文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181221
中文引用格式: 路蓮,,邊敦新,黃鈺,,等. 新型單相不對稱五電平無變壓器型光伏逆變器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(12):135-138,,142.
英文引用格式: Lu Lian,Bian Dunxin,,Huang Yu,,et al. A novel single-phase asymmetrical five-level transformerless photovoltaic inverter[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(12):135-138,,142.
0 引言
在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中,,傳統(tǒng)的兩電平逆變器只有兩個輸出電平+vPV和-vPV,在高頻開關(guān)下工作,,會帶來很大的電流諧波,、功率損耗和電磁干擾等問題,不能向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量電能[1-2],。
多電平逆變器(Multilevel Inverters,,MLI)可以利用低功率器件獲得高壓,輸出多個不同電壓等級,,降低總諧波失真(THD),,減小了濾波器尺寸,同時具有器件開關(guān)頻率低,、損耗小,、電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn),在高壓大功率場合得到廣泛應(yīng)用[3-5],。常規(guī)的多電平逆變器拓?fù)浞譃槿N:中性點(diǎn)鉗位(NPC),、飛跨電容(FC)和級聯(lián)H橋(CHB)多電平逆變器[6-8]。NPC-MLI多電平逆變器電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制控制方法簡單,,不需要額外的獨(dú)立直流電源,,但需要較多數(shù)量的鉗位二極管;FC-MLI的開關(guān)狀態(tài)組合靈活,,需要大量的箝位電容和考慮飛跨電容電壓不平衡等問題,。CHB-MLI不需箝位二極管和箝位電容,控制方式簡單,,但需要數(shù)量眾多的獨(dú)立直流電壓源[9-10],。如何在保證相同電平輸出的同時減少電力電子器件數(shù)量是目前研究多電平逆變器的重點(diǎn)。不對稱多電平逆變器的提出滿足這一需求[11-13],。文獻(xiàn)[11]將對稱和不對稱的兩種逆變器結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析,,級聯(lián)不對稱拓?fù)錇榫烹娖侥孀兤鞣抡孑敵觯Y(jié)論與傳統(tǒng)MLI相比,不對稱MLI能夠保證最大電平輸出并具有更少的開關(guān)管,、二極管和電容器等器件,。在提出的新型不對稱五電平[12]和七電平[13]逆變拓?fù)渲械玫酵瑯拥尿?yàn)證。
本文從減少開關(guān)器件,,確保電平輸出的角度出發(fā),,提出了一種單相不對稱T型五電平逆變拓?fù)洌ˋsymmetric T-type five-level HB,A-T5L-HB),。該拓?fù)湓谙鄳?yīng)的開關(guān)控制策略之下,,完成了五電平輸出。對于無變壓器型逆變器,,為保證能夠安全并網(wǎng)工作,,該拓?fù)涞穆╇娏饕卜蠂H標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。
1 A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
新型A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。它由基本H橋和T型橋兩部分組成,,其中T型橋位于H橋和直流分壓電容C1、C1之間,,是一對相反的功率管和二極管組成的并聯(lián)橋路,。該拓?fù)溆每呻p向?qū)ǖ纳倭康拈_關(guān)器件在相應(yīng)的調(diào)制策略下實(shí)現(xiàn)五電平輸出,無需考慮電容電壓不平衡問題,,效率高于傳統(tǒng)多電平逆變器,,泄露電流也符合國際標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 工作原理
