基於級聯H橋光伏逆變器的漏電流抑制方法與流程
2023-11-11 09:57:08
本發明涉及光伏發電併網技術領域，具體涉及一種基於級聯H橋光伏逆變器的漏電流抑制方法。
背景技術：
光伏逆變器(Photovoltaic inverter)是一種由半導體器件組成的電力調整裝置，主要用於把直流電力轉換成交流電力。一般由升壓迴路和逆變橋式迴路構成。升壓迴路把太陽電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓；逆變橋式迴路則把升壓後的直流電壓等價地轉換成常用頻率的交流電壓。
對於H橋光伏逆變器，其每個模塊的低壓直流側可由光伏板進行獨立供電，便於實現每個模塊的MPPT控制，因此H橋拓撲特別適用於光伏逆變器。與傳統的逆變器相比，H橋光伏逆變器具備明顯優勢，例如開關頻率低、濾波器體積小、易於模塊化等。
H橋光伏逆變器可以通過級聯模塊達到併網所需電壓，因此該類逆變器不需要變壓器，進一步降低成本，提高功率密度。但是，級聯H橋光伏逆變器缺少變壓器的隔離作用，光伏板和電網之間存在直接電器連接，導致光伏板和大地之間的寄生電容形成迴路，產生漏電流。所以嚴重影響系統的效率和可靠性，甚至對人身安全造成威脅。因此，如何抑制光伏逆變器的漏電流就變得極其重要。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提供一種基於級聯H橋光伏逆變器的漏電流抑制方法，所述級聯H橋光伏逆變器包括兩個H橋模塊，所述H橋模塊包括四個開關管；其中，所述方法包括：
根據所述兩個H橋模塊的四個橋臂的上開關管的導通與關斷分別形成16個開關狀態；
在所述兩個H橋模塊輸入的直流電壓相同時，在所述16個開關狀態下分別計算所述級聯H橋光伏逆變器寄生電容的電壓值；
從所述寄生電容電壓值相同的多個開關狀態中選擇數個開關狀態形成開關組合；
根據所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值形成一維空間矢量控制區域；
根據預輸出電壓值在所述一維空間矢量控制區域的位置確定所述開關組合中對應的開關狀態，並控制所述兩個H橋模塊的開關管在對應的開關狀態下導通與關斷，從而實現漏電流的抑制。
在本發明的一個實施例中，從所述寄生電容電壓值相同的多個開關狀態中選擇數個開關狀態形成開關組合，包括：
在保持所述寄生電容電壓值相同的情況下，以所述級聯H橋光伏逆變器相鄰輸出電壓值間開關管狀態切換次數最小原則選擇數個開關狀態以形成所述開關組合。
在本發明的一個實施例中，假設所述H橋模塊輸入的直流電壓值為E，則所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值為：-2E、-E、0、E、2E；
其中級聯H橋光伏逆變器輸出的電壓值-2E、-E、E、2E分別對應一個開關狀態，而電壓值0對應兩個開關狀態以達到所述級聯H橋光伏逆變器相鄰輸出電壓值在正負周期間開關管狀態切換次數最小的目的。
在本發明的一個實施例中，根據所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值形成一維空間矢量控制區域，包括：
分別用數字0、1、2代表所述H橋模塊輸出的直流電壓值-E、0、E，則用數字00、10、11、21、22分別代表所述級聯H橋光伏逆變器輸出的電壓值-2E、-E、0、E、2E，由所述級聯H橋光伏逆變器輸出的電壓值-2E、-E、0、E、2E與數字00、10、11、21、22的對應關係形成所述一維空間矢量控制區域。
在本發明的一個實施例中，根據預輸出電壓值在所述一維空間矢量控制區域的位置確定所述開關組合中對應的開關狀態，包括：
確定所述預輸出電壓值在所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值中最接近的兩個電壓值；
根據所述最接近的兩個電壓值確定對應的兩個開關狀態。
在本發明的一個實施例中，控制所述H橋模塊的開關管在對應的開關狀態下導通與關斷，包括：
根據所述預輸出電壓在所述一維空間矢量控制區域中的位置，確定最接近的兩個電壓值與對應的開關狀態佔空比；
對所述最接近的兩個電壓值對應的兩個開關狀態及所述佔空比進行線性合成以控制所述H橋模塊的開關管的導通與關斷。
在本發明的一個實施例中，所述佔空比的計算公式為：
其中，Vref為預輸出電壓值，E為所述H橋模塊的輸入電壓值，t1、t2為兩種開關狀態的佔空比，floor為向下取整運算函數。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：在不引入新的濾波電路以及在不更改拓撲結構圖的情況下，本發明通過新的調製策略，使寄生電容電壓之和保持恆定或工頻正弦量，顯著地減小了級聯H橋光伏逆變器的漏電流。
附圖說明
