CN110535365B - 三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统。所述系统包括直流供电系统，三相三电平ANPC逆变电路，三相限流电容，滤波电路，三相负载。直流供电系统提供直流电压，三相三电平ANPC逆变电路包括逆变主电路和两个相同的支撑电容，三相限流电容包括三个相同的限流电容。滤波电路包括两种不同电路结构并且拉回直流母线中点，三相负载包括三条交流母线。本发明所设计的一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统使用辅助电容电感数量少，占用体积小，能在高开关频率工作环境中，协同抑制三相共模电流与开关损耗。

Description

三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统

技术领域

本发明涉及一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统，属于电力电子变流器领域。

背景技术

逆变系统中普遍存在对地共模寄生电容，共模寄生电容与地形成共模回路，易产生共模电流，对逆变性能产生影响。同时，在逆变系统中，较高的开关频率能很好地提高逆变效率但会显著增加开关损耗。这两点在非隔离型的光伏逆变器中尤为严重，不含有变压器的非隔离型光伏逆变器凭借效率高、体积小等优势获得了很大关注。但是由于缺少变压器隔离，光伏系统和大地之间存在共模回路，在共模回路中共模电压不断变化，引起共模回路中电容、电感充放电，形成共模电流，共模电流会引起并网电流畸变、电磁干扰等问题，还会造成潜在的人身安全隐患。同时，光伏逆变器的高开关频率使开关管的单位时间内开关次数更多，引起了开关损耗上升，较大的系统开关损耗会导致逆变系统效率下降，并且需要更多的散热设备来处理开关损耗所产生的发热，增大了系统体积。

因此，在高频条件下抑制逆变器的共模电流同时降低系统开关损耗已经成为研究的热点问题，这既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，如发明申请专利《一种低开关损耗功率逆变器》(CN 109861573A)和《一种带共模电流抑制的光伏并网逆变器及其抑制方法》(CN 105932896A)。

中国发明专利申请公开书CN109861573A于2019年6月7日公开的《一种低开关损耗功率逆变器》引入主开关管、主二极管和由若干电容、电感、二极管组合设计而成的无损缓冲电路，基于主开关管和主二极管对逆变开关管的开断进行控制，使得在相同输出波形质量的情况下，逆变开关管的开关频率下降2/3，同时通过无损缓冲电路使主开关管和主二极管的开关损耗保持在极小状态，保证整个系统的开关损耗降低。但是该低开关损耗功率逆变器有如下不足:

1)无损缓冲电路需要根据不同开关频率和使用情况进行不同的设计，且无损缓冲电路使用器件多，结构复杂；

2)逆变器针对三相全桥两电平电路而言，难以直接运用至三电平电路；

3)没有考虑逆变器对地寄生电容所产生的共模电流对逆变性能产生的影响。

中国发明专利申请公开书CN105932896A于2016年5月31日公布的《一种带共模电流抑制的光伏并网逆变器及其抑制方法》引入了其独创的差共模电感L₁和差共模电感L₃的共模分量配合两组直流电压侧电容和一组交流电压侧电容，形成共模电流抑制回路，能将共模电流限制在标准值以下。但是，该带共模电流抑制的光伏并网逆变器存在如下不足：

1)该逆变器在满载时，电流较大，使差共模电感逐步产生饱和效应，产生较大电流纹波，影响逆变性能，且差共模电感内部含有气隙，占用空间较大。

2)该逆变器未考虑高开关频率下所带来的高开关损耗问题；

3)该逆变器针对单相逆变器设计，其设计难以直接运用至三相逆变器中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统。针对目前逆变器的共模电流问题和在高开关频率工作环境下所产生的较大开关损耗问题，提出的一种基于三相三电平ANPC拓扑，能在高开关频率环境下效减小开关损耗并且协同抑制共模电流的逆变系统。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统，包括直流供电系统，三相三电平ANPC逆变电路，三相限流电容，滤波电路和三相负载；

