CN111293871B - 一种三相四桥臂z源逆变器的漏电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三相四桥臂Z源逆变器的漏电流抑制方法，包括步骤：将三相对称正弦波分别与相位互差120°的三角载波比较得到A、B、C三相的逻辑信号；将A、B、C三相的逻辑信号异或得到D相逻辑信号；根据调制波所处的区域，选择特定的载波与正负直通电压信号比较，得到直通控制信号；A、B、C、D四个桥臂逻辑信号与直通信号相或，得到最终开关管的控制信号。本发明中，无论电路处于何种模态，共模电压均维持恒定，使得漏电流控制在允许范围内。并且，调制方式没有复杂的计算过程，实现简单。

Description

一种三相四桥臂Z源逆变器的漏电流抑制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，特别是一种三相四桥臂Z源逆变器的漏电流抑制方法。

背景技术

太阳能是一种可再生能源，具有成本低、清洁无污染、分布广泛等优点。其中光伏发电是利用太阳能有效的形式之一。光伏逆变器作为能量转换的重要组成部分，是否能可靠和高效运行也显得尤为重要。

三相四桥臂Z源逆变器相对于传统逆变器，接不平衡负载时输出电压可以保持对称；具有单级升降压能力，降低了系统复杂度，提高了系统效率；允许短时直通状态，无需加入死区时间，避免由于电磁干扰发生故障，系统可靠性更高。

非隔离系统，由于成本低、体积小、效率高，具有高可靠性等优势得到越来越多关注。但非隔离系统中光伏逆变器与电网之间没有电气隔离，光伏阵列与大地之间存在接地电容。接地寄生电容两端的电压，随逆变桥的开关动作，产生开关频率级别的电压波动。因此，在接地寄生电容、电网与大地之间形成电流回路，产生漏电流。漏电流的存在会造成电网电流畸变，使得电气设备产生电磁干扰，威胁人身安全。根据光伏并网系统国际标准VDE0126-1-1规定，当漏电流产生300mA时，并网逆变器必须与电网断开。

漏电流的大小与共模电压的变化率以及寄生电容的大小成正比。在寄生电容不变时，保证共模电压恒定，理论上可以将漏电流抑制为零。目前针对三相四桥臂Z源逆变器拓扑漏电流问题的研究较少，存在四桥臂逆变器漏电流问题的相关研究。对于四桥臂逆变器拓扑，使用传统的三维空间矢量调制策略时，随着工作模态的改变，共模电压发生变化，一个载波周期内共模电压存在五个电平；采用不连续空间矢量调制策略，共模电压的峰峰值有所减少，但共模电压仍存在四个不同的值，由于共模电压高频变化，产生较大的漏电流；四桥臂逆变器使用移相调制，当调制比大于0.66，共模电压会存在三个电平，虽然电平数有所减少，但仍不能始终保持恒定，对漏电流抑制效果有限。

发明内容

为了解决非隔离系统中漏电流问题，本发明提供了一种三相四桥臂Z源逆变器的漏电流抑制方法。该方法实现简单，无论电路处于何种模态，共模电压均可以维持恒定，从而使得漏电流可以控制在较小范围内。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种三相四桥臂Z源逆变器的漏电流抑制方法，所述三相四桥臂Z源逆变器的负直流母线上还串联一个二极管，包括步骤：

将三相对称正弦调制波V_a、V_b、V_c分别与三角载波V_tri1、V_tri2、V_tri3比较得到逻辑信号Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆，即