為了完整地輸出五電平,,圖2(a)~(f)分別描述了A-T5L-HB拓?fù)湔?fù)半周期的六個工作狀態(tài),,詳細(xì)過程闡述如下:
(1)工作狀態(tài)1,在載波信號的正半周期,,S1,、S4導(dǎo)通,其他關(guān)斷,,對應(yīng)基本H橋正常工作狀態(tài),,如圖2(a)所示。電流通過開關(guān)管S1,、濾波電感L1,、電網(wǎng)Ug、濾波電感L2,,經(jīng)開關(guān)管S4返回,。此時輸出電壓vAB=vPV。
(2)工作狀態(tài)2,,無功傳輸階段,,開關(guān)管S4保持導(dǎo)通,,開關(guān)管S1關(guān)斷,S6導(dǎo)通,,二極管D2承受正向電壓導(dǎo)通,如圖2(b)所示,。電流通過開關(guān)管S4,、分壓電容C2、二極管D2和開關(guān)管S6流向?yàn)V波電感和電網(wǎng),。此時輸出電壓vAB=vPV/2,。
(3)工作狀態(tài)3,在開關(guān)管S5導(dǎo)通的死區(qū)時間,,導(dǎo)通開關(guān)管S3和S4,,電流流向如圖2(c)所示,此時輸出電壓為vAB=0,。
(4)工作狀態(tài)4,,在載波信號的負(fù)半周期,S2,、S3導(dǎo)通,,其他關(guān)斷,對應(yīng)基本H橋正常工作狀態(tài),,如圖2(d)所示,。電流通過開關(guān)管S2、濾波電感L2,、電網(wǎng)Ug,、濾波電感L1,經(jīng)開關(guān)管S3返回,。此時輸出電壓vAB=-vPV,。
(5)工作狀態(tài)5,無功傳輸階段,,開關(guān)管S2保持導(dǎo)通,,開關(guān)管S3關(guān)斷,S5導(dǎo)通,,二極管D1承受正向電壓導(dǎo)通,,如圖2(e)所示。電流通過二極管D1和開關(guān)管S5,、分壓電容C2和開關(guān)管S2流向?yàn)V波電感和電網(wǎng),。此時輸出電壓vAB=-vPV/2。
(6)工作狀態(tài)6,,在開關(guān)管S6導(dǎo)通的死區(qū)時間,,導(dǎo)通開關(guān)管S1和S2,,電流流向如圖2(f)所示,此時輸出電壓為vAB=0,。
綜上所述,,這六個工作狀態(tài)在相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動下完成了-vPV、-vPV/2,、0,、vPV/2和vPV五個電平的電壓輸出。
2 開關(guān)驅(qū)動信號
為更清晰地觀察開關(guān)狀態(tài),,將上述六個工作狀態(tài)總結(jié)如下,,具體如表1所示。vAN和vBN分別表示A,、B兩點(diǎn)的對地電壓,,vAB為逆變輸出電壓,vPV為光伏直流電源電壓,。數(shù)字1和數(shù)字0用以表示開關(guān)S1~S6的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài),,“1”代表開關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài),“0”代表開關(guān)為關(guān)斷狀態(tài),。
根據(jù)五電平逆變器工作狀態(tài)的分析,,可以總結(jié)出6個開關(guān)管S1~S6的開關(guān)狀態(tài)。其中,,開關(guān)管S2和S4在電網(wǎng)周期內(nèi),,以基波頻率開斷一次,正半周期,,S4始終導(dǎo)通,,S2保持關(guān)斷;負(fù)半周期,,S2始終導(dǎo)通,,S4保持關(guān)斷。開關(guān)管S1和S3在不同電平階段以高頻方式開斷,。開關(guān)管S5(或S6)與S1和S3以互補(bǔ)方式開斷,。根據(jù)傳統(tǒng)的多電平逆變器載波位移的控制策略,結(jié)合提出五電平逆變器開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài),,研制載波移相CPS-PWM(Carrier Phase Shift-PWM)控制策略,,如圖3所示。