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(kāi)關(guān)下工作,，會(huì)帶來(lái)很大的電流諧波、功率損耗和電磁干擾等問(wèn)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(kāi)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(chǎng)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(jiǎn)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(kāi)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(wèn)題,。CHB-MLI不需箝位二極管和箝位電容，控制方式簡(jiǎn)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(chēng)多電平逆變器的提出滿(mǎn)足這一需求^[11-13],。文獻(xiàn)[11]將對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)MLI能夠保證最大電平輸出并具有更少的開(kāi)關(guān)管,、二極管和電容器等器件。在提出的新型不對(duì)稱(chēng)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(kāi)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(chēng)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(kāi)關(guān)控制策略之下，完成了五電平輸出,。對(duì)于無(wú)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?guó)際標(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_(kāi)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(wú)需考慮電容電壓不平衡問(wèn)題，效率高于傳統(tǒng)多電平逆變器,，泄露電流也符合國(guó)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(guò)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(guò)開(kāi)關(guān)管S₁,、濾波電感L₁、電網(wǎng)U_g,、濾波電感L₂,，經(jīng)開(kāi)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(wú)功傳輸階段，開(kāi)關(guān)管S₄保持導(dǎo)通,，開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)管S₄、分壓電容C₂,、二極管D₂和開(kāi)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(kāi)關(guān)管S₅導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間,，導(dǎo)通開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)管S₂,、濾波電感L₂,、電網(wǎng)U_g、濾波電感L₁,，經(jīng)開(kāi)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(wú)功傳輸階段,，開(kāi)關(guān)管S₂保持導(dǎo)通，開(kāi)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(guò)二極管D₁和開(kāi)關(guān)管S₅,、分壓電容C₂和開(kāi)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(kāi)關(guān)管S₆導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間,，導(dǎo)通開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)

    為更清晰地觀察開(kāi)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(kāi)關(guān)S₁~S₆的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，“1”代表開(kāi)關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài),，“0”代表開(kāi)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(kāi)關(guān)管S₁~S₆的開(kāi)關(guān)狀態(tài),。其中,，開(kāi)關(guān)管S₂和S₄在電網(wǎng)周期內(nèi)，以基波頻率開(kāi)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(kāi)關(guān)管S₁和S₃在不同電平階段以高頻方式開(kāi)斷。開(kāi)關(guān)管S₅（或S₆）與S₁和S₃以互補(bǔ)方式開(kāi)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(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)狀態(tài),，與開(kāi)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_(kāi)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(guó)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(wú)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(wèn)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(guò)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,。可以看到,，電流值在一定范圍內(nèi)變化,，峰值最高在100 mA附近，未超過(guò)安全范圍,。

4 結(jié)論

    本文提出了一種新型不對(duì)稱(chēng)五電平逆變拓?fù)?，即A-T5L-HB拓?fù)洹＝榻B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(kāi)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）