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储能系统技术 储能系统 PWM控制 ★ 5.0

单相/三相PWM变换器的漏电流抑制控制与调制方法

Control and Modulation Methods of Single-/Three-Phase PWM Converter for Suppressing Leakage Current

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 PWM控制
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 无变压器功率变换器 共模电压 漏电流 控制方法 空间矢量脉宽调制
语言:

中文摘要

无变压器功率变换器由于在提高效率和功率密度方面的优势,在交直流功率转换领域日益受到关注。然而,去除具有高共模(CM)阻抗的隔离屏障后,由于共模电压(CMV)会产生泄漏电流问题,对人身安全构成风险。本文全面分析了共模电压源对泄漏电流的影响,并将其分为低频和高频(HF)分量。为此,考虑滤波器和接地系统,建立了一个共模等效电路。为了抑制低频(LF)泄漏电流,提出了一种共模电压控制方法,该方法通过脉宽调制(PWM)变换器产生低频共模电压。直接测量流入地线的泄漏电流,并将其用作控制器的反馈。随后,引入高维空间矢量脉宽调制(HDSVPWM),为单相/三相PWM变换器合成差模电压和共模电压参考值。所提出的HDSVPWM可使高频共模电压纹波最小化,从而降低高频泄漏电流。通过一个并网无变压器PWM变换器实验装置验证了所提出的控制和调制方法的有效性,确保符合安全法规要求。

English Abstract

Transformerless power converters are increasingly getting attention in the ac–dc power conversion due to their advantages in improving the efficiency and the power density. However, the removal of the isolation barrier with high common-mode (CM) impedance generates a leakage current issue due to the common-mode voltage (CMV), posing a human safety risk. This article comprehensively analyzes the influence of the CMV sources on the leakage currents, dividing into the low- and high-frequency (HF) components. To this end, a CM equivalent circuit is developed, considering the filter and grounding system. In order to mitigate the low-frequency (LF) leakage currents, a CMV control method is proposed, which generates the LF CMV through the pulsewidth modulation (PWM) converters. The leakage current flowing into the ground wire is directly measured and utilized as a feedback for the controller. Subsequently, a high-dimensional space vector PWM (HDSVPWM) is introduced to synthesize both differential mode voltage and CMV references for the single-/three-phase PWM converter. The proposed HDSVPWM minimizes the HF CMV ripple, reducing the HF leakage currents. The effectiveness of the proposed control and modulation methods is verified with an experimental setup of grid-connected transformerless PWM converter, ensuring a compliance with the safety regulations.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项无变压器PWM变换器的漏电流抑制技术具有重要的战略价值。当前,公司在光伏逆变器和储能系统领域持续追求高效率、高功率密度的解决方案,而无变压器拓扑正是实现这一目标的关键路径。然而,去除隔离变压器后产生的漏电流问题一直是制约该技术大规模应用的核心痛点,特别是在住宅光伏系统和分布式储能场景中,人身安全风险不容忽视。

该论文提出的技术方案具有显著的工程价值。通过建立共模等效电路模型,系统性地将漏电流分解为低频和高频分量分别处理,这种分层控制思路与阳光电源现有的多电平拓扑控制技术高度契合。特别是基于漏电流直接反馈的CMV控制方法,可以有效抑制低频漏电流;而高维空间矢量PWM技术通过同时综合差模电压和共模电压参考,最小化高频共模电压纹波,为实现更严格的安全标准提供了技术路径。

从应用前景看,该技术可直接赋能公司的户用逆变器产品线,提升系统安全性的同时降低成本和体积。在储能变流器PCS产品中,该技术也能解决双向变换中的漏电流挑战。技术成熟度方面,论文已通过并网实验验证,具备工程化基础,但需要关注不同电网环境下的适应性、长期可靠性以及与现有MPPT、并网控制算法的协同优化。建议公司重点评估该技术在高湿度、高海拔等特殊应用场景的表现,并探索与SiC器件结合以进一步提升开关频率和控制精度的可能性。