為了清楚說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。下面描述中的附圖是本發明的一些實施例,對於本領域普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發明實施例提供的一種基於級聯H橋光伏逆變器的漏電流抑制方法的示意圖；
圖2是本發明實施例提供的另一種基於級聯H橋光伏逆變器的漏電流抑制方法的示意流程圖；
圖3是本發明實施例提供的兩個模塊級聯H橋光伏逆變器的原理圖；
圖4是本發明實施例提供的兩個模塊級聯H橋光伏逆變器的等效電路圖；
圖5是本發明實施例提供的一維空間矢量的控制區域圖；
圖6是本發明實施例提供的預輸出電壓值與最接近的兩個電壓值的確定以及兩個開關狀態的佔空比確定的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例一
請參見圖1，圖1為本發明實施例提供的一種基於級聯H橋光伏逆變器的漏電流抑制方法的示意圖，該方法包括如下步驟：所述級聯H橋光伏逆變器包括兩個H橋模塊，所述H橋模塊包括四個開關管；其中，所述方法包括：
步驟(a)，根據所述兩個H橋模塊的四個橋臂的上開關管的導通與關斷分別形成16個開關狀態；
步驟(b)，在所述兩個H橋模塊輸入的直流電壓相同時，在所述16個開關狀態下分別計算所述級聯H橋光伏逆變器寄生電容的電壓值；
步驟(c)，從所述寄生電容電壓值相同的多個開關狀態中選擇數個開關狀態形成開關組合；
步驟(d)，根據所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值形成一維空間矢量控制區域；
步驟(e)，根據預輸出電壓值在所述一維空間矢量控制區域的位置確定所述開關組合中對應的開關狀態，並控制所述兩個H橋模塊的開關管在對應的開關狀態下導通與關斷，從而實現漏電流的抑制。
其中，對於步驟c，可以包括：從所述寄生電容電壓值相同的多個開關狀態中選擇數個開關狀態形成開關組合，具體如下：
在保持所述寄生電容電壓值相同的情況下，以所述級聯H橋光伏逆變器相鄰輸出電壓值間開關管狀態切換次數最小原則選擇數個開關狀態以形成所述開關組合。
其中，對於步驟c中以所述級聯H橋光伏逆變器相鄰輸出電壓值間開關管狀態切換次數最小原則選擇數個開關狀態，可以包括：假設所述H橋模塊輸入的直流電壓值為E，則所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值為：-2E、-E、0、E、2E；
其中級聯H橋光伏逆變器輸出的電壓值-2E、-E、E、2E分別對應一個開關狀態，而電壓值0對應兩個開關狀態以達到所述級聯H橋光伏逆變器相鄰輸出電壓值在正負周期間開關管狀態切換次數最小的目的。
其中，對於步驟d，可以包括：根據所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值形成一維空間矢量控制區域，具體如下：
分別用數字0、1、2代表所述H橋模塊輸出的直流電壓值-E、0、E，則用數字00、10、11、21、22分別代表所述級聯H橋光伏逆變器輸出的電壓值-2E、-E、0、E、2E，由所述級聯H橋光伏逆變器輸出的電壓值-2E、-E、0、E、2E與數字00、10、11、21、22的對應關係形成所述一維空間矢量控制區域。
其中，對於步驟e，可以包括：根據預輸出電壓值在所述一維空間矢量控制區域的位置確定所述開關組合中對應的開關狀態，具體如下：
確定所述預輸出電壓值在所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值中最接近的兩個電壓值；
根據所述最接近的兩個電壓值確定對應的兩個開關狀態。
其中，對於步驟e中根據所述最接近的兩個電壓值確定對應的兩個開關狀態，可以包括：控制所述H橋模塊的開關管在對應的開關狀態下導通與關斷，具體如下：
根據所述預輸出電壓在所述一維空間矢量控制區域中的位置，確定最接近的兩個電壓值與對應的開關狀態佔空比；
對所述最接近的兩個電壓值對應的兩個開關狀態及所述佔空比進行線性合成以控制所述H橋模塊的開關管的導通與關斷。
另外，對於步驟e中根據所述最接近的兩個電壓值確定對應的兩個開關狀態中的所述佔空比，還可以包括：所述佔空比的計算公式為：
其中，Vref為預輸出電壓值，E為所述H橋模塊的輸入電壓值，t1、t2為兩種開關狀態的佔空比，floor為向下取整運算函數。
本實施例，通過對級聯H橋光伏逆變器的開關管進行控制，解決了級聯H橋光伏逆變器漏電流過大的問題，達到了不引入新的濾波電路，不更改拓撲結構的前提下，通過新的調製策略，使寄生電容電壓之和保持恆定或工頻正弦量，顯著減小級聯H橋光伏逆變器漏電流的效果。
實施例二
