一种考虑死区时间的双电源逆变器共模电压减小方法

1.本发明属于电力电子电磁兼容领域，具体涉及一种适用于考虑死区时间的双电源逆变器共模电压减小方法。


背景技术：

2.现目前，太阳能作为清洁可再生能源，其在发电领域得到越来越多的应用。传统的光伏并网发电系统中会配备隔离变压器以实现升压和提供光伏电源与电网之间的隔离等作用，但是隔离变压器的使用降低了系统的转换效率，并且增加了整个并网系统的尺寸、重量和成本，非隔离型光伏并网逆变器可以很好的解决以上的问题。
3.但在缺少隔离变压器的并网系统中，光伏电源会直接与电网连接，同时光伏电源与大地之间存在的寄生电容为泄露电流的产生提供了条件。泄露电流不仅会与并网电流叠加引起电流谐波含量恶化，而且会造成电磁干扰。因此，抑制泄露电流成为了非隔离型变压器应用的关键。泄露电流的大小和共模电压的变化情况有关：共模电压越小，泄露电流也就越小，反之亦然。
4.目前针对共模电压减小的研究主要集中于调制方式改进和逆变器拓扑改进。
5.在调制方式改进方面，有着诸如等效零矢量脉宽调制、临近三矢量脉宽调制、远端三矢量脉宽调制等调制方式，这3种调制方式共同的特点就是均不使用零矢量，这样共模电压得以减小，从而泄露电流也变小，但此类方法会引起输出线电压双极性、电能质量变差等缺点。同时，此类调制方式实现比较复杂，其中就包括开关矢量选择，矢量作用时间分配和矢量序列布置等复杂步骤。
6.在拓扑改进方面，h7拓扑通过对正母线上额外的功率开关管进行控制，实现了33.3％的共模电压减少。h8拓扑通过在零矢量期间断开与电网的连接，从而限制共模电压的变化。上述的方法理论上能将共模电压抑制在较小的范围内，但是在实际中仍难以得到稳定的共模电压，会出现额外的共模电压跳变，最终导致共模电压变化范围仍然较大。双电源逆变器有实现共模电压减小的潜力，但是此逆变器在矢量切换时的死区时间内会出现共模电压跳变问题，从而导致共模电压产生意外的峰值，使得共模电压效果变差。因此，在考虑死区时间的情况下如何实现双电源逆变器共模电压的减少是研究的关键。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提供一种考虑死区时间的双电源逆变器共模电压减小方法：首先采用两种低共模电压空间矢量调制方案，再使用h10拓扑结构和有源矢量作用于零矢量的控制策略，从而消除死区时间内的共模电压跳变，减小逆变器的共模电压。
8.为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案。
9.双电源逆变器空间矢量图如图1所示。通过表1所示的空间矢量与共模电压的关系，选取两种低共模电压空间矢量调制方案。表1双电源逆变器空间矢量与共模电压关系
10.长、零矢量方案：选择长矢量：200,220,020,022,002,202与零矢量111。该方案可以将共模电压限制在v
dc
/3与2v
dc
/3之间。调制比不会受到影响，后文将其简称为方案1。
11.长、短、零矢量方案：选择长矢量：020,002,200,短矢量：110,101,011与零矢量111。该方案可以将共模电压限制在v
dc
/3与v
dc
/2之间。但是该方案的调制比将会下降，降低为原来的后文将其简称为方案2。
12.上述两种调制方案可以基于空间矢量脉冲宽度调制(svpwm)实现。因此，后文的分析均以svpwm为基础，两方案在svpwm第三扇区的开关控制如图2、3所示。图2、3中的dt区域为方案1、2中存在的零矢量“111”前后的死区时间。在此死区时间内出现的共模电压跳变如图4中虚线内所示。
13.针对零矢量“111”前后死区时间的共模电压跳变问题，将用h10拓扑结构和有源矢量作用于零矢量的控制来解决。原理如下：
14.svpwm第三扇区和逆变器侧输出电流方向之间的关系如图5所示。为了便于分析共模电压，将以下电流方向为分析基础：通常对于小功率的光伏并网系统而言，lcl滤波器呈现着感性，并网电压一般为220v，并网电流10a至20a之间，在这样的条件仅仅会使得第三扇区向前偏移不超过30
°
