0 引言

    在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的兩電平逆變器只有兩個(gè)輸出電平+v_PV和-v_PV，在高頻開關(guān)下工作，會(huì)帶來很大的電流諧波、功率損耗和電磁干擾等問題，不能向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量電能^[1-2]。

    多電平逆變器（Multilevel Inverters，MLI）可以利用低功率器件獲得高壓，輸出多個(gè)不同電壓等級(jí)，降低總諧波失真（THD），減小了濾波器尺寸，同時(shí)具有器件開關(guān)頻率低、損耗小、電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，在高壓大功率場合得到廣泛應(yīng)用^[3-5]。常規(guī)的多電平逆變器拓?fù)浞譃槿N：中性點(diǎn)鉗位（NPC）、飛跨電容（FC）和級(jí)聯(lián)H橋（CHB）多電平逆變器^[6-8]。NPC-MLI多電平逆變器電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制控制方法簡單，不需要額外的獨(dú)立直流電源，但需要較多數(shù)量的鉗位二極管；FC-MLI的開關(guān)狀態(tài)組合靈活，需要大量的箝位電容和考慮飛跨電容電壓不平衡等問題。CHB-MLI不需箝位二極管和箝位電容，控制方式簡單，但需要數(shù)量眾多的獨(dú)立直流電壓源^[9-10]。如何在保證相同電平輸出的同時(shí)減少電力電子器件數(shù)量是目前研究多電平逆變器的重點(diǎn)。不對(duì)稱多電平逆變器的提出滿足這一需求^[11-13]。文獻(xiàn)[11]將對(duì)稱和不對(duì)稱的兩種逆變器結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，級(jí)聯(lián)不對(duì)稱拓?fù)錇榫烹娖侥孀兤鞣抡孑敵觯Y(jié)論與傳統(tǒng)MLI相比，不對(duì)稱MLI能夠保證最大電平輸出并具有更少的開關(guān)管、二極管和電容器等器件。在提出的新型不對(duì)稱五電平^[12]和七電平^[13]逆變拓?fù)渲械玫酵瑯拥尿?yàn)證。

    本文從減少開關(guān)器件，確保電平輸出的角度出發(fā)，提出了一種單相不對(duì)稱T型五電平逆變拓?fù)洌ˋsymmetric T-type five-level HB，A-T5L-HB）。該拓?fù)湓谙鄳?yīng)的開關(guān)控制策略之下，完成了五電平輸出。對(duì)于無變壓器型逆變器，為保證能夠安全并網(wǎng)工作，該拓?fù)涞穆╇娏饕卜蠂H標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

1 A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    新型A-T5L-HB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它由基本H橋和T型橋兩部分組成，其中T型橋位于H橋和直流分壓電容C₁、C₁之間，是一對(duì)相反的功率管和二極管組成的并聯(lián)橋路。該拓?fù)溆每呻p向?qū)ǖ纳倭康拈_關(guān)器件在相應(yīng)的調(diào)制策略下實(shí)現(xiàn)五電平輸出，無需考慮電容電壓不平衡問題，效率高于傳統(tǒng)多電平逆變器，泄露電流也符合國際標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 工作原理

    為了完整地輸出五電平，圖2(a)～(f)分別描述了A-T5L-HB拓?fù)湔?fù)半周期的六個(gè)工作狀態(tài)，詳細(xì)過程闡述如下：

    (1)工作狀態(tài)1，在載波信號(hào)的正半周期，S₁、S₄導(dǎo)通，其他關(guān)斷，對(duì)應(yīng)基本H橋正常工作狀態(tài)，如圖2(a)所示。電流通過開關(guān)管S₁、濾波電感L₁、電網(wǎng)U_g、濾波電感L₂，經(jīng)開關(guān)管S₄返回。此時(shí)輸出電壓v_AB=v_PV。

    (2)工作狀態(tài)2，無功傳輸階段，開關(guān)管S₄保持導(dǎo)通，開關(guān)管S₁關(guān)斷，S₆導(dǎo)通，二極管D₂承受正向電壓導(dǎo)通，如圖2(b)所示。電流通過開關(guān)管S₄、分壓電容C₂、二極管D₂和開關(guān)管S₆流向?yàn)V波電感和電網(wǎng)。此時(shí)輸出電壓v_AB=v_PV/2。

    (3)工作狀態(tài)3，在開關(guān)管S₅導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間，導(dǎo)通開關(guān)管S₃和S₄，電流流向如圖2(c)所示，此時(shí)輸出電壓為v_AB=0。

    (4)工作狀態(tài)4，在載波信號(hào)的負(fù)半周期，S₂、S₃導(dǎo)通，其他關(guān)斷，對(duì)應(yīng)基本H橋正常工作狀態(tài)，如圖2(d)所示。電流通過開關(guān)管S₂、濾波電感L₂、電網(wǎng)U_g、濾波電感L₁，經(jīng)開關(guān)管S₃返回。此時(shí)輸出電壓v_AB=-v_PV。

    (5)工作狀態(tài)5，無功傳輸階段，開關(guān)管S₂保持導(dǎo)通，開關(guān)管S₃關(guān)斷，S₅導(dǎo)通，二極管D₁承受正向電壓導(dǎo)通，如圖2(e)所示。電流通過二極管D₁和開關(guān)管S₅、分壓電容C₂和開關(guān)管S₂流向?yàn)V波電感和電網(wǎng)。此時(shí)輸出電壓v_AB=-v_PV/2。

    (6)工作狀態(tài)6，在開關(guān)管S₆導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間，導(dǎo)通開關(guān)管S₁和S₂，電流流向如圖2(f)所示，此時(shí)輸出電壓為v_AB=0。