將三角載波信號分成四個等寬的載波信號,,載波信號的初始相位依次移動90°,,與參考正弦波信號相比較得出控制開關(guān)管的脈沖信號。 在水平和垂直方向分成四個區(qū)域,,代表逆變器不同的工作狀態(tài)和不同的電平分區(qū),。區(qū)域1:對應(yīng)工作狀態(tài)1,,輸出電平從vPV/2變?yōu)関PV;區(qū)域2:對應(yīng)工作狀態(tài)2,,輸出電平從0變?yōu)関PV/2,;區(qū)域3:對應(yīng)工作狀態(tài)5,輸出電平從0變?yōu)?vPV/2,;區(qū)域4:對應(yīng)工作狀態(tài)4,,輸出電平從-vPV/2變?yōu)?vPV。
3 仿真驗(yàn)證
為了驗(yàn)證A-T5L-HB拓?fù)湓贑PS-PWM控制策略的五電平輸出,,在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真。圖4仿真輸出的是載波在低頻下的開關(guān)驅(qū)動狀態(tài),,與開關(guān)驅(qū)動信號中的分析一致,,調(diào)整為高頻驅(qū)動分別用于新型拓?fù)溟_關(guān)S1~S6的控制。
新型A-T5L-HB逆變拓?fù)涞姆抡孑敵鋈鐖D5所示,。在圖5中可以觀察到輸出電壓vAB的波形,,在光伏直流電源值為400 V時,五電平輸出分別為-400 V,、-200 V,、0 V、200 V和400 V,。對輸出電壓vAB的波形進(jìn)行FFT分析,,結(jié)果在圖6中給出,電壓的諧波畸變率THD為28.44%,,與文獻(xiàn)5中記錄的傳統(tǒng)級聯(lián)單相五電平逆變器(THD為36.56%)相比較,,諧波畸變率下降。負(fù)載電流輸出波形如圖7所示,,近似為正弦波輸出,,但有諧波注入。對該波形進(jìn)行FFT分析,,結(jié)果如圖8所示,,得出負(fù)載電流的THD為4.23%,符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE-1000的規(guī)定,,并網(wǎng)電流諧波畸變因數(shù)(THD)在5%以下,。
對于無變壓器型逆變器,因共模電壓不穩(wěn)定造成的漏電流依然會有電磁傳導(dǎo)和諧波注入等問題,,嚴(yán)重時對人身安全構(gòu)成威脅,,所以安規(guī)中對于漏電流的限制為不超過300 mA。共模電壓和漏電流的波形如圖9和圖10所示,。理論上,,共模電壓應(yīng)該穩(wěn)定為某一定值,,但由于五電平逆變器電壓輸出多個電平,共模電壓值在100 V~200 V之間波動,,具體波形如圖9所示,。由此引發(fā)的漏電流在逆變器工作時不規(guī)則變動,波形如圖10所示,??梢钥吹剑娏髦翟谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化,,峰值最高在100 mA附近,,未超過安全范圍。
4 結(jié)論
本文提出了一種新型不對稱五電平逆變拓?fù)?,即A-T5L-HB拓?fù)?。介紹了該拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)并詳細(xì)分析了它的工作原理,研制了相應(yīng)的載波移相(CPS-PWM)控制策略,,最后用仿真進(jìn)行了驗(yàn)證,,得出以下結(jié)論:(1)新型A-T5L-HB拓?fù)溆?個開關(guān)管和2個二極管組成,與傳統(tǒng)的五電平逆變器相比較,,具有更少的電力電子器件和損耗,;(2)新型A-T5L-HB拓?fù)湓贑PS-PWM控制策略下完成了五電平輸出,輸出電壓和電流的諧波畸變小,,能夠很好地應(yīng)用于光伏逆變系統(tǒng),;(3)由于缺少電氣隔離,漏電流不可避免,,新型A-T5L-HB拓?fù)湟蚬材k妷翰▌右鸬穆╇娏鞣蠘?biāo)準(zhǔn)范圍,,因此該拓?fù)湓诠夥到y(tǒng)中能夠安全可靠運(yùn)行。
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作者信息:
路 蓮,,邊敦新,,黃 鈺,甘德強(qiáng)
(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,,山東 淄博255049)