所述的三相三电平ANPC电路包括直流正母线P、直流负母线N、直流母线中点O、两个相同的支撑电容和逆变主电路，其中，逆变主电路包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂，每一相桥臂包括6个带反并联二极管的开关管，即逆变主电路合计共18个带反并联二极管的开关管和18个反并联二极管，其中，18个带反并联二极管的开关管分别记为开关管S_ij，18个反并联二极管分别记为二极管D_ij，其中i表示三相，i＝a,b,c，j表示开关管和二极管的序号，j＝1,2,3,4,5,6；两个支撑电容分别记为支撑电容C₁和支撑电容C₂，支撑电容C₁和支撑电容C₂串联后与逆变主电路并联，支撑电容C₁连接在直流正母线P和直流母线中点O之间，支撑电容C₂连接在直流母线中点O和直流负母线N之间，逆变主电路的A、B、C三相桥臂在直流正母线P和直流负母线N之间互相并联；在每个桥臂上，开关管S_i1的输入端接直流正母线P，开关管S_i1的输出端接开关管S_i2的输入端，开关管S_i2的输出端接开关管S_i3的输入端，开关管S_i3的输出端接开关管S_i4的输入端，开关管S_i4的输出端接直流负母线N，开关管S_i5的输入端接开关管S_i1的输出端，开关管S_i5的输出端接直流母线中点O,开关管S_i6的输入端接直流母线中点O，开关管S_i6的输出端接开关管S_i3的输出端；开关管S_a2和开关管S_a3的公共节点记为点a，开关管S_b2和开关管S_b3的公共节点记为点b，开关管S_c2和开关管S_c3的公共节点记为点c；

所述三相负载包括U相交流母线、V相交流母线和W相交流母线，其中，U相交流母线的端点记为点u，V相交流母线的端点记为点v，W相交流母线的端点记为点w；

所述三相限流电容包括三个相同的限流电容，三个限流电容分别记为限流电容C₃、限流电容C₄和限流电容C₅；

所述滤波电路包括下述两种拓扑结构：

第一种：所述滤波电路包括三个相同的滤波电感、三个相同的滤波电容和一个拉回直流母线中点O的电感，三个滤波电感分别记为滤波电感L₁、滤波电感L₂和滤波电感L₃，三个滤波电容分别记为滤波电容C₆、滤波电容C₇和滤波电容C₈，拉回直流母线中点O的电感记为平衡电感L₀；滤波电感L₁的一端与点a相连，另一端与滤波电容C₆串联，滤波电感L₂的一端与点b连接，另一端与滤波电容C₇串联，滤波电感L₃的一端与点c连接，另一端与滤波电容C₈串联，滤波电感L₁和滤波电容C₆串联的公共节点记为点j，滤波电感L₂和滤波电容C₇串联的公共节点记为点k，滤波电感L₃和滤波电容C₈串联的公共节点记为点l，滤波电容C₆、滤波电容C₇、滤波电容C₈的另一端连接在一起并记为中性点Q,平衡电感L₀的一端连接中性点Q,另一端连接直流母线中点O，即平衡电感L₀连接在中性点Q和直流母线中点O之间；

第二种：所述滤波电路包括第一组三个相同的滤波电感、第二组三个相同的滤波电感、三个相同的滤波电容和一个拉回直流母线中点O的电感，第一组三个滤波电感分别记为滤波电感L₁、滤波电感L₂和滤波电感L₃，第二组三个滤波电感分别记为滤波电感L₄、滤波电感L₅和滤波电感L₆，三个滤波电容分别记为滤波电容C₆、滤波电容C₇和滤波电容C₈，拉回直流母线中点O的电感记为平衡电感L₀；滤波电感L₁的一端与点a相连，另一端与滤波电容C₆、滤波电感L₄串联，滤波电感L₂的一端与点b连接，另一端与滤波电容C₇、滤波电感L₅串联，滤波电感L₃的一端与点c连接，另一端与滤波电容C₈、滤波电感L₆串联，滤波电感L₄的另一端记为点j，滤波电感L₅的另一端记为点k，滤波电感L₆的另一端记为点l，滤波电容C₆、滤波电容C₇、滤波电容C₈的另一端连接在一起并记为中性点Q,平衡电感L₀的一端连接中性点Q,另一端连接直流母线中点O，即平衡电感L₀连接在中性点Q和直流母线中点O之间；

