簡化的SVPWM算法在三電平光伏系統中的應用*

薛家祥，馬前進，鄭照紅，廖天發

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

在光伏發電技術日趨成熟的今天，三電平逆變電路已經成為逆變設備的首選結構。與傳統的兩電平逆變電路相比，主要有能夠承受高電壓、電壓電流上升率低等優點[1]。在眾多的控制策略中，SVPWM（空間矢量脈寬調制）具有調制比大、能夠優化輸出電壓波形、易于數字實現、母線電壓利用率高等特點，因而SVPWM控制方式受到了人們的普遍關注[2]。但傳統三電平SVPWM算法是把電壓矢量空間等分成6個大扇區，每個扇區又分成4個小三角形扇區，利用基本矢量在小扇區中計算出矢量作用時間，根據矢量切換點的切換條件在24個小三角形之間進行切換，計算較為復雜。本文尋找到一種新的簡化的SVPWM，把每個大扇區分成2個直角三角形[3]，這樣就極大減少了計算量，并將該算法在已有的10 kW的三電平光伏逆變器上實現，得到很好的并網電流波形。

1 三電平逆變器

二極管中點箝位式三電平逆變器主電路如圖1所示。通過對三電平逆變器拓撲分析可知，三相三電平輸出電路可以得到33=27種開關組合，對應27組不同的電壓狀態組合。定義電壓空間矢量為：

圖1 二極管中點箝位式三電平逆變器主電路

開關變量Sa、Sb、Sc代表各相橋臂的輸出狀態。在 α-β平面上，三電平逆變器27組開關狀態所對應的19個空間矢量如圖2所示，其中pon表示a、b、c三相輸出對應的開關狀態為正、零、負。按照基本矢量幅值可分為大矢量(2Vdc/3)、中矢量Vdc/3)、小矢量(Vdc/3)、零矢量(0)。

圖2 三電平基本空間矢量圖

2 三電平逆變器空間矢量的簡化算法

三電平逆變器的SVPWM控制的實現步驟在每個采樣周期內，可以按以下3步進行[4]：

(1)參考矢量所在區域的判斷：目的是找出合成期望電壓空間矢量的3個基本電壓空間矢量，包括期望矢量所在大區和小區的判斷。

(2)基本矢量作用時間的計算：確定3個基本矢量在一個采樣周期內的作用時間，即每個矢量對應的占空比。

(3)基本矢量開關順序的分配：確定各個基本空間矢量所對應的開關狀態和作用次序，將基本空間矢量所對應的作用時間分別分配給相應的開關狀態，最終完成對開關器件的控制。

本文的SVPWM算法與傳統法不同之處在于小區域的劃分：把每個大扇區分成兩個小的直角三角形區域。例如把圖2中的大扇區I分成V0V7V13組成的直角三角形1和V0V7V14組成的直角三角形2。

所期望的電壓空間矢量可有其所在的直角三角形的3個頂點來合成，例如當空間電壓矢量落在直角三角形 1中時，期望開關矢量由零矢量 V0、中矢量 V7、大矢量V13合成，由伏秒平衡原理得：

可得：

式中：

同理可得當參考電壓矢量落在直角三角形區域2時有：

根據空間電壓矢量作用順序所遵守的原則[5]，為了進一步減少開關次數，本文采用五段式SVPWM，相應的開關順序在直角三角形1中為V0-V7-V13，在直角三角形 2中為 V0-V7-V14。

由三電平逆變器空間電壓矢量分布圖可知，其有6個扇區，每個扇區之間相差60°。根據歸一化的思想，將每個扇區都順時針旋轉與第一個扇區重合便可得到相應的矢量分配時間和作用順序。

分析中點電位的波動原理可知[6]，中點電位的偏移是由小矢量和中矢量引起的。在一個扇區內，小矢量的不對稱出現會引起中點電位偏移；中矢量對中點電位的影響比較復雜，在一般的電機控制中存在功率因素角，在電網和電機之間存在能量雙向流動，負載不對稱，致使中矢量引起中點電位偏移。而在光伏逆變器要求功率因素為1，不存在與電網之間的能量雙向流動，所以在三電平并網逆變器中采用中矢量不會影響中點電位平衡。這就省去了對中點平衡的控制，有利于軟件的編程。

3 簡化算法的實驗及結論

為了驗證以上所提出的算法，首先在MATLAB環境下用S函數建立了此三電平逆變器的閉環仿真模型[7]，得到閉環輸出的電流波形如圖3所示，從上到下依次為R相、S相、T相。可以看出在此算法下能產生平滑的電流波形，驗證了算法里的可行性。

圖3 仿真輸出的的并網電流波形

圖4 并網電流波形

圖5 中點電壓波形

圖6 電感之前的三相電壓細節波形

在實驗室已有的三電平逆變器上實現該算法。此三電平逆變器主電路采用兩級變流結構[8]，前級是雙BOOST升壓電路，后級為二極管中點箝位式三電平逆變電路，采用LC濾波，控制電路以TMS320F2808和CPLD EPM-1270T144C5N為核心的。其中母線支撐電容總大小為620μF，逆變電感為 0.8 mH，濾波電容為 10μF。

以Topcon的太陽能光伏模擬器作為輸入源，輸入最大功率為5 kW，測得實際的實驗并網電流波形如圖4所示。測得的中點電壓波動如圖5所示，從上到下依次為母線電壓、中點電壓和T相電流，母線電壓穩定在有效值721.27 V，中點電壓穩定在有效值 358.66 V，中點電位波動很小。測得的逆變電感之前的三相電壓波形細節圖如圖6所示，從上到依次為T相電壓、S相電壓和R相電壓，從圖中分析可知開關變化為000→-101→-111→-101→000，由此可以確認本文使用的是五段式，并且起始矢量都是從000開始。

經以上分析可見，采用簡化的SVPWM后，光伏逆變器輸出較為理想的并網電流波形且中點電位波動很小，從理論和實際上都驗證了該算法的可行性。

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