    綜上所述，這六個(gè)工作狀態(tài)在相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)下完成了-v_PV、-v_PV/2、0、v_PV/2和v_PV五個(gè)電平的電壓輸出。

2 開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)

    為更清晰地觀察開關(guān)狀態(tài)，將上述六個(gè)工作狀態(tài)總結(jié)如下，具體如表1所示。v_AN和v_BN分別表示A、B兩點(diǎn)的對(duì)地電壓，v_AB為逆變輸出電壓，v_PV為光伏直流電源電壓。數(shù)字1和數(shù)字0用以表示開關(guān)S₁~S₆的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，“1”代表開關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài)，“0”代表開關(guān)為關(guān)斷狀態(tài)。

    根據(jù)五電平逆變器工作狀態(tài)的分析，可以總結(jié)出6個(gè)開關(guān)管S₁~S₆的開關(guān)狀態(tài)。其中，開關(guān)管S₂和S₄在電網(wǎng)周期內(nèi)，以基波頻率開斷一次，正半周期，S₄始終導(dǎo)通，S₂保持關(guān)斷；負(fù)半周期，S₂始終導(dǎo)通，S₄保持關(guān)斷。開關(guān)管S₁和S₃在不同電平階段以高頻方式開斷。開關(guān)管S₅（或S₆）與S₁和S₃以互補(bǔ)方式開斷。根據(jù)傳統(tǒng)的多電平逆變器載波位移的控制策略，結(jié)合提出五電平逆變器開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，研制載波移相CPS-PWM（Carrier Phase Shift-PWM）控制策略，如圖3所示。將三角載波信號(hào)分成四個(gè)等寬的載波信號(hào)，載波信號(hào)的初始相位依次移動(dòng)90°，與參考正弦波信號(hào)相比較得出控制開關(guān)管的脈沖信號(hào)。 在水平和垂直方向分成四個(gè)區(qū)域，代表逆變器不同的工作狀態(tài)和不同的電平分區(qū)。區(qū)域1：對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)1，輸出電平從v_PV/2變?yōu)関_PV；區(qū)域2：對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)2，輸出電平從0變?yōu)関_PV/2；區(qū)域3：對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)5，輸出電平從0變?yōu)?v_PV/2；區(qū)域4：對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)4，輸出電平從-v_PV/2變?yōu)?v_PV。

3 仿真驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證A-T5L-HB拓?fù)湓贑PS-PWM控制策略的五電平輸出，在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真。圖4仿真輸出的是載波在低頻下的開關(guān)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，與開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的分析一致，調(diào)整為高頻驅(qū)動(dòng)分別用于新型拓?fù)溟_關(guān)S₁~S₆的控制。

    新型A-T5L-HB逆變拓?fù)涞姆抡孑敵鋈鐖D5所示。在圖5中可以觀察到輸出電壓v_AB的波形，在光伏直流電源值為400 V時(shí)，五電平輸出分別為-400 V、-200 V、0 V、200 V和400 V。對(duì)輸出電壓v_AB的波形進(jìn)行FFT分析，結(jié)果在圖6中給出，電壓的諧波畸變率THD為28.44%，與文獻(xiàn)5中記錄的傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)單相五電平逆變器（THD為36.56%）相比較，諧波畸變率下降。負(fù)載電流輸出波形如圖7所示，近似為正弦波輸出，但有諧波注入。對(duì)該波形進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖8所示，得出負(fù)載電流的THD為4.23%，符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE-1000的規(guī)定，并網(wǎng)電流諧波畸變因數(shù)(THD)在5%以下。

    對(duì)于無變壓器型逆變器，因共模電壓不穩(wěn)定造成的漏電流依然會(huì)有電磁傳導(dǎo)和諧波注入等問題，嚴(yán)重時(shí)對(duì)人身安全構(gòu)成威脅，所以安規(guī)中對(duì)于漏電流的限制為不超過300 mA。共模電壓和漏電流的波形如圖9和圖10所示。理論上，共模電壓應(yīng)該穩(wěn)定為某一定值，但由于五電平逆變器電壓輸出多個(gè)電平，共模電壓值在100 V~200 V之間波動(dòng)，具體波形如圖9所示。由此引發(fā)的漏電流在逆變器工作時(shí)不規(guī)則變動(dòng)，波形如圖10所示?？梢钥吹?，電流值在一定范圍內(nèi)變化，峰值最高在100 mA附近，未超過安全范圍。

4 結(jié)論

    本文提出了一種新型不對(duì)稱五電平逆變拓?fù)洌碅-T5L-HB拓?fù)?。介紹了該拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)并詳細(xì)分析了它的工作原理，研制了相應(yīng)的載波移相（CPS-PWM）控制策略，最后用仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：(1)新型A-T5L-HB拓?fù)溆?個(gè)開關(guān)管和2個(gè)二極管組成，與傳統(tǒng)的五電平逆變器相比較，具有更少的電力電子器件和損耗；(2)新型A-T5L-HB拓?fù)湓贑PS-PWM控制策略下完成了五電平輸出，輸出電壓和電流的諧波畸變小，能夠很好地應(yīng)用于光伏逆變系統(tǒng)；(3)由于缺少電氣隔離，漏電流不可避免，新型A-T5L-HB拓?fù)湟蚬材ｋ妷翰▌?dòng)引起的漏電流符合標(biāo)準(zhǔn)范圍，因此該拓?fù)湓诠夥到y(tǒng)中能夠安全可靠運(yùn)行。

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作者信息:

路  蓮，邊敦新，黃  鈺，甘德強(qiáng)

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博255049）