当V_a≥V_tri1，则Q₁＝1和Q₂＝0，否则Q₁＝0和Q₂＝1；

当V_b≥V_tri2，则Q₃＝1和Q₄＝0，否则Q₃＝0和Q₄＝1；

当V_c≥V_tri3，则Q₅＝1和Q₆＝0，否则Q₅＝0和Q₆＝1；

其中，三角载波V_tri1、V_tri2、V_tri3的相位依次相差120°，即

将Q₁、Q₃、Q₅通过异或门，得到逻辑信号Q₇；将Q₇通过非门，得到逻辑信号Q₈；

选择三角载波V_tri，当V_tri≥V_p或者V_tri≤V_n，则令逻辑信号G_SH＝1，否则令G_SH＝0；其中，选择V_tri的方法为：

当

或

令V_tri＝V_tri2；

当

或

令V_tri＝V_tri1；

当

或

令V_tri＝V_tri3；

所述V_p为正直通电压，V_n为负直通电压，如下：

式中，θ为三相对称正弦调制波的角度，M为调制深度；

分别将Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈与G_SH通过或门，得到控制信号S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈，用于分别控制所述三相四桥臂Z源逆变器的A相上桥臂开关管、A相下桥臂开关管、B相上桥臂开关管、B相下桥臂开关管、C相上桥臂开关管、C相下桥臂开关管、D相上桥臂开关管、D相下桥臂开关管；当控制信号为1时控制对应开关管导通，当控制信号为0时控制对应开关管关断。

本发明中，无论电路处于何种模态，共模电压均维持恒定，使得漏电流控制在允许范围内。并且，调制方式没有复杂的计算过程，实现简单。

附图说明

图1为三相四桥臂Z源光伏逆变器电路图。

图2为三个相位依次相差120°的三角载波图。

图3为产生逻辑信号Q₁Q₂Q₃Q₄Q₅Q₆原理图。

图4为正、负直通电压信号V_p、V_n以及三角载波V_tri图。

图5为某时间段内开关管状态及其对应共模电压图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

图1为三相四桥臂Z源光伏逆变器拓扑。

一种三相四桥臂Z源逆变器的漏电流抑制方法，包括步骤：将三相对称正弦波分别与相位互差120°的三角载波比较得到A、B、C三相的逻辑信号；将A、B、C三相的逻辑信号异或得到D相逻辑信号；根据调制波所处的区域，选择特定的载波与正负直通电压信号比较，得到直通控制信号；A、B、C、D四个桥臂逻辑信号与直通信号相或，得到最终开关管的控制信号。

具体如下：

(1)图2所示为三个相位互差120°的三角载波图，图中载波

载波

如图3所示，三相对称正弦调制波V_a、V_b、V_c表达式分别为V_a＝Msinωt、

其中M为调制深度，V_a、V_b、V_c分别与三角载波V_tri1、V_tri2、V_tri3比较得到逻辑信号Q₁Q₂Q₃Q₄Q₅Q₆，具体过程如下：

当V_a≥V_tri1时，则Q₁＝0，Q₂＝1；反之，则Q₁＝1，Q₂＝0；

当V_b≥V_tri2时，则Q₃＝0，Q₄＝1；反之，则Q₃＝1，Q₄＝0；

当V_c≥V_tri3时，则Q₅＝0，Q₆＝1；反之，则Q₅＝1，Q₆＝0；

(2)如图3所示，逻辑信号Q₇通过逻辑信号Q₁Q₃Q₅异或得到，可以表示为

逻辑信号Q₈与Q₇值相反，可表示为Q₈＝～Q₇；

(3)假定调制波角度为θ(0＜θ≤2π)，当三角载波V_tri大于等于正直通电压V_p或者小于等于负直通电压V_n，即(V_tri≥V_p)||(V_tri≤V_n)时，插入直通，此时令逻辑信号G_SH＝1，否则逻辑信号G_SH＝0；

