三电平并网逆变器共模电压抑制方法研究

摘要：针对高压大功率三电平并网逆变器应用中产生的共模电压，对其产生机理进行分析，比较常规正弦脉宽调制(SPWM)策略对逆变器共模电压的抑制效果，通过优化开关序列的组合，提出一种新型SPWM策略。该策略有效地将三电平并网逆变器共模电压抑制在一定范围内，明显优于常规SPWM策略，同时兼顾了输出波形的质量。仿真和实验结果证明了新型调制策略的可行性和对共模电压抑制的有效性。
关键词：并网逆变器；共模电压；正弦脉宽调制

1 引言
    在光伏技术产业化进程中，多电平电压源逆变器性能不断提高，但其存在的负面效应备受关注。其负面效应使系统可靠性下降、故障率增加，它所带来的实际损失可能超过逆变系统自身的成本。因此，研究多电平逆变器共模电压产生机理，对其加以消除或抑制具有重要意义。这里主要从控制策略优化的角度对共模电压进行分析研究。结合二极管中点箝位(NPC)三电平逆变器拓扑结构，分析了共模电压产生机理，通过优化调制策略抑制共模电压。

2 三电平逆变器原理及共模电压
    要消除共模电压，需改进逆变器拓扑结构并分析共模电压产生机理，进而提出抑制或消除共模电压的方法。基于IGBT的NPC三电平高压大功率逆变器常用拓扑如图1所示，主要包括直流侧、三电平逆变器、L滤波器及电网，其中三电平逆变器由12个IGBT和12个反并联二极管及6个箝位二极管组成。

    简要分析NPC三电平逆变器的工作原理，以a相为例，当开通VSa1，VSa2，关断VSa3，VSa4时，在逆变器输出端可以获得一个正电平；当开通VSa2，VSa3，关断VSa1，VSa4时，输出电压为零；当开通VSa3，VSa4，关断VSa1，VSa2时，可在输出端得到一个负电平。根据其原理，可定义Sx(x=a，b，c)为三电平逆变器三相输出的开关函数，其具体定义为：
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    电压电平数量的增加使开关有效状态增加到27个，如图2所示。

    假设电网三相对称，将这些开关状态代入共模电压Ucom=(Ua+Ub+Uc)／3=Udc(Sa+Sb+Sc-3)／6，Ua，Ub，Uc分别为逆变器各相输出端到直流侧中点的电压。由计算得，三电平逆变器会产生共模电压，幅值为±Udc／6，±Udc／3和0，而|du／dt|=Udc／6。其开关状态与共模电压对应关系如图3所示。但在这些开关状态中，(210)，(120)，(021)，(012)，(102)，(201)和(111)这7种状态不会产生共模电压，即共模电压在三电平逆变器中是可消除的。同理，这个结论可以推广至奇数倍多电平逆变器中。

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3 SPWM控制及共模电压影响
    常规SPWM对NPC三电平并网逆变器三相桥臂控制方式为：以a相为例，就是一个正弦波和等幅值、同相位、位置相差一个幅值的两个三角载波进行比较后得到NPC三电平逆变器a相桥臂中4个IGBT开关管驱动控制信号，如图4a所示；再将正弦波调制信号分别前后移动120°，经过与相同载波比较后得到c，b两相桥臂IGBT开关管的驱动控制信号。通过Matlab 7．0仿真分析常规SPWM控制策略用于图1所示NPC三电平并网逆变器的工作情况。为便于分析，假设直流侧电容电压不发生中点电位偏移，直流侧电压Udc=300V。由仿真可知，在该调制策略下，共模电压的负面影响很大，幅值的变化较大。

    基于以上分析以及对NPC三电平并网逆变器共模抑制的效果，再结合图3中各开关状态组合及对应的共模电压大小。可明显判断，只要对常规SPWM调制策略进行改进，增加一个限定条件：仅选择开关状态组合后Ucom≤Udc／6的开关状态参与调制波的发生，即可有效减小共模电压幅值，并能较好兼顾输出波形质量。
    新型SPWM对NPC三电平并网逆变器三相桥臂控制方式为：以a相为例，就是一个正弦波和等幅值、反相位、位置是背靠背的两个三角载波进行比较后得到三电平逆变器a相桥臂中4个IGBT开关管的驱动控制信号，如图4b所示；再将正弦波调制信号分别前后移动120°，即可得到c．b两相桥臂开关管的驱动控制信号。
    为便于比较效果，仍采用Matlab 7．0仿真分析新型SPWM控制策略应用于NPC三电平并网逆变器抑制共模电压的运行情况。假设条件与常
规SPWM时相同。由仿真可见新型三电平SPWM策略比常规SPWM更有效抑制了共模电压，进一步降低了其所带来的负面效应，同时还能较好兼顾输出相电流波形。

4 实验验证
    搭建了基于TMS320F2812+CPLD1270的2 kW三电平并网逆变器系统，进行了共模电压抑制实验研究。实验参数为：Udc=300 V，C1=C2=3 400μF，L=1．5mH，开关频率为4kHz。

    图5a，b为常规SPWM和新型SPWM策略应用于NPC三电平并网逆变器之后的相电流波形比较，可见后者相电流波形稍差。图5c，d为常规SPWM和新型SPWM策略应用于NPC三电平并网逆变器后的共模电压ucom波形比较。可见，同等条件下，采用新型SPWM时ucom的幅值降为原来的1／2，大幅减小了Ucom有效值，极大地降低了负面效应。由实验可知，新型SPWM调制策略有效抑制了共模电压，并兼顾了输出相电流波形。

5 结论
    搭建了2 kW NPC三电平并网逆变器的实验平台，采用TMS320F2812+CPLD作为系统控制核心，通过深入分析共模电压形成的机理，结合常规SPWM策略对共模电压的抑制效果，提出一种新型的SPWM方法。仿真分析表明，后者调制策略优于前者，能够更好地抑制共模电压。实验结果证明提出的新型SPWM方法有效、可行，同时该方法具有一定的工程应用参考价值。