請參見圖2，圖2為本發明實施例提供的另一種基於級聯H橋光伏逆變器的漏電流抑制方法的示意流程圖，本實施例在上述實施例的基礎上，對本發明的技術方案進行詳細描述。具體地，該方法包括：
步驟(a)，建立兩個H橋模塊光伏逆變器級聯
的原理圖，如圖3所示，
其中Cpvk1和Cpvk2(k＝1,2)為光伏板與大地之間的寄生電容，L1和L2為網側濾波電感；vg為交流側公共耦合點電壓。
步驟(b)，從圖3可以得出，兩個H橋模塊包括八個開關管，通過定義兩個H橋模塊的四個橋臂的上開關管的導通與關斷分別形成16個開關狀態，方法如下：
用四個開關函數Sa1，Sb1，Sa2，Sb2分別表示所述級聯H橋光伏逆變器的第一個H橋模塊左橋臂開關管的開關函數，第一個H橋模塊右橋臂開關管的開關函數，第二個H橋模塊左橋臂開關管的開關函數，第二個H橋模塊右橋臂開關管的開關函數。假設四個開關函數Sa1，Sb1，Sa2，Sb2的取值為0，或者1，可形成16個開關狀態。
步驟(c)，由圖3得出兩個模塊級聯H橋光伏逆變器的等效電路圖，如圖4所示。
步驟(d)，利用兩個模塊級聯H橋光伏逆變器的等效電路圖，推導寄生電容的電壓數學表達式。假設L1＝L2，由於漏電流很小，所以兩個對稱電感上產生的電壓近似相等，由基爾霍夫電壓定律可得：
-va1+vL+vg+vcpv1＝0
-vb2-vL+vcpv2＝0
-vb1+va2-vcpv2+vcpv1＝0
其中va1、vb1、va2、vb2分別表示為所述級聯H橋光伏逆變器的第一個H橋模塊左橋臂的輸出電壓，第一個H橋模塊右橋臂的輸出電壓，第二個H橋模塊左橋臂的輸出電壓，第二個H橋模塊右橋臂的輸出電壓。
由於電網電壓為工頻變量，則vg在寄生電容上產生的共模電流一般可忽略，此後的分析均不在考慮電網電壓。因此，忽略電網電壓影響後，由以上各式可以求得寄生電容的電壓分別如下：
步驟(e)，為了研究調製策略對寄生電容的電壓值的影響，可將開關管的開關狀態分別用開關函數表示。具體為：Sai＝1表示第i個H橋模塊左橋臂上管導通，下管關斷；Sai＝0表示第i個H橋模塊左橋臂上管關斷，下管導通；Sbi＝1表示第i個H橋模塊右橋臂上管導通，下管關斷；Sbi＝0表示第i個H橋模塊右橋臂上管關斷，下管導通，其中i＝1,2；因此，用開關函數表示寄生電容的電壓如下：
va1＝sa1vpv1
vb1＝sb1vpv1
va2＝sa2vpv2
v2b＝sb2vpv2
其中，vpv1，vpv2分別為第一個H橋模塊的直流輸入電壓，第二個H橋模塊的直流輸入電壓。
步驟(f)，根據兩個H橋模塊四個橋臂的16個開關狀態以及寄生電容的電壓公式，得出兩個H橋模塊輸入的直流電壓相同且為E的情況下兩個H橋模塊的輸出電平，開關組合，以及寄生電容的電壓關係表。如表1所示。
表1
步驟(g)，系統的漏電流為：
為了抑制系統的漏電流，則需保證寄生電容的電壓值為恆定，即選擇表1中寄生電容的電壓值相同的開關狀態。按照相鄰輸出電壓值間開關管狀態切換次數最小原則選擇數個開關狀態以形成所述開關組合。本發明選取開關組合1010→1000→1100→0011→0001→0101，6個開關狀態，其中輸出電平0選取兩個開關狀態1100→0011。
步驟(h)，根據級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值形成一維空間矢量控制區域，如圖5所示，具體為：
分別用數字0、1、2代表所述H橋模塊輸出的直流電壓值-E、0、E，則用數字00、10、11、21、22分別代表所述級聯H橋光伏逆變器輸出的電壓值-2E、-E、0、E、2E，由所述級聯H橋光伏逆變器輸出的電壓值-2E、-E、0、E、2E與數字00、10、11、21、22的對應關係形成所述一維空間矢量控制區域。
步驟(I)，確定所述預輸出電壓值在所述級聯H橋光伏逆變器輸出的全部電壓值中最接近的兩個電壓值。確定所述兩個開關狀態的佔空比。流程如圖6所示。具體為：
假設每個H橋的直流輸入電壓為E，分別用upper1-lower1和upper2-lower2分別表示為上下H橋相鄰的輸出電壓狀態變量，因為每個H橋的輸出電壓均有三個輸出狀態，即：-E、0和E，因此本發明分別用0、1和2代替-E、0和E作為upper1、upper2、lower1和lower2的值。根據所述最接近的兩個電壓值確定對應的兩個開關狀態。
其中，確定兩個開關狀態佔空比的計算方法為：
a＝Vref/E，Vref為預輸出電壓值。a1＝floor(a)，式中的floor(x)為向下取整函數，a1為負無窮大方向最靠近a的整數。
利用下面兩個公式分別計算出每個H橋的開關時間t1和t2，即t1、t2為兩種開關狀態的佔空比。
t1＝a-a1
t2＝1-t1
步驟(J)，根據佔空比以及最接近的兩個電壓值對應的兩個開關狀態控制H橋模塊的開關管在對應的開關狀態下導通與關斷。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。