CN104811071A - 基于非隔离lcl滤波的光伏逆变器及无源解耦抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非隔离LCL滤波的光伏逆变器及无源解耦抑制方法，它包括LCL滤波器，将LCL滤波器电容公共端引出，连接到直流侧的共模电流抑制电容中点，即可大幅抑制共模电流，效果与传统方法相当，且其对直流侧箝位电容中点电位无影响，实现了共模电流抑制和中点电位问题的硬件解耦；共模电流抑制电容仅为直流侧箝位电容的百分之一左右，几乎不增加成本，且三相输出电压波形质量更好。

Description

基于非隔离LCL滤波的光伏逆变器及无源解耦抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于非隔离LCL滤波的光伏逆变器及无源解耦抑制方法。

背景技术

随着电力电子技术不断发展，电力系统中电力电子变换器渗透率日益增高，特别是多电平变换器具有谐波少、耐压高、开关应力小、电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)少等优势，广泛应用于高压直流输电、可再生能源分布式发电及微网领域。特别是T型三电平拓扑，相比于传统的NPC三电平拓扑，具有导通损耗小，空间体积小，保护简单等优点，在一定的功率等级和开关频率下，较NPC三电平拓扑有着更高的能量密度和更高的效率，因此逐渐成为市场主流。

非隔离式光伏并网逆变器结构不含变压器(高频和低频)，拥有变换效率高，体积、重量和成本低的绝对优势，迅速得到各国科研人员的重视和工业界的应用。但是，变压器的消除使得光伏电池板和电网有了电气连接，在其寄生对地电容上产生成分复杂的共模电流，带来安全隐患。因此，共模电流的消除成为了非隔离式并网逆变器得以普及而必须跨越的障碍。

传统非隔离型三相三电平LCL滤波的光伏逆变器采用基于SVM调制方法的共模电流抑制方法，调节每一开关周期各矢量作用时间，使得共模电压幅值降低，共模电流得到抑制，但是效果有限，且输出谐波增加。采用有源EMI滤波器虽然能够大幅抑制漏电流，但是增加了控制复杂度和成本。采用无源方案抑制共模电流方法简单，无需控制，但是传统方法将LCL滤波器电容中性点引出，接到直流侧箝位电容中点，将对三电平逆变器中点电位造成影响，引起中点电位不平衡和低频振荡，降低输出波形质量。改进调制策略虽然能够解决该问题，但是方法复杂，计算量大，不利于应用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于非隔离LCL滤波的光伏逆变器及无源解耦抑制方法，本装置将LCL滤波器电容公共端引出，连接到直流侧的共模电流抑制电容中点，即可大幅抑制共模电流，效果与传统方法相当，且其对直流侧箝位电容中点电位无影响，实现了共模电流抑制和中点电位问题的硬件解耦；共模电流抑制电容仅为直流侧箝位电容的百分之一左右，几乎不增加成本，且三相输出电压波形质量更好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于非隔离LCL滤波的光伏逆变器，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，在并联的各桥臂输入端接入直流电压源；输入电压源并联有两组直流滤波电容，每组包括两个串联的直流滤波电容，其中一组的两个直流滤波电容的连接点连接LCL滤波器电容、电感支路公共端；所述两个串联的IGBT管的连接点处一侧串联有两个方向不同的IGBT管，另一侧经LCL滤波器与电阻连接；另外一组的两个直流滤波电容的连接点连接三相桥臂中的两个方向不同IGBT管的一端，各个IGBT管均由控制电路驱动；

所述LCL滤波器，包括变换器侧滤波电感、网侧滤波电感及与两电感并联的电容支路，其中，变换器侧滤波电感支路包括三个，每个支路均包括一个滤波电感，所述滤波电感分别连接在三相桥臂的中点处，变换器侧滤波电感支路连接网侧滤波电感支路，网侧滤波电感支路连接在电网侧，电容支路包括三条支路，每条支路包括一个电容。

所述控制电路包括保护电路、驱动电路、采样调理电路，采样调理电路连接DSP模块，DSP模块与保护电路双向通信，DSP模块连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。

所述采样调理电路采集输入电压源的直流电压、直流电流、滤波器输出的三相电压值大小。

所述两组电容其中一组中点为共模电流抑制电容，容值大约几到十几微法；另一组为中点箝位电容，容值几百到几千微法。

基于上述逆变器系统的共模电流无源解耦抑制方法，具体为：

(1)幅值周期相同的调制电路的三角载波U_c1和U_c2对称分布于调制波的正负半波，通过与每相桥臂的调制波U_{x_ref}(x＝a，b，或c)比较，得出所需要的PWM信号；