所述三相限流电容接于三相三电平ANPC逆变电路之后，限流电容C₃的一端与点a相连，限流电容C₄的一端与点b相连，限流电容C₅的一端与点c相连，将限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的另一端连接在一起并接地；

所述负载的U相交流母线(51)的端点u连接滤波电路的点j，V相交流母线的端点v连接滤波电路的点k，W相交流母线的端点w连接滤波电路的点l。

优选地，所述限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的电容值和平衡电感L₀的电感值满足如下关系：

C₀≤C_ph2 (1)

式中，

C₀为限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的电容值；

L为滤波电感L₁、滤波电感L₂、滤波电感L₃的电感值；

C_ph1为对地寄生电容累加和1，C_ph1＝3×C_p1，其中，C_p1＝C_p11+C_p12+C_p13+C_p14，C_p11代表开关管S_a2的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p11，C_p12代表开关管S_a3的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p12，C_p13代表二极管D_a2的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p13，C_p14代表二极管D_a3的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p14，寄生电容C_p11、寄生电容C_p12、寄生电容C_p13、寄生电容C_p14的电容值之和记为寄生电容和C_p1；

C_ph2为对地寄生电容累加和2，C_ph2＝3×(C_p2+C_p3+C_p4+C_p5+C_p6)，其中，C_p2＝C_p21+C_p22，C_p21代表开关管S_a1的输入端共模寄生电容，记为寄生电容C_p21，C_p22代表二极管D_a1的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p22，寄生电容C_p21、寄生电容C_p22的电容值之和记为寄生电容和C_p2；C_p3＝C_p31+C_p32+C_p33+C_p34+C_p35+C_p36，C_p31代表开关管S_a1的输出端对地共模寄生电容的，记为寄生电容C_p31，C_p32代表开关管S_a2的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p32，C_p33代表开关管S_a5的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p33，C_p34代表二极管D_a1的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p34，C_p35代表二极管D_a2的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p35，C_p36代表二极管D_a5的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p36，寄生电容C_p31、寄生电容C_p32、寄生电容C_p33、寄生电容C_p34、寄生电容C_p35、寄生电容C_p36的电容值之和记为寄生电容和C_p3；C_p4＝C_p41+C_p42+C_p43+C_p44+C_p45+C_p46，C_p41代表开关管S_a3的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p41，C_p42代表开关管S_a4的输入端对地共模寄生电容的，记为寄生电容C_p42，C_p43代表开关管S_a6的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p43，C_p44代表二极管D_a3的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p44，C_p45代表二极管D_a4的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p45，C_p46代表二极管D_a6的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p46，寄生电容C_p41、寄生电容C_p42、寄生电容C_p43、寄生电容C_p44、寄生电容C_p45、寄生电容C_p46的电容值之和记为寄生电容和C_p4；C_p5＝C_p51+C_p52，C_p51代表开关管S_a4的输出端共模寄生电容，记为寄生电容C_p51，C_p52代表二极管D_a4的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p52，寄生电容C_p51、寄生电容C_p52的电容值之和记为寄生电容和C_p5；C_p6＝C_p61+C_p62+C_p63+C_p64，C_p61代表开关管S_a5的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p61，C_p62代表开关管S_a6的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p62，C_p63代表二极管D_a5的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p63，C_p64代表二极管D_a6的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p64，寄生电容C_p61、寄生电容C_p62、寄生电容C_p63、寄生电容C_p64的电容值之和记为寄生电容和C_p6；

所述寄生电容和C_p1、寄生电容和C_p2、寄生电容和C_p3、寄生电容和C_p4、寄生电容和C_p5、寄生电容和C_p6均通过阻抗分析仪测量得到。

由以上技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)本发明提供的三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统增加的辅助电感和电容较少，结构简单清晰；

2)本发明提供的限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅和平衡电感L₀的连接方式和参数选择依据，在低成本和低体积占用的情况下有效抑制共模电流；

3)本发明提供的限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的连接方式和参数选择依据，能有效减小在高开关频率下所产生的开关损耗，提高逆变系统效率。

