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編者按：新型單相不對稱五電平無變壓器型光伏逆變器，可實現(xiàn)減少開關(guān)器件，確保電平輸出，相應(yīng)的開關(guān)控制策略之下，完成了五電平輸出。對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。

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輸出電平+vPV和-vPV，在高頻開關(guān)下工作，會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]。

逆變器（Multilevel Inverters，MLI）可以利用低功率器件獲得高壓，輸出多個不同電壓等級，降低總諧波失真（THD），減小了濾波器尺寸，同時具有器件開關(guān)頻率低、損耗小、電壓應(yīng)力低等優(yōu)點，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：中性點鉗位（NPC）、飛跨電容（FC）和級聯(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)量眾多的獨立直流電壓源[9-10]。如何在保證相同電平輸出的同時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。多電平逆變器的提出滿足這一需求[11-13]。文獻[11]將對稱和不對稱的兩種逆變器結(jié)構(gòu)進行對比分析，級聯(lián)不對稱拓?fù)錇榫烹娖侥孀兤鞣抡孑敵?，結(jié)論與傳統(tǒng)MLI相比，不對稱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。在提出的新型不對稱五電平[12]和七電平[13]逆變拓?fù)渲械玫酵瑯拥尿炞C。

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，在載波信號的正半周期，S1、S4導(dǎo)通，其他關(guān)斷，對應(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)Ug、濾波電感L2，經(jīng)開關(guān)管S4返回。此時輸出電壓vAB=vPV。

(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流向濾波電感和電網(wǎng)。此時輸出電壓vAB=vPV/2。

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

(4)工作狀態(tài)4，在載波信號的負(fù)半周期，S2、S3導(dǎo)通，其他關(guān)斷，對應(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)Ug、濾波電感L1，經(jīng)開關(guān)管S3返回。此時輸出電壓vAB=-vPV。

(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流向濾波電感和電網(wǎng)。此時輸出電壓vAB=-vPV/2。

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

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

2 開關(guān)驅(qū)動信號

為更清晰地觀察開關(guān)狀態(tài)，將上述六個工作狀態(tài)總結(jié)如下，具體如表1所示。vAN和vBN分別表示A、B兩點的對地電壓，vAB為逆變輸出電壓，vPV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。將三角載波信號分成四個等寬的載波信號，載波信號的初始相位依次移動90°，與參考正弦波信號相比較得出控制開關(guān)管的脈沖信號。 在水平和垂直方向分成四個區(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：對應(yīng)工作狀態(tài)1，輸出電平從vPV/2變?yōu)関PV；區(qū)域2：對應(yīng)工作狀態(tài)2，輸出電平從0變?yōu)関PV/2；區(qū)域3：對應(yīng)工作狀態(tài)5，輸出電平從0變?yōu)?vPV/2；區(qū)域4：對應(yīng)工作狀態(tài)4，輸出電平從-vPV/2變?yōu)?vPV。

3 仿真驗證

為了驗證A-T5L-HB拓?fù)湓贑PS-PWM控制策略的五電平輸出，在MATLAB/Simulink中進行仿真。圖4仿真輸出的是載波在低頻下的開關(guān)驅(qū)動狀態(tài)，與開關(guān)驅(qū)動信號中的分析一致，調(diào)整為高頻驅(qū)動分別用于新型拓?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vAB的波形，在光伏直流電源值為400 V時，五電平輸出分別為-400 V、-200 V、0 V、200 V和400 V。對輸出電壓vAB的波形進行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5中記錄的傳統(tǒng)級聯(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。對該波形進行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有電磁傳導(dǎo)和諧波注入等問題，嚴(yán)重時對人身安全構(gòu)成威脅，所以安規(guī)中對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電平，共模電壓值在100 V~200 V之間波動，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不規(guī)則變動，波形如圖10所示?？梢钥吹剑娏髦翟谝欢ǚ秶鷥?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，最后用仿真進行了驗證，得出以下結(jié)論：(1)新型A-T5L-HB拓?fù)溆?個開關(guān)管和2個二極管組成，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▌右鸬穆╇娏鞣蠘?biāo)準(zhǔn)范圍，因此該拓?fù)湓诠夥到y(tǒng)中能夠安全可靠運行。

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原標(biāo)題：新型單相不對稱五電平無變壓器型光伏逆變器