(2)U_c1与U_{x_ref}比较得到该相桥臂的两组串联的IGBT管中靠近直流电源正极的S_x1、S_x3管的两路互补信号；

(3)U_c2与U_{x_ref}比较得到两组串联的IGBT管中靠近直流电源负极S_x2、S_x4管的两路互补PWM信号，将得到的PWM信号送到驱动电路。

本发明的有益效果为：

(1)对比传统基于SVM的共模电流抑制方法，本发明方法共模电流得到大幅抑制，且输出波形质量好；

(2)对比有源EMI滤波器方法，本发明方法能够大幅抑制共模电流，且无需控制，应用方便；

(3)对比传统无源抑制方案，本发明方法效果相当，且其对直流侧箝位电容中点电位无影响，实现了共模电流抑制和中点电位问题的硬件解耦；

(4)本方法的直流侧共模电流抑制电容很小，仅为直流侧箝位电容的百分之一左右，几乎不增加成本，且三相输出电压波形质量更好，具有较高的应用价值。

附图说明

图1为LCL滤波的T型三电平光伏逆变器系统结构图；

图2为LCL滤波的T型三电平光伏逆变器的共模等效电路；

图3为采用SVM调制方法一个开关周期内共模电压的波形图；

图4为采用基于SVM的共模电流抑制方法一个开关周期内共模电压的波形图；

图5为采用传统无源共模电流抑制方法的T型三电平光伏逆变器系统结构图；

图6为采用传统无源共模电流抑制方法的T型三电平光伏逆变器共模等效电路；

图7为采用本发明方法的T型三电平光伏逆变器系统结构图；

图8为采用本发明方法的T型三电平光伏逆变器共模等效电路；

图9为不采用共模电流抑制方法的共模电流波形、三相输出波形；

图10为采用传统无源共模电流抑制方法的共模电流波形、三相输出波形；

图11为采用本发明方法的共模电流波形、三相输出波形；

图12为采用本发明方法的T型三电平光伏逆变器控制电路图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1为LCL滤波的T型三电平光伏逆变器系统结构图，主电路为T型三电平逆变器，直流侧电容中点连接各项桥臂的两个方向不同IGBT管的一端，滤波器为LCL滤波器。系统输出端与负载或电网相连。

幅值周期相同的三角载波U_c1和U_c2对称分布于调制波的正负半波，通过与调制波U_{x_ref}(x＝a，b，或c)比较，得出所需要的PWM信号。U_c1与U_{x_ref}比较得到S_x1、S_x3管的两路互补信号；U_c2与U_{x_ref}比较得到S_x2、S_x4管的两路互补PWM信号。最后将得到的PWM信号送到驱动电路。

信号调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信号。AD转换器的采样与转换由DSP进行控制，将调理好的模拟信号转换为数字量。数字信号的处理以及SPWM控制、PWM产生均由DSP实现，最终生成的PWM信号送给驱动电路去控制IGBT管的开通与关断。

图2为LCL滤波的T型三电平光伏逆变器的共模等效电路，包含共模电压u_cm、滤波电感L和L_g、光伏电池寄生电容C_pv、受控电压源1/2C∫i_npdt。可以看出共模电流受交流侧滤波器、直流侧箝位电容、中点电流、光伏电池寄生电容影响，最终经C_pv流入大地。

图3为采用SVM调制方法一个开关周期内共模电压的波形图，可以看出V_N大小在V_DC与V_DC/6之间变化剧烈，其中V_N大小直接影响共模电压，即u_cm大小，也即影响共模电流大小。图4为采用基于SVM的共模电流抑制方法一个开关周期内共模电压的波形图，可以看出V_N大小在V_DC/2与V_DC/3之间变化，共模电压得到抑制，共模电流减少，但是其幅值依然较大，且包含有大量谐波成分。

图5为采用传统无源共模电流抑制方法的T型三电平光伏逆变器系统结构图，LCL滤波器电容中性点引出，接到直流侧箝位电容中点。对O点电流进行分析可知，中点电流包含i_o成分，对i_np大小产生影响。图6为采用传统无源共模电流抑制方法的T型三电平光伏逆变器共模等效电路，包含共模电压u_cm、滤波电感L和L_g、滤波电容C_f、光伏电池寄生电容C_pv、受控电压源1/2C∫(i_np-i_o)dt。可以看出共模电流受交流侧滤波器、直流侧箝位电容、中点电流、光伏电池寄生电容影响，而且经过了滤波电容C_f和光伏电池寄生电容C_pv分流，最终经C_pv流入大地。