附图说明

图1是本发明的一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统拓扑图；

图2是滤波电路(40)采用第一种结构时，本发明的一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统；

图3是滤波电路(40)采用第二种结构时，本发明的一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统；

图4是本发明的逆变主电路(21)的拓扑图；

图5是本发明的逆变主电路(21)的对地寄生电容分布图；

图6是实施例1中的限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为2800pF，平衡电感L₀为30uH时的共模电流频谱图；

图7是实施例1中未应用限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅、平衡电感L₀时的共模电流频谱图；

图8是实施例1中实例1、实例2、实例3、实例4、实例5、实例6、实例7、实例8、实例9的逆变主电路(21)的输出电流有效值变化图；

图9是实施例1中最小开关损耗点时的共模电流频谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统拓扑图，由图1可见，本发明的一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统包括直流供电系统10，三相三电平ANPC逆变电路20，三相限流电容30，滤波电路40和三相负载50。

所述的三相三电平ANPC电路20包括直流正母线P、直流负母线N、直流母线中点O、两个相同的支撑电容和逆变主电路21。图4是逆变主电路电路图，由图4可见，逆变主电路21包括A相桥臂211、B相桥臂212和C相桥臂213，每一相桥臂包括6个带反并联二极管的开关管，即逆变主电路21合计共18个带反并联二极管的开关管和18个反并联二极管。18个带反并联二极管的开关管分别记为开关管S_ij，18个反并联二极管分别记为二极管D_ij，其中i表示三相，i＝a,b,c，j表示开关管和二极管序号，j＝1,2,3,4,5,6，两个支撑电容分别记为支撑电容C₁和支撑电容C₂，支撑电容C₁和支撑电容C₂串联后与逆变主电路(21)并联，支撑电容C₁连接在直流正母线P和直流母线中点O之间，支撑电容C₂连接在直流母线中点O和直流负母线N之间，逆变主电路的A、B、C三相桥臂在直流正母线P和直流负母线N之间互相并联，在每个桥臂上，开关管S_i1的输入端接直流正母线P，开关管S_i1的输出端接开关管S_i2的输入端，开关管S_i2的输出端接开关管S_i3的输入端，开关管S_i3的输出端接开关管S_i4的输入端，开关管S_i4的输出端接直流负母线N，开关管S_i5的输入端接开关管S_i1的输出端，开关管S_i5的输出端接直流母线中点O,开关管S_i6的输入端接直流母线中点O，开关管S_i6的输出端接开关管S_i3的输出端；开关管S_a2和开关管S_a3的公共节点记为点a，开关管S_b2和开关管S_b3的公共节点记为点b，开关管S_c2和开关管S_c3的公共节点记为点c。

所述三相负载50包括U相交流母线51、V相交流母线52和W相交流母线53，其中，U相交流母线51的端点记为点u，V相交流母线52的端点记为点v，W相交流母线53的端点记为点w。

所述三相限流电容30包括三个相同的限流电容，三个限流电容分别记为限流电容C₃、限流电容C₄和限流电容C₅。

所述滤波电路40包括下述两种结构：

第一种拓扑结构由图2可见，所述滤波电路40包括三个相同的滤波电感、三个相同的滤波电容和一个拉回直流母线中点O的电感，三个滤波电感分别记为滤波电感L₁、滤波电感L₂和滤波电感L₃，三个滤波电容分别记为滤波电容C₆、滤波电容C₇和滤波电容C₈，拉回直流母线中点O的电感记为平衡电感L₀；滤波电感L₁的一端与点a相连，另一端与滤波电容C₆串联，滤波电感L₂的一端与点b连接，另一端与滤波电容C₇串联，滤波电感L₃的一端与点c连接，另一端与滤波电容C₈串联，滤波电感L₁和滤波电容C₆串联的公共节点记为点j，滤波电感L₂和滤波电容C₇串联的公共节点记为点k，滤波电感L₃和滤波电容C₈串联的公共节点记为点l，滤波电容C₆、滤波电容C₇、滤波电容C₈的另一端连接在一起并记为中性点Q,平衡电感L₀的一端连接中性点Q,另一端连接直流母线中点O，即平衡电感L₀连接在中性点Q和直流母线中点O之间。

