新式七電平逆變器及其并網控制分析

馬蘭珍，向立文，潘春林，陶 冶

(1.國網安徽省電力公司安慶電力公司，安徽 安慶 246003；2.中國移動通信集團湖北有限公司荊州分公司，湖北 荊州 434000)

新式七電平逆變器及其并網控制分析

馬蘭珍1，向立文2，潘春林1，陶 冶1

(1.國網安徽省電力公司安慶電力公司，安徽 安慶 246003；2.中國移動通信集團湖北有限公司荊州分公司，湖北 荊州 434000)

提出一種單相七電平逆變器空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術，根據伏秒平衡原理，采用T型濾波器，通過逆變器側電流反饋控制確保并網系統穩定，采用比例諧振(PR)控制減小穩態誤差，實現了高功率因數并網，同時引入電網電壓的前饋控制消除電網電壓擾動對并網電流的影響。仿真結果表明：該逆變器并網系統具有良好的穩態和動態性能。

七電平逆變器；并網控制；T型濾波器；PR控制器

0 概述

可再生能源包括風能、太陽能、水能、生物質能、潮汐能以及地熱能等，充分利用此類能源可增加能量供給和減少環境污染。現在對可再生能源的利用主要采用分布式并網發電技術，其關鍵技術在于采用合理的逆變器拓撲結構和并網控制策略，以便獲得穩定的并網系統和高質量的并網電流。

相比傳統的兩電平逆變器，多電平逆變器具有輸出電壓諧波小、電磁干擾小及可采用小尺寸濾波器等優點。傳統二極管箝位型和飛跨電容型等多電平逆變器，其拓撲結構復雜，含有大量功率開關管，控制較為復雜，一般用于大功率場合。本文提出一種結構簡單的新型七電平逆變器拓撲，與傳統拓撲相比，大大減少了開關數目，在控制和節能方面具有明顯優勢，尤其適用于中小功率的并網系統。

目前，多電平逆變器調制技術總體上分為載波脈寬調制(PWM)和空間矢量脈寬調制(SVPWM)2種。傳統單相多電平逆變器多采用載波PWM技術，而SVPWM技術因具有物理概念清晰、易于數字化實現、電壓利用率高等優點，在三相拓撲結構中得到廣泛應用。本文將三相逆變器SVPWM技術引入到單相七電平逆變器中，提出了一種單相七電平逆變器SVPWM技術。該技術具有形式簡單、易于DSP編程實現等特點。

為降低開關頻率引起的電流諧波，T型濾波器可選取較小的電感，以實現較好的濾波效果，但其欠阻尼特性不利于系統穩定運行。根據相關參考文獻，采用典型的并網電流直接閉環控制策略，無法使系統穩定。在并網電流直接閉環控制的基礎上，在濾波器電容支路串聯電阻，達到了很好的阻尼效果，且控制簡單；但串聯電阻不僅存在損耗，同時還會削弱濾波器對高頻諧波的抑制能力。采用逆變器側電流、電網側電流以及濾波器支路電容電流的雙環或多環控制策略，均可實現系統的穩定性，但其對調節器的依賴較大，增加了系統的復雜程度，增加了系統的成本。綜合考慮各種因素，現采用逆變器側電流反饋單環控制策略，無需增加額外的傳感器，降低系統成本。該策略可有效抑制T型濾波器存在的諧振尖峰，易于系統的穩定，同時可有效保護功率開關，增強系統的可靠性。

針對傳統PI控制在跟蹤正弦信號時存在穩態誤差和相位差等缺陷，本文在電流環中采用PR控制，有效減小了穩態誤差和實現了高功率因數并網；同時為消除電網電壓擾動對并網電流的影響，引入電網電壓的前饋控制。仿真結果表明：采用SVPWM技術，實現了新型七電平逆變器的七電平電壓輸出。結合本文采用的閉環控制策略，該逆變器并網系統實現了良好的穩態和動態并網效果。