，即如图5所示的l区域。则在第三扇区的电流方向为：ia《0，ib》0，ic《0和ia《0，ib》0，ic》0。
15.双电源逆变器的h10拓扑结构如图6所示，结构为：上下电源处均有一个h2半桥相互串联，并在中点连接于电源n处。h6逆变器部分的正负母线分别从两个h2半桥的中部引出。
16.结合图6，双电源逆变器的共模电压定义为：v
cm
＝(v
ao
+v
bo
+v
co
)/3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，v
cm
为共模电压，v
ao
、v
bo
、v
co
分别是a点与o点、b点与o点、c点与o点之间的电压。
17.以方案1为例，有源矢量作用于零矢量的控制策略在第三扇区的控制开关序列如图7所示。结合图6，控制策略简单来说即是：进入零矢量，t
d1
断开、t
d2
闭合，t
e1
闭合、t
e2
断开。h6部分延续上一时刻的开关状态不改变。在其它有源矢量期间内t
e1
断开、t
e2
闭合，其他开关按照需要进行断开或者闭合。这样的拓扑和控制实现了零矢量“111”前后的死区时间内不发生开关状态的切换。
18.以方案1为例，阐述消除死区时间内共模电压突变的原理：图8、9分别是在图2中dt内ia《0，ib》0，ic《0和ia《0，ib》0，ic》0电流方向的电流续流情况，电流在h6逆变器部分形成续流通路，实线箭头是存在的续流通道。此时的h6逆变器部分在死区时间内的电压被下电源通过两个二极管钳位，其中虚线箭头是电压钳位路径。v
ao
、v
bo
、v
co
在此情况下均为0.5v
dc
，这样死区时间内的共模电压被钳位在0.5v
dc
。
19.图10、11是在零矢量“111”区域内两种电流方向下的电压钳位路径，黑色实线是钳位路径。此时h10中的t
d2
和t
e1
是闭合的，下电源直接为h6提供钳位电压，即v
ao
、v
bo
、v
co
在此情况下均为0.5v
dc
，共模电压也为0.5v
dc
。从以上分析可得，零矢量“111”前后死区时间的共模电压与零矢量“111”期间的共模电压一致，则在此死区时间内不会发生共模电压的突变。同样方案2也可使用上述的拓扑和控制策略达到相同的效果。
20.由于上述技术方案的运用，因此，本发明具有如下特点：1、本发明基于双电源逆变器空间矢量提出了两种低共模电压空间矢量调制方案，两种方案可以将共模电压减少66.7％。2、本发明为解决零矢量“111”前后死区时间内出现的共模电压突变问题，使用了h10拓扑和有源矢量作用于零矢量的控制，从而进一步减少了共模电压。3、本发明实现了双电源逆变器共模电压的稳定，不会受到泄露电流的影响。
附图说明
21.图1：本发明中双电源逆变器空间矢量图；
22.图2：本发明中方案1第三扇区的控制序列；
23.图3：本发明中方案2第三扇区的控制序列；
24.图4：本发明中零矢量“111”前后死区时间内的共模电压突变；
25.图5：本发明中扇区与逆变器输出侧电流的关系；
26.图6：本发明中的h10拓扑结构；
27.图7：本发明中方案1基于有源矢量作用与零矢量控制的第三扇区开关序列图；
28.图8：本发明中h10拓扑在ia《0，ib》0，ic《0方向下dt内电流续流和共模电压；
29.图9：本发明中h10拓扑在ia《0，ib》0，ic》0方向下dt内电流续流和共模电压；
30.图10：本发明中h10拓扑在ia《0，ib》0，ic《0方向下零矢量“111”期间的电流续流和共模电压；
31.图11：本发明中h10拓扑在ia《0，ib》0，ic》0方向下零矢量“111”期间的电流续流和共模电压；
32.图12：本发明中的并网控制结构框图；
33.图13：本发明中的控制策略实现框图；
34.图14：本发明中的h6拓扑共模电压；
35.图15：本发明中的h8拓扑共模电压；
36.图16：本发明中的方案1共模电压；
37.图17：本发明中的方案2共模电压；
具体实施方式
