T型三電平并網(wǎng)逆變器的控制方法研究

范譜林，張立炎

（武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430070）

0 引 言

太陽(yáng)、風(fēng)力發(fā)電等新能源系統(tǒng)需要并網(wǎng)逆變器作為與電網(wǎng)的接口，大功率無(wú)變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以考慮多電平逆變器。與傳統(tǒng)的兩電平全橋電路相比，中性點(diǎn)鉗位（NPC）拓?fù)渚哂休^低的電壓上升率，更低的開(kāi)關(guān)損耗，從而提高逆變器的效率［1］。

本文首先針對(duì)T型三電平逆變器獨(dú)特的中性點(diǎn)鉗位方式，提出了將改進(jìn)后的SPWM調(diào)制方式應(yīng)用于三相T型并網(wǎng)逆變器中，設(shè)計(jì)了電流前饋解耦控制器以及功率閉環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)時(shí)有功功率和無(wú)功功率的單獨(dú)控制。最后使用simulink仿真驗(yàn)證控制方法，在有電網(wǎng)擾動(dòng)的情況下具有一定的魯棒性。

1 T型三電平拓?fù)?/h2>

1．1 拓?fù)浣榻B

T型三電平NPC拓?fù)湟卜Q(chēng)為Conergy三電平拓?fù)洌陔娙莘謮旱玫降闹行渣c(diǎn)與輸出點(diǎn)之間加入了雙向的功率開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)的鉗位。這種拓?fù)鋯为?dú)一只橋臂形似旋轉(zhuǎn)過(guò)的字母‘T’，因此稱(chēng)為T(mén)型三電平。

T型三電平的工作原理［2］在于，通過(guò)雙向的功率器件將輸出點(diǎn)與中性點(diǎn)鉗位，這種雙向的功率器件可以使用反并聯(lián)或者反串聯(lián)的IGBT，或者單只逆阻型IGBT。

1．2 工作狀態(tài)分析

以單橋臂為例分析T型三電平逆變器的工作方式，定義從輸出點(diǎn)A流向電感的方向?yàn)檎鶕?jù)相電流與相電壓的極性，電路分為4種工作狀態(tài)。

圖1所示的拓?fù)涫侨郥型三電平逆變器的A相橋臂，開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所示。在輸出等效正弦電壓的正半周期，Sa2保持導(dǎo)通，Sa4保持關(guān)斷，Sa1和Sa3導(dǎo)通信號(hào)保持互補(bǔ)；在輸出等效電壓的負(fù)半周期，Sa3保持導(dǎo)通，Sa1保持關(guān)斷，Sa2和Sa4導(dǎo)通信號(hào)保持互補(bǔ)。

圖1 單相Conergy Npc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1．3 三相拓?fù)?/h3>

Conergy三電平拓?fù)湓黾恿算Q位電路，可以使用雙向IGBT，兩只反向并聯(lián)的IGBT或者兩只反向串聯(lián)的IGBT，利用晶體管內(nèi)部的體二極管實(shí)現(xiàn)電流的續(xù)流。如圖2所示，描述了三相三橋臂的T型三電平NPC逆變器拓?fù)洌绷髂妇€P和N分別接入直流電源的正負(fù)極，通過(guò)兩只相同容量的電容分壓，得到中性點(diǎn)，或者成為電壓的“中點(diǎn)”［3］。

表1 Conergy三電平NPC的半橋開(kāi)關(guān)狀態(tài)

圖2 三相Conergy NPC并網(wǎng)拓?fù)?/p>

正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）的調(diào)制波是正弦波，通過(guò)與三角載波比較輸出控制脈沖。為了將SPWM應(yīng)用于三電平T型逆變器，需要在控制脈沖的產(chǎn)生上做一定的修改。在脈寬調(diào)制方式的基礎(chǔ)上，可以使用雙極性三角載波與正弦波比較得到脈沖序列［4］。

2 數(shù)學(xué)模型

在三相靜止對(duì)稱(chēng)坐標(biāo)系中建立逆變器的一般數(shù)學(xué)模型，通過(guò)坐標(biāo)變換將三相靜止的abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系，交流量可以轉(zhuǎn)化為直流量，便于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［5］。

假設(shè)電網(wǎng)是三相平衡的，逆變器通過(guò)濾波電感L以及電阻R與電網(wǎng)相連，dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

其中ed、eq是電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)E的分量，ud、uq是逆變器交流側(cè)SPWM調(diào)制波電壓的d、q分量，id、iq是電網(wǎng)流向逆變器的電流矢量I的d、q軸分量。

3 使用前饋解耦控制的電流閉環(huán)