其中正负直通电压V_p、V_n的表达式为：

此时，根据正弦调制波所在区域选择相应的三角载波V_tri，具体方式为：

当

时，三角载波为V_tri2，即V_tri＝V_tri2；

当

时，三角载波为V_tri1，即V_tri＝V_tri1；

当

时，三角载波为V_tri3，即V_tri＝V_tri3；

当

时，三角载波为V_tri2，即V_tri＝V_tri2；

当

时，三角载波为V_tri1，即V_tri＝V_tri1；

当

时，三角载波为V_tri3，即V_tri＝V_tri3。

如图4所示，为正负直通电压信号V_p、V_n以及对应区域三角载波图。可以看出，随着调制波位置变化，三角载波由V_tri1切换到V_tri3。

(4)将逻辑信号Q₁Q₂Q₃Q₄Q₅Q₆Q₇Q₈分别与逻辑信号G_SH相或，得到开关管最终控制信号S₁S₂S₃S₄S₅S₆S₇S₈，即S₁＝Q₁+G_SH、S₂＝Q₂+G_SH、S₃＝Q₃+G_SH、S₄＝Q₄+G_SH、S₅＝Q₅+G_SH、S₆＝Q₆+G_SH、S₇＝Q₇+G_SH、S₈＝Q₈+G_SH。

其中，S₁S₂S₃S₄S₅S₆S₇S₈分别指三相四桥臂Z源光伏逆变器A相上桥臂开关管、下桥臂开关管，B相上桥臂开关管、下桥臂开关管，C相上桥臂开关管、下桥臂开关管；当值为1时，表示开关管导通，当值为0时，表示开关管关断。

某时间段内，开关管S₁S₃S₅S₇的状态以及共模电压的大小如图5所示。图中阴影部分表示直通状态。由图可知，不论开关管处于何种状态，共模电压均为一恒定常数。

传统的三相三桥臂交错PWM调制，受调制比的限制，仍会存在续流零状态即开关组合111或者000。本发明第四桥臂开关信号由前三个桥臂开关信号异或得到；正负直通电压控制信号V_p、V_n之间的距离恒定为

并且在一个开关周期内直通占空比可以保持恒定，尽可能充分利用了传统零状态，V_p、V_n与特定的三角载波比较注入直通信号，使得前三个桥臂不存在开关组合111以及000，因此只存在1100、1010、1001、0110、0101、0011以及直通状态七种可能情况。其中前六种为逆变状态，始终有两个桥臂上开关管导通两个桥臂下开关管导通；最后一种为直通状态，此时四个桥臂的上下开关管均导通，因此共模电压

可以恒定为

达到抑制漏电流的效果。

Claims (1)

1.一种三相四桥臂Z源逆变器的漏电流抑制方法，所述三相四桥臂Z源逆变器的负直流母线上还串联一个二极管，其特征在于，包括步骤：

将三相对称正弦调制波V_a、V_b、V_c分别与三角载波V_tri1、V_tri2、V_tri3比较得到逻辑信号Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆，即

当V_a≥V_tri1，则Q₁＝1和Q₂＝0，否则Q₁＝0和Q₂＝1；

当V_b≥V_tri2，则Q₃＝1和Q₄＝0，否则Q₃＝0和Q₄＝1；

当V_c≥V_tri3，则Q₅＝1和Q₆＝0，否则Q₅＝0和Q₆＝1；

其中，三角载波V_tri1、V_tri2、V_tri3的相位依次相差120°，即

将逻辑信号Q₁、Q₃、Q₅通过异或门，得到逻辑信号Q₇；将逻辑信号Q₇通过非门，得到逻辑信号Q₈；

选择三角载波V_tri，当V_tri≥V_p或者V_tri≤V_n，则令逻辑信号G_SH＝1，否则令G_SH＝0；其中，选择三角载波V_tri的方法为：

当

或

令V_tri＝V_tri2；

当

或

令V_tri＝V_tri1；

当

或

令V_tri＝V_tri3；

所述V_p为正直通电压，V_n为负直通电压，如下：

式中，θ为三相对称正弦调制波的角度，M为调制深度；

分别将逻辑信号Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈与G_SH通过或门，得到控制信号S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈，用于分别控制所述三相四桥臂Z源逆变器的A相上桥臂开关管、A相下桥臂开关管、B相上桥臂开关管、B相下桥臂开关管、C相上桥臂开关管、C相下桥臂开关管、D相上桥臂开关管、D相下桥臂开关管；当控制信号为1时控制对应开关管导通，当控制信号为0时控制对应开关管关断。

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