制后的载波电压，Vpv表示光伏电池板输出电压，Vref表示调制后的调制电压，Va1N1，Vb1N1分别表示上级H桥桥臂中点a1、b1到参考点N1的电压，Va2N2,Vb2N2分别表示下级H桥桥臂中点a2、b2到参考点N2的电压，Va1b1,Va2b2表示上级H桥和下级H桥桥臂中点a1、b1和a2、b2之间的电压，开关S11,S14，S13,S12表示上级H桥的各开关元件，S21,S24,S23,S22表示下级H桥的各开关元件。
而且，所述H桥级联光伏系统为两单元H桥级联光伏系统。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明以H桥级联多电平逆变器为基础，在不改变系统结构、不增加系统成本的前提下，从调制策略出发，使所需载波个数较传统调制策略减少了一半，大大减少了计算量，并且使共模电压控制在一定的范围内，达到抑制漏电流的效果。
2、本发明以无变压器型逆变器为基础，其系统结构简单、效率高、体积小、成本低。
3、本发明选择H桥级联多电平逆变器，其具有设计灵活，更适用于高功率、高电压电路、逆变器输出电压灵活，有利于滤波器体积减小。
附图说明
图1是H桥级联多电平逆变器电路图；
图2是本发明的原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略，是针对非隔离型光伏系统存在漏电流问题，在不改变系统结构的前提下，采用软件方法，提出一种抑制漏电流的控制方法。由于传统的调制策略不能较好地对漏电流进行抑制，并且传统调制策略所需的载波随着级联逆变器单元增多而增加，也会增大计算量。本发明以两单元H桥级联光伏系统为研究对象，如图1所示，并在传统调制策略的基础上进行改进得到一种新的调制策略，如图2所示，V1和V2分别表示改进后调制技术的载波，并且载波都在零轴以上，本发明提出的调制策略下的开关状态及共模电压如表1所示。
表1
下面对本抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制策略做进一步说明：
图1给出了两单元H桥级联光伏系统，分为上下两个H桥单元，L1，L2为滤波电感，对每个H桥单元进行分析，根据基尔霍夫定律可得：
Vcm+Va1N1-Vs-Vac＝0 (1)
Vcm+Vb1N1+Vs-Va2b2＝0 (2)
由于电网电压对漏电流几乎没有影响，因此忽略Vac，将方程(1)和(2)相加得：
2Vcm+Va1N1+Vb1N1-Va2b2＝0 (3)
进而得到共模电压的等式为：
本发明提出的调制策略如图2所示，在这种调制策略下，开关状态和共模电压如表1所示，分为两个工作模式：前半周期和后半周期。
1、前半周期(0-T/2)
在这种模式下，逆变器输出电压为0，-Vpv，-2Vpv，其中下级开关状态是保持不变的，S21，S24关断，S23，S22开通，只考虑上级H桥的开关状态，载波与调制波的关系分为三种：
(1)当V1>Vref<V2时，开关S11和开关S14开通，开关S13和开关S12关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va1b1＝+Vpv，Va2b2＝-Vpv；
(2)当V1>Vref>V2时，开关S14和开关S12开通，开关S11和开关S13关断，Va1N1＝0，Vb1N1＝0，Va1b1＝0，Va2b2＝-Vpv；
(3)当V1<Vref>V2时，开关S13和开关S12开通，开关S11和开关S14关断，Va1N1＝0，Vb1N1＝+Vpv，Va1b1＝-Vpv，Va2b2＝-Vpv。
2、后半周期(T/2-T)
在这种模式下，逆变器输出电压为0，+Vpv，+2Vpv，其中上级开关状态是保持不变的，开关S11，S14开通，S13，S12关断，只考虑下级H桥的开关状态，载波与调制波的关系分为三种：
(1)当V1>Vref<V2时，开关S23和开关S22开通，开关S21和开关S24关断，Va1N1＝Vpv， Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv,Vb2N2＝+Vpv，Va2b2＝-Vpv；
(2)当V1>Vref>V2时，开关S21和开关S23开通，开关S24和开关S22关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv，Vb2N2＝+Vpv，Va2b2＝0；
(3)当V1<Vref>V2时，开关S21和开关S24开通，开关S23和开关S22关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv，Vb2N2＝0，Va2b2＝+Vpv。
上述公式中的V1和V2分别表示调制后的载波电压，Vpv表示光伏电池板输出电压，Vref表示调制后的调制电压，Va1N1，Vb1N1分别表示上级H桥桥臂中点a1、b1到参考点N1的电压，Va2N2,Vb2N2分别表示下级H桥桥臂中点a2、b2到参考点N2的电压，Va1b1,Va2b2表示上级H桥和下级H桥桥臂中点a1、b1和a2、b2之间的电压，开关S11,S14，S13,S12表示上级H桥的各开关元件，S21,S24,S23,S22表示下级H桥的各开关元件。