第二种拓扑结构由图3可见，所述滤波电路40包括第一组三个相同的滤波电感、第二组三个相同的滤波电感、三个相同的滤波电容和一个拉回直流母线中点O的电感，第一组三个滤波电感分别记为滤波电感L₁、滤波电感L₂和滤波电感L₃，第二组三个滤波电感分别记为滤波电感L₄、滤波电感L₅和滤波电感L₆，三个滤波电容分别记为滤波电容C₆、滤波电容C₇和滤波电容C₈，拉回直流母线中点O的电感记为平衡电感L₀；滤波电感L₁的一端与点a相连，另一端与滤波电容C₆串联，也和滤波电感L₄串联，滤波电感L₂的一端与点b连接，另一端与滤波电容C₇串联，也和滤波电感L₅串联，滤波电感L₃的一端与点c连接，另一端与滤波电容C₈串联，也和滤波电感L₆串联，滤波电感L₄的另一端记为点j，滤波电感L₅的另一端记为点k，滤波电感L₆的另一端记为点l，滤波电容C₆、滤波电容C₇、滤波电容C₈的另一端连接在一起并记为中性点Q,平衡电感L₀的一端连接中性点Q,另一端连接直流母线中点O，即平衡电感L₀连接在中性点Q和直流母线中点O之间。

所述三相限流电容30接于三相三电平ANPC逆变电路20之后，限流电容C₃的一端与点a相连，限流电容C₄的一端与点b相连，限流电容C₅的一端与点c相连，将限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的另一端连接在一起并接地。

所述负载50的U相交流母线51的端点u连接滤波电路40的点j，V相交流母线52的端点v连接滤波电路40的点k，W相交流母线53的端点w连接滤波电路40的点l。

本发明所述的一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统，所述限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的电容值和平衡电感L₀的电感值需满足(1)式和(2)式：

C₀≤C_ph2 (1)

式中，

C₀为限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的电容值；

L为滤波电感L₁、滤波电感L₂、滤波电感L₃的电感值；

C_ph1为对地寄生电容累加和1，C_ph1＝3×C_p1，其中，C_p1＝C_p11+C_p12+C_p13+C_p14，C_p11代表开关管S_a2的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p11，C_p12代表开关管S_a3的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p12，C_p13代表二极管D_a2的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p13，C_p14代表二极管D_a3的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p14，寄生电容C_p11、寄生电容C_p12、寄生电容C_p13、寄生电容C_p14的电容值之和记为寄生电容和C_p1。

C_ph2为对地寄生电容累加和2，C_ph2＝3×(C_p2+C_p3+C_p4+C_p5+C_p6)，其中，C_p2＝C_p21+C_p22，C_p21代表开关管S_a1的输入端共模寄生电容，记为寄生电容C_p21，C_p22代表二极管D_a1的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p22，寄生电容C_p21、寄生电容C_p22的电容值之和记为寄生电容和C_p2；C_p3＝C_p31+C_p32+C_p33+C_p34+C_p35+C_p36，C_p31代表开关管S_a1的输出端对地共模寄生电容的，记为寄生电容C_p31，C_p32代表开关管S_a2的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p32，C_p33代表开关管S_a5的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p33，C_p34代表二极管D_a1的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p34，C_p35代表二极管D_a2的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p35，C_p36代表二极管D_a5的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p36，寄生电容C_p31、寄生电容C_p32、寄生电容C_p33、寄生电容C_p34、寄生电容C_p35、寄生电容C_p36的电容值之和记为寄生电容和C_p3；C_p4＝C_p41+C_p42+C_p43+C_p44+C_p45+C_p46，C_p41代表开关管S_a3的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p41，C_p42代表开关管S_a4的输入端对地共模寄生电容的，记为寄生电容C_p42，C_p43代表开关管S_a6的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p43，C_p44代表二极管D_a3的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p44，C_p45代表二极管D_a4的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p45，C_p46代表二极管D_a6的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p46，寄生电容C_p41、寄生电容C_p42、寄生电容C_p43、寄生电容C_p44、寄生电容C_p45、寄生电容C_p46的电容值之和记为寄生电容和C_p4；C_p5＝C_p51+C_p52，C_p51代表开关管S_a4的输出端共模寄生电容，记为寄生电容C_p51，C_p52代表二极管D_a4的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p52，寄生电容C_p51、寄生电容C_p52的电容值之和记为寄生电容和C_p5；C_p6＝C_p61+C_p62+C_p63+C_p64，C_p61代表开关管S_a5的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p61，C_p62代表开关管S_a6的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p62，C_p63代表二极管D_a5的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p63，C_p64代表二极管D_a6的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p64，寄生电容C_p61、寄生电容C_p62、寄生电容C_p63、寄生电容C_p64的电容值之和记为寄生电容和C_p6。