图7为采用本发明方法的T型三电平光伏逆变器系统结构图，输入电压源并联有两组电容，每组由两个电容串联形成；两组中其中一组为共模电流抑制电容，容值大约几到十几微法，中点连接到LCL滤波器电容公共端；另一组为中点箝位电容，容值几百到几千微法。对O点电流进行分析可知，中点电流不包含i_o成分，对i_np大小不产生影响。图8为采用本发明方法的T型三电平光伏逆变器共模等效电路，包含共模电压u_cm、滤波电感L和L_g、滤波电容C_f、共模电流抑制电容C_m、光伏电池寄生电容C_pv、受控电压源1/2C∫i_npdt。可以看出共模电流受交流侧滤波器、共模电流抑制电容、直流侧箝位电容、中点电流、光伏电池寄生电容影响，其中共模电流抑制电容C_m滤波电容C_f的串联，共模电流经过了该串联支路与光伏电池寄生电容C_pv分流，最终经C_pv流入大地。

图9为不采用共模电流抑制方法的共模电流波形、三相输出波形，可以看到共模电流幅值在2A左右，三相输出电压含有明显高频谐波成分，电能质量恶化。图10为采用传统无源共模电流抑制方法的共模电流波形、三相输出波形；可以看到共模电流幅值在0.005A左右，得到大幅抑制，三相输出电压波形较好。图11为采用本发明方法的共模电流波形、三相输出波形，可以看到共模电流幅值在0.01A左右，得到大幅抑制，效果与传统方法相当，且可以看出三相输出电压波形质量更好。

表1 三种情况下的输出电压总谐波畸变率THD

采用共模电流抑制方法	输出电压总谐波畸变率THD(％)
		无共模电流抑制方法	4.92
传统无源共模电流抑制方法	0.63
		采用本发明方法	0.52

表1总结了不采用共模电流抑制方法、采用传统无源共模电流抑制方法和采用本发明方法三种情况下的输出电压总谐波畸变率THD，可以看出本发明方法输出电压总谐波畸变率最低，波形质量明显高于传统无源共模电流抑制方法。

图12为LCL滤波的T型三电平光伏逆变器的控制电路图。控制电路包括保护电路、驱动电路和采样调理电路，采样调理电路包括直流电压Idc、直流电流I_dc以及滤波器输出的三相电压U_a、U_b、U_c，信号调理电路和控制电压具有过/欠压保护和过流保护；驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。

因此，采用本发明方法可以大幅抑制LCL滤波的T型三电平光伏逆变器的共模电流，效果与传统方法相当，且其对直流侧箝位电容中点电位无影响，实现了共模电流抑制和中点电位问题的硬件解耦；共模电流抑制电容仅为直流侧箝位电容的百分之一左右，几乎不增加成本，且三相输出电压波形质量更好，具有较高的应用价值，在光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池等可再生能源领域前景广阔。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于非隔离LCL滤波的光伏逆变器，其特征是：包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，在并联的各桥臂输入端接入直流电压源；输入电压源并联有两组直流滤波电容，每组包括两个串联的直流滤波电容，其中一组的两个直流滤波电容的连接点连接LCL滤波器电容、电感支路公共端；所述两个串联的IGBT管的连接点处一侧串联有两个方向不同的IGBT管，另一侧经LCL滤波器与电阻连接；另外一组的两个直流滤波电容的连接点连接三相桥臂中的两个方向不同IGBT管的一端，各个IGBT管均由控制电路驱动；

所述LCL滤波器，包括变换器侧滤波电感、网侧滤波电感及与两电感并联的电容支路，其中，变换器侧滤波电感支路包括三个，每个支路均包括一个滤波电感，所述滤波电感分别连接在三相桥臂的中点处，变换器侧滤波电感支路连接网侧滤波电感支路，网侧滤波电感支路连接在电网侧，电容支路包括三条支路，每条支路包括一个电容。

2.如权利要求1所述的基于非隔离LCL滤波的光伏逆变器，其特征是：所述控制电路包括保护电路、驱动电路、采样调理电路，采样调理电路连接DSP模块，DSP模块与保护电路双向通信，DSP模块连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。

3.如权利要求1所述的基于非隔离LCL滤波的光伏逆变器，其特征是：所述采样调理电路采集输入电压源的直流电压、直流电流、滤波器输出的三相电压值大小。

4.基于如权利要求1-3中任一项所述的逆变器的共模电流无源解耦抑制方法，具体为：

(1)幅值周期相同的调制电路的三角载波U_c1和U_c2对称分布于调制波的正负半波，通过与每相桥臂的调制波U_{x_ref}(x＝a，b，或c)比较，得出所需要的PWM信号；

(2)U_c1与U_{x_ref}比较得到该相桥臂的两组串联的IGBT管中靠近直流电源正极的S_x1、S_x3管的两路互补信号；

(3)U_c2与U_{x_ref}比较得到两组串联的IGBT管中靠近直流电源负极S_x2、S_x4管的两路互补PWM信号，将得到的PWM信号送到驱动电路。