38.以下将结合本发明的优选实例和附图对技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，优选实例仅仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护范围。
39.本发明提供了一种考虑死区时间的双电源逆变器共模电压减小方法，首先基于双
电源逆变器提出了两种低共模电压空间矢量调制方案，再使用h10拓扑结构和有源矢量作用于零矢量的控制策略，消除了零矢量“111”前后死区时间内的共模电压突变，大幅减少了共模电压并保持其稳定，从而保证了泄露电流的减小。
40.一种实施例的并网控制结构图如图12所示，控制策略实现如图13所示，控制方案的运行实现过程如下：
41.步骤s10：实时采集逆变器侧输出电流和电网电压，将经过坐标变换的电压、电流和期望电流信号输入至电流控制器中以得到参考电压信号；
42.步骤s20：将参考电压信号输入到svpwm调制模块中以生成初步控制信号a1b1c1。
43.步骤s30：初步控制信号a1b1c1经过逻辑函数运算，将零矢量“000”信号全部转换为零矢量“111”信号，其余矢量信号保持不变；
44.其中，逻辑函数为：式中，a1b1c1是svpwm产生的初步控制信号，x1y1z1经过逻辑运算的输出信号。
45.步骤s40：输出信号x1y1z1将分为三部分进行处理；第一部分：先进入传输延迟模块再进入判断选择输出模块，用于生成延时信号x、y、z，并将其作为输出；第二部分：直接进入判断选择输出模块，用于生成实时信号x1、y1、z1，并将其作为输出；第三部分：直接经过与、非逻辑运算生成输出信号；实时信号和延时信号进入判断选择输出模块之后，将进行以下操作：如果检测到实时信号为零矢量“111”，则将延时信号作为输出；如果检测到实时信号不为零矢量“111”，则将实时信号作为输出；
46.步骤s50：输出的信号进入信号输出模块中，生成全部功率开关管控制信号和添加死区时间。仿真结果
47.为了验证所提出方法的正确性，本发明进行了仿真验证。并网逆变器仿真参数如表1所示。表1仿真参数
48.在matlab中搭建仿真模块，按照表1设置参数，运行仿真并进行不同拓扑的对比。“h6”表示传统含有6个开关器件的逆变器拓扑。“h8”表示改进的含有8个开关器件的逆变器拓扑。“方案1”和“方案2”分别是本发明提出的考虑死区时间的两种调制方案。图14至17分别为h6、h8、方案1和方案2的共模电压。
49.由图14可知，传统h6拓扑整体的共模电压范围在0至v
dc
之间，并且每一次跳变的幅度为v
dc
/3。由图15可知：h8拓扑因为采用了功率开关管结电容对共模电压进行平衡，所以整体的共模电压被限制在v
dc
/3与2v
dc
/3之间，相较于h6拓扑有较大的改善。但是由于开关结电容的值太小导致会出现部分额外的共模电压跳变，如图15虚线中所示，所以h8拓扑共模电压变化范围为0至v
dc
之间，最大的跳变幅度为2v
dc
/3。
50.图16是本发明中方案1的共模电压表现，图中椭圆虚线中的是在死区时间内出现的共模电压突变。实线则是采用h10拓扑和控制策略之后方案1的共模电压，此时死区时间内的共模电压突变得到了消除，并且共模电压的跳变幅度由v
dc
/3降低到了v
dc
/6。同时整体的共模电压完全限制在了v
dc
/3与2v
dc
/3之间，最大的跳变幅度为v
dc
/3。图17是本发明中方案2的共模电压表现，同样图中虚线内是在死区时间内出现的共模电压跳变。采用h10拓扑和控制策略之后，共模电压跳变的幅度由v
dc
/3降低到了v
dc
/6，同时整体的共模电压范围由v
dc
/6至2v
dc
/3改善为v
dc
/6至v
dc
/2，跳变幅度最大为v
dc
/6。
51.综上所述，提出来的两个方案在使用h10拓扑和控制策略后，消除了零矢量“111”前后死区时间内的共模电压突变，进一步改善了共模电压的跳变范围。与h6拓扑相比，共模电压的范围降低了66.67％；与h8拓扑相比，不会出现额外的共模电压跳变，能够得到稳定且减少的共模电压。