从上述分析中可以看出，共模电压的最大变化值为Vpv/2，从而使共模变化限制在一定的范围内，达到抑制漏电流的效果。
为了验证上述调制策略的正确性，我们基于PSIM仿真平台搭建了仿真模型，仿真参数如下：单元光伏板容量1kW，单元直流电压相等且Vdc＝120V，寄生电容Cpv＝100nF，输出滤波电感L＝1.8mH，三角载波频率是3kHz，调制波正弦波的频率是50Hz，电网电压是240V/50Hz，系统仿真时间为0.06s，仿真步长为100ns。仿真结果如表2所示，PD(phasedisposition)，APO(alternative phase opposition),PO(phase opposition)表示三种传统的调制策略，分别为同相载波调制，相邻载波反向调制，反向载波调制。
表2漏电流有效值、逆变器输出电压THD及载波个数
结果表明，本发明的所需载波个数减少了一半。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根 据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制方法，其特征在于：将H桥级联光伏系统分为前半周期工作模式和后半周期工作模式，并按下述步骤处理：
步骤1、前半周期工作模式
在前半周期工作模式下，逆变器输出电压为0、-Vpv和-2Vpv，其中，下级开关状态是保持不变的，开关S21和开关S24关断，开关S23和开关S22开通，考虑上级H桥的开关状态，载波与调制波的关系分为三种：
(1)当V1>Vref<V2时，开关S11和开关S14开通，开关S13和开关S12关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va1b1＝+Vpv，Va2b2＝-Vpv；
(2)当V1>Vref>V2时，开关S14和开关S12开通，开关S11和开关S13关断，Va1N1＝0，Vb1N1＝0，Va1b1＝0，Va2b2＝-Vpv；
(3)当V1<Vref>V2时，开关S13和开关S12开通，开关S11和开关S14关断，Va1N1＝0，Vb1N1＝+Vpv，Va1b1＝-Vpv，Va2b2＝-Vpv；
步骤2、后半周期工作模式
在后半周期工作模式下，逆变器输出电压为0、+Vpv和+2Vpv，其中上级开关状态是保持不变的，开关S11和开关S14开通，开关S13和开关S12关断，只考虑下级H桥的开关状态，载波与调制波的关系分为三种：
(1)当V1>Vref<V2时，开关S23和开关S22开通，开关S21和开关S24关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv,Vb2N2＝+Vpv，Va2b2＝-Vpv；
(2)当V1>Vref>V2时，开关S21和开关S23开通，开关S24和开关S22关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv，Vb2N2＝+Vpv，Va2b2＝0；
(3)当V1<Vref>V2时，开关S21和开关S24开通，开关S23和开关S22关断，Va1N1＝Vpv，Vb1N1＝0，Va2N2＝+Vpv，Vb2N2＝0，Va2b2＝+Vpv；
其中，V1和V2分别表示调制后的载波电压，Vpv表示光伏电池板输出电压，Vref表示调制后的调制电压，Va1N1，Vb1N1分别表示上级H桥桥臂中点a1、b1到参考点N1的电压，Va2N2,Vb2N2分别表示下级H桥桥臂中点a2、b2到参考点N2的电压，Va1b1,Va2b2表示上级H桥和下级H桥桥臂中点a1、b1和a2、b2之间的电压，开关S11,S14，S13,S12表示上级H桥的各开关元件，S21,S24,S23,S22表示下级H桥的各开关元件；
所述开关S11、开关S12、开关S13、开关S14之间的连接关系为：开关S11的一端与开关S13的一端共同连接到光伏电池板输出电压Vpv的一端，开关S11的另一端与开关S12的一端共同连接到上级H桥桥臂中点a1上，开关S13的另一端与开关S14的一端共同连接到上级H桥桥臂中点b1上，开关S12的另一端与开关S14的另一端共同连接到光伏电池板输出电压Vpv的另一端；
所述开关S21、开关S22、开关S23、开关S24之间的连接关系为：开关S21的一端与开关S23的一端共同连接到光伏电池板输出电压Vpv的一端，开关S21的另一端与开关S22的一端共同连接到下级H桥桥臂中点a2上，开关S23的另一端与开关S24的一端共同连接到下级H桥桥臂中点b2上，开关S22的另一端与开关S24的另一端共同连接到光伏电池板输出电压Vpv的另一端；
所述上级H桥桥臂中点b1与下级H桥桥臂中点a2相连接。
2.根据权利要求1所述的一种抑制非隔离型光伏系统漏电流的调制方法，其特征在于：所述H桥级联光伏系统为两单元H桥级联光伏系统。
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