所述寄生电容和C_p1、寄生电容和C_p2、寄生电容和C_p3、寄生电容和C_p4、寄生电容和C_p5、寄生电容和C_p6均通过阻抗分析仪测量得到。

图5是本发明的逆变主电路21的对地寄生电容分布图。

实施例1：借助计算机仿真工具对本发明的三相共模电流与开关损耗协同抑制系统进行仿真模拟。滤波电路采用第一种电路结构，所述直流供电系统10提供的直流电压记为直流电压U_DC，在逆变主电路21正常工作中，开关管S_ij的工作频率记为开关频率f_s。

参数设定为直流电压U_DC为300V,开关频率f_s为40kHz，对地寄生电容累加和1C_ph1为2100pF,对地寄生电容累加和2C_ph2为10500pF，滤波电感L₁、滤波电感L₂、滤波电感L₃为90uH，滤波电容C₆、滤波电容C₇、滤波电容C₈为10uF。

首先设定限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为2800pF，根据所述式(2),设定平衡电感L₀为30uH，借助计算机仿真工具绘制其共模电流频谱图。图6给出了限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为2.8nF，平衡电感L₀为30uH时的系统共模电流频谱图。图7给出了未应用限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅和平衡电感L₀时的系统共模电流频谱图。由图6与图7所见，限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅和平衡电感L₀的应用使系统共模电流得到有效抑制。

随后将限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅从0逐步增大，同时根据所述(2)式同步改变平衡电感L₀的值，选取9组典型值：选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为0nF，平衡电感L₀为0uH，记为实例1；选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为0nF，平衡电感L₀为6uH，记为实例2；选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为2.8nF，平衡电感L₀为30uH，记为实例3；选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为6.3nF，平衡电感L₀为60uH，记为实例4；选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为13.3nF，平衡电感L₀为120uH，记为实例5；选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为27.3nF，平衡电感L₀为240uH，记为实例6；选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为34.3nF，平衡电感L₀为300uH，记为实例7；选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为51.8nF，平衡电感L₀为450uH，记为实例8；选取限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为69.3nF，平衡电感L₀为600uH，记为实例9。借助计算机仿真工具分别对实例1、实例2、实例3、实例4、实例5、实例6、实例7、实例8、实例9中的逆变主电路21的输出电流有效值进行探测。借助计算机仿真工具绘制实例1、实例2、实例3、实例4、实例5、实例6、实例7、实例8、实例9中逆变主电路21的输出电流有效值变化图。图8给出了实例1、实例2、实例3、实例4、实例5、实例6、实例7、实例8、实例9的逆变主电路21的输出电流有效值变化图，由图8可见，限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的应用减小了逆变主电路21的输出点电流有效值，即减小了流过开关管的电流有效值，减小了开关损耗。其中，在实例5时，即限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为13.3nF，平衡电感为120uH时，逆变主电路21的输出点电流有效值达到最小，即流过开关管的电流有效值最小，系统处于最小开关损耗点。

在限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅为13.3nF，平衡电感为120uH时，即系统最小开关损耗点时，借助计算机仿真工具绘制系统共模电流频谱图。图9给出了在最小开关损耗时，系统的共模电流频谱图，由图6与图9可见，限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅和平衡电感L₀的改变在降低开关损耗的同时并不会恶化共模电流抑制情况，而是与共模电流协同抑制。

Claims (1)

1.一种三相共模电流与开关损耗协同抑制的逆变系统，包括直流供电系统(10)，三相三电平ANPC逆变电路(20)，三相限流电容(30)，滤波电路(40)和三相负载(50)；