52.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所展示的实施例，而是要符合于本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种考虑死区时间的双电源逆变器共模电压减小方法，其特征在于，首先采用两种低共模电压空间矢量调制方案，再使用h10拓扑结构和有源矢量作用于零矢量的控制策略，从而消除死区时间内的共模电压跳变，减小逆变器的共模电压，具体包括以下步骤：步骤一、采用低共模电压空间矢量调制方案：根据双电源逆变器空间矢量与共模电压的关系，选取两种低共模电压空间矢量调制方案；步骤二、使用h10拓扑：将双电源逆变器与h10拓扑相结合；步骤三、信号输入：实时采集逆变器侧输出电流和电网电压，将经过坐标变换的电压、电流和期望电流信号输入至电流控制器中以得到参考电压信号；步骤四、svpwm调制：将参考电压信号输入到svpwm调制模块中以生成初步控制信号a1b1c1；步骤五、控制信号生成：初步控制信号a1b1c1分别经过逻辑函数运算、传输延时模块、判断选择输出模块、信号输出模块，最终生成控制信号，以控制所有功率开关管的通断，从而减小共模电压。2.根据权利要求1所述的一种考虑死区时间的双电源逆变器共模电压减小方法，其特征在于，所述两种低共模电压空间矢量调制方案，具体如下：长、零矢量方案：方案采用的长矢量为200,020,002,220,022,202，前三个矢量对应的共模电压为v
dc
/3,后三个矢量对应的共模电压为2v
dc
/3；方案采用的零矢量为111，其对应的共模电压为v
dc
/2；则长、零矢量方案将共模电压限制在v
dc
/3至2v
dc
/3之间；长、短、零矢量方案：方案采用的长矢量为200,020,002，对应的共模电压为v
dc
/3；方案采用的短矢量为110,101,011，对应的共模电压为v
dc
/3；方案采用的零矢量为111，对应的共模电压为v
dc
/2；则长、短、零矢量方案将共模电压限制在v
dc
/3至v
dc
/2之间。3.根据权利要求1所述的一种考虑死区时间的双电源逆变器共模电压减小方法，其特征在于，所述的有源矢量作用与零矢量的控制策略具体实现如下：a.初步控制信号a1b1c1经过逻辑函数运算，将零矢量“000”信号全部转换为零矢量“111”信号，其余矢量信号保持不变；其中，逻辑函数如下：式中，a1b1c1是svpwm产生的初步控制信号，x1y1z1是经过逻辑运算的输出信号；b.输出信号x1y1z1将分为三部分进行处理；第一部分：先进入传输延迟模块再进入判断选择输出模块，用于生成延时信号并将其作为输出；第二部分：直接进入判断选择输出模块，用于生成实时信号并将其作为输出；第三部分：直接经过与、非逻辑运算生成输出信号；实时信号和延时信号进入判断选择输出模块之后，将进行以下操作：如果检测到实时信号为零矢量“111”，则将延时信号作为输出；如果检测到实时信号不为零矢量“111”，则将实时信号作为输出；c.b步骤中输出的信号进入信号输出模块中，生成全部功率开关管控制信号和添加死区时间，这样便实现了有源矢量作用于零矢量的控制策略。

技术总结
本发明的全称为：一种考虑死区时间的双电源逆变器共模电压减小方法。为了减小非隔离型光伏并网逆变器中的共模电压，从而减小泄漏电流，本发明基于双电源逆变器，提出了长、零矢量和长、短、零矢量两种低共模电压空间矢量调制方案。为解决零矢量“111”前后死区时间内出现的共模电压突变问题，本发明使用了H10拓扑和有源矢量作用于零矢量的控制。经过以上步骤，逆变系统中的共模电压得以减少66.7％，从而可以使得泄露电流减小。此发明的优点在于考虑了逆变器中必要的死区时间对低共模电压调制方案的影响，解决了在死区时间内出现的共模电压突变问题，从而进一步减小共模电压。与目前存在的H6、H8拓扑逆变器相比，本发明能够大幅减少共模电压并保持其稳定在较小幅值。少共模电压并保持其稳定在较小幅值。少共模电压并保持其稳定在较小幅值。


技术研发人员：龙波 陈志豪 胡成坤 王露萍
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/14