并網(wǎng)逆變器的功率控制是以瞬時(shí)功率理論為基礎(chǔ)的，這種功率控制通常以網(wǎng)側(cè)電壓為基礎(chǔ)，基于dq坐標(biāo)系，是與電壓向量旋轉(zhuǎn)角速度ω相同的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系［6］。使用前饋解耦控制策略，可以實(shí)現(xiàn)電流dq分量的解耦，電流調(diào)節(jié)器使用比例積分控制器，控制方程如下：

其中kiP、kiI分別是電流內(nèi)環(huán)的比例增益和積分增益。iq，ref、id，ref分別是d軸和q軸的電流指令。將所設(shè)計(jì)的電流調(diào)節(jié)器代入坐標(biāo)系模型中得到：

以上結(jié)果表明，使用前饋控制方法后，電流d軸分量的表達(dá)式不再含有q軸分量，兩者實(shí)現(xiàn)了解耦，從而可以實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)dq軸分量的單獨(dú)控制，如圖3。

圖3 dq坐標(biāo)系下的電流閉環(huán)解耦控制

在dq坐標(biāo)下進(jìn)行的電流閉環(huán)控制是功率控制的最直接形式，將該方法進(jìn)行改進(jìn)，引入功率閉環(huán)，將有功功率和無(wú)功功率參考值指令轉(zhuǎn)化為dq坐標(biāo)下電流的指令，形成功率閉環(huán)控制。圖中的PQ計(jì)算模塊如公式（4）所示。

在此基礎(chǔ)上，可以改變控制環(huán)節(jié)進(jìn)行功率的閉環(huán)控制。

如圖4所示，有功功率和無(wú)功功率經(jīng)過(guò)計(jì)算輸入控制器，與設(shè)定值作比較后經(jīng)過(guò)PI控制器輸出dq坐標(biāo)下電流的參考值。功率閉環(huán)控制器的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生擾動(dòng)的時(shí)候提供良好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)功率的精確輸出。

4 仿真結(jié)果

圖4 PQ閉環(huán)參考電流控制器

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的并網(wǎng)控制方法的有效性，在simulink環(huán)境中搭建了conergy NPC三電平逆變器的仿真電路，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

實(shí)驗(yàn)1：?jiǎn)挝还β室驍?shù)并網(wǎng)電壓和電流的波形。從圖5中可以得出，經(jīng)過(guò)濾波電容之前逆變器的線間電壓有±800 V和±400 V和0，線電壓Ua－b體現(xiàn)出其三電平的特性。輸出電流為正弦波，并且與線對(duì)地電壓相位相同，功率因數(shù)保持在1。

圖5 單位功率因數(shù)并網(wǎng)的電壓電流波形

實(shí)驗(yàn)2：電網(wǎng)電壓三相平衡，幅值、頻率和相角不改變。0．22 s給出改變輸出無(wú)功和有功調(diào)整的指令，有功指令從0．8 p．u．跳變到0．5 p．u．，無(wú)功功率指令從0跳變到0．62 p．u．，功率因數(shù)從1變到0．627。

圖6是電網(wǎng)電壓和逆變器輸出實(shí)際電流的波形。圖7是dq坐標(biāo)系下電流的改變。從圖中可以看出，發(fā)出指令之后輸出電流迅速地跟隨指令值改變，電流波形保持正弦波。

圖6 功率變化時(shí)電網(wǎng)電壓和輸出電流的波形

圖7 dq坐標(biāo)系下的電流波形

5 結(jié) 論

本文提出了改進(jìn)型SPWM在T型三電平并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用，結(jié)合電流閉環(huán)解耦控制器實(shí)現(xiàn)了功率解耦控制。

使用前饋控制的策略，基于坐標(biāo)系的變換，可以實(shí)現(xiàn)電流分量的解耦，從而可以單獨(dú)控制電流分量，達(dá)到有功功率和無(wú)功功率精確控制的目的。同時(shí)，可以在電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生擾動(dòng)時(shí)提供良好的動(dòng)態(tài)性能，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的魯棒性。

［1］ 李 寧，王 躍，雷萬(wàn)鈞，等．NPC三電平變換器中點(diǎn)電壓控制方法綜述［J］．電力電子技術(shù)，2011，45（10）：78－80．

［2］ 童鳴庭．三相T型三電平非隔離并網(wǎng)逆變器的研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013．

［3］ 肖華鋒，楊 晨，謝少軍．NPC三電平并網(wǎng)逆變器共模電流抑制技術(shù)研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，（33）：23－29．

［4］ 王 勇，高 寧，羅悅?cè)A，等．三相三電平并網(wǎng)逆變器無(wú)死區(qū)SPWM控制研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（21）：70－75．

［5］ 李玉軍．三電平逆變器控制方法及其在矢量控制中的應(yīng)用研究［D］．重慶：重慶大學(xué)，2008．

［6］ 黃守道，陳繼華，張鐵軍．電壓型PWM整流器負(fù)載電流前饋控制策略研究［J］．電力電子技術(shù)，2005，39（4）：53－55．