所述的三相三电平ANPC逆变电路(20)包括直流正母线P、直流负母线N、直流母线中点O、两个相同的支撑电容和逆变主电路(21)，其中，逆变主电路(21)包括A相桥臂(211)、B相桥臂(212)、C相桥臂(213)，每一相桥臂包括6个带反并联二极管的开关管，即逆变主电路(21)合计共18个带反并联二极管的开关管和18个反并联二极管，其中，18个带反并联二极管的开关管分别记为开关管S_ij，18个反并联二极管分别记为二极管D_ij，其中i表示三相，i＝a，b，c，j表示开关管和二极管的序号，j＝1，2，3，4，5，6；两个支撑电容分别记为支撑电容C₁和支撑电容C₂，支撑电容C₁和支撑电容C₂串联后与逆变主电路(21)并联，支撑电容C₁连接在直流正母线P和直流母线中点O之间，支撑电容C₂连接在直流母线中点O和直流负母线N之间，逆变主电路的A、B、C三相桥臂在直流正母线P和直流负母线N之间互相并联；在每个桥臂上，开关管S_i1的输入端接直流正母线P，开关管S_i1的输出端接开关管S_i2的输入端，开关管S_i2的输出端接开关管S_i3的输入端，开关管S_i3的输出端接开关管S_i4的输入端，开关管S_i4的输出端接直流负母线N，开关管S_i5的输入端接开关管S_i1的输出端，开关管S_i5的输出端接直流母线中点O，开关管S_i6的输入端接直流母线中点O，开关管S_i6的输出端接开关管S_i3的输出端；开关管S_a2和开关管S_a3的公共节点记为点a，开关管S_b2和开关管S_b3的公共节点记为点b，开关管S_c2和开关管S_c3的公共节点记为点c；

所述三相负载(50)包括U相交流母线(51)、V相交流母线(52)和W相交流母线(53)，其中，U相交流母线(51)的端点记为点u，V相交流母线(52)的端点记为点v，W相交流母线(53)的端点记为点w；

其特征在于，

所述三相限流电容(30)包括三个相同的限流电容，三个限流电容分别记为限流电容C₃、限流电容C₄和限流电容C₅；

所述滤波电路(40)包括下述两种拓扑结构：

第一种：所述滤波电路(40)包括三个相同的滤波电感、三个相同的滤波电容和一个拉回直流母线中点O的电感，三个滤波电感分别记为滤波电感L₁、滤波电感L₂和滤波电感L₃，三个滤波电容分别记为滤波电容C₆、滤波电容C₇和滤波电容C₈，拉回直流母线中点O的电感记为平衡电感L₀；滤波电感L₁的一端与点a相连，另一端与滤波电容C₆串联，滤波电感L₂的一端与点b连接，另一端与滤波电容C₇串联，滤波电感L₃的一端与点c连接，另一端与滤波电容C₈串联，滤波电感L₁和滤波电容C₆串联的公共节点记为点j，滤波电感L₂和滤波电容C₇串联的公共节点记为点k，滤波电感L₃和滤波电容C₈串联的公共节点记为点l，滤波电容C₆、滤波电容C₇、滤波电容C₈的另一端连接在一起并记为中性点Q，平衡电感L₀的一端连接中性点Q，另一端连接直流母线中点O，即平衡电感L₀连接在中性点Q和直流母线中点O之间；

第二种：所述滤波电路(40)包括第一组三个相同的滤波电感、第二组三个相同的滤波电感、三个相同的滤波电容和一个拉回直流母线中点O的电感，第一组三个滤波电感分别记为滤波电感L₁、滤波电感L₂和滤波电感L₃，第二组三个滤波电感分别记为滤波电感L₄、滤波电感L₅和滤波电感L₆，三个滤波电容分别记为滤波电容C₆、滤波电容C₇和滤波电容C₈，拉回直流母线中点O的电感记为平衡电感L₀；滤波电感L₁的一端与点a相连，另一端与滤波电容C₆、滤波电感L₄串联，滤波电感L₂的一端与点b连接，另一端与滤波电容C₇、滤波电感L₅串联，滤波电感L₃的一端与点c连接，另一端与滤波电容C₈、滤波电感L₆串联，滤波电感L₄的另一端记为点j，滤波电感L₅的另一端记为点k，滤波电感L₆的另一端记为点l，滤波电容C₆、滤波电容C₇、滤波电容C₈的另一端连接在一起并记为中性点Q，平衡电感L₀的一端连接中性点Q，另一端连接直流母线中点O，即平衡电感L₀连接在中性点Q和直流母线中点O之间；

所述三相限流电容(30)接于三相三电平ANPC逆变电路(20)之后，限流电容C₃的一端与点a相连，限流电容C₄的一端与点b相连，限流电容C₅的一端与点c相连，将限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的另一端连接在一起并接地；

所述负载(50)的U相交流母线(51)的端点u连接滤波电路(40)的点j，V相交流母线(52)的端点v连接滤波电路(40)的点k，W相交流母线(53)的端点w连接滤波电路(40)的点l；

所述限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的电容值和平衡电感L₀的电感值满足如下关系：

C₀≤C_ph2 (1)

式中，

C₀为限流电容C₃、限流电容C₄、限流电容C₅的电容值；

L为滤波电感L₁、滤波电感L₂、滤波电感L₃的电感值；

C_ph1为对地寄生电容累加和1，C_ph1＝3×C_p1，其中，C_p1＝C_p11+C_p12+C_p13+C_p14，C_p11代表开关管S_a2的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p11，C_p12代表开关管S_a3的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p12，C_p13代表二极管D_a2的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p13，C_p14代表二极管D_a3的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p14，寄生电容C_p11、寄生电容C_p12、寄生电容C_p13、寄生电容C_p14的电容值之和记为寄生电容和C_p1；

C_ph2为对地寄生电容累加和2，C_ph2＝3×(C_p2+C_p3+C_p4+C_p5+C_p6)，其中，C_p2＝C_p21+C_p22，C_p21代表开关管S_a1的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p21，C_p22代表二极管D_a1的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p22，寄生电容C_p21、寄生电容C_p22的电容值之和记为寄生电容和C_p2；C_p3＝C_p31+C_p32+C_p33+C_p34+C_p35+C_p36，C_p31代表开关管S_a1的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p31，C_p32代表开关管S_a2的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p32，C_p33代表开关管S_a5的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p33，C_p34代表二极管D_a1的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p34，C_p35代表二极管D_a2的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p35，C_p36代表二极管D_a5的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p36，寄生电容C_p31、寄生电容C_p32、寄生电容C_p33、寄生电容C_p34、寄生电容C_p35、寄生电容C_p36的电容值之和记为寄生电容和C_p3；C_p4＝C_p41+C_p42+C_p43+C_p44+C_p45+C_p46，C_p41代表开关管S_a3的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p41，C_p42代表开关管S_a4的输入端对地共模寄生电容的，记为寄生电容C_p42，C_p43代表开关管S_a6的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p43，C_p44代表二极管D_a3的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p44，C_p45代表二极管D_a4的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p45，C_p46代表二极管D_a6的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p46，寄生电容C_p41、寄生电容C_p42、寄生电容C_p43、寄生电容C_p44、寄生电容C_p45、寄生电容C_p46的电容值之和记为寄生电容和C_p4；C_p5＝C_p51+C_p52，C_p51代表开关管S_a4的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p51，C_p52代表二极管D_a4的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p52，寄生电容C_p51、寄生电容C_p52的电容值之和记为寄生电容和C_p5；C_p6＝C_p61+C_p62+C_p63+C_p64，C_p61代表开关管S_a5的输出端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p61，C_p62代表开关管S_a6的输入端对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p62，C_p63代表二极管D_a5的阳极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p63，C_p64代表二极管D_a6的阴极对地共模寄生电容，记为寄生电容C_p64，寄生电容C_p61、寄生电容C_p62、寄生电容C_p63、寄生电容C_p64的电容值之和记为寄生电容和C_p6；

所述寄生电容和C_p1、寄生电容和C_p2、寄生电容和C_p3、寄生电容和C_p4、寄生电容和C_p5、寄生电容和C_p6均通过阻抗分析仪测量得到。

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