1 并網逆變器的主拓撲結構及模態分析

新式七電平并網逆變器主電路拓撲結構(見圖1)，含有1個橋式結構和2個雙向輔助開關結構。將新能源發電的前級直流部分等效成恒定直流電壓源UDC，其大小為E，直流側電容C1=C2=C3，則逆變器輸出電壓UAB有7個電平狀態：±E、±2E/3、±E/3、0，共8種工作狀態，定義S1S4和S2S3為大矢量，S4S5和S2S6為中矢量，S4S6和S2S5為小矢量，S1S2和S3S4為零矢量。

圖1 并網逆變器主電路

輸出電壓模態和開關管通斷情況如表1所示。

表1 輸出電壓和開關管通斷情況對應表

2 控制原理分析

2.1 單相七電平逆變器調制方法

2.1.1 單相七電平逆變器SVPWM圖

SVPWM技術最初應用于電機調速領域，后擴展為一種在整流/逆變領域的PWM策略，在三相拓撲結構中得到了大量應用。本文根據電壓矢量的模長大小，將單相七電平空間矢量圖分為6個區間，參考電壓矢量V以角頻率ω逆時針旋轉，根據其所在區間，選擇該區間內的2個電壓矢量合成。逆變器輸出電壓UAB為矢量V在x軸上的投影，如圖2所示。

2.1.2 輸出矢量的作用順序

當參考電壓矢量位于區間1時，矢量由S4S5和S1S4合成；當參考矢量位于區間2時，矢量由S4S6和S4S5合成；當參考矢量位于區間3時，矢量由S3S4(S1S2)和S4S6合成，剩余區間依次類推。表2為輸出電壓矢量的作用順序，由此可知：每次工作狀態發生變化時，都有1個開關保持原狀態不變，有效減少了開關損耗。

圖2 單相七電平逆變器空間電壓矢量

表2 輸出電壓矢量作用順序

2.1.3 輸出電壓矢量的作用時間

根據伏秒平衡原理，即式(1)，可求得每個輸出矢量(T1、T2)的作用時間，如表3所示。其中：Ts為開關周期，V1、V2為參與合成的2個電壓矢量。

表3 輸出電壓矢量的作用時間

2.2 并網控制策略分析

2.2.1 開環系統的數學模型

根據圖1的主電路進行數學建模，基于T型濾波器的拓撲結構，忽略其等效串聯電阻，可得到復頻域下的電流電壓方程組為

式中：L1-T型濾波器左側電感；I1-流過L1的電流；L2-T型濾波器右側電感；I2-流過L2的電流；Cf-T型濾波器電容；Vi-AB兩點輸出電壓；Vc-T型濾波器電容兩端電壓；Vg-交流電流電壓。

T型濾波器的動態結構圖如圖3所示。其中電網電壓為系統的擾動量。則逆變器輸出電壓到電網電流的傳遞函數，即系統的開環傳遞函數G(S)為式(3)。

圖3 T型濾波器結構示意

為便于分析，在此給出系統參數：直流側電壓UDC=400 V，L1=5 mH，L2=1mH，Cf=1 μF。G(s)的伯德圖如圖4所示，同時給出單電感濾波器伯德圖，其電感值為6 mH。由此可知：T型濾波器較之于單電感濾波器在高頻段有更好的諧波衰減效果，但是在諧振頻率處存在幅值尖峰，并造成相位巨變，增加了系統設計的難度。

2.2.2 電流閉環控制策略

采用典型的并網電流直接閉環控制，作出系統的閉環控制框圖，如圖5所示。其中：GC(s)為調節器，為便于穩定性分析，此處采用比例調節器。本文選擇開關頻率為10 kHz，K為逆變橋部分的等效增益環節，取K=40。由此可得：并網電流的傳遞函數為式(4)，閉環系統的特征方程為式(5)。圖6(a)是其根軌跡曲線，從圖中可知：根軌跡落入復平面右半平面，系統不穩定，所以采用典型的并網電流直接閉環控制無法滿足系統的穩定性要求。

圖4 系統開環傳遞函數的伯德圖

本文采用逆變器直接輸出電流i1間接控制并網輸出電流i2。由于T型濾波器選擇較小的電容，近似認為不會造成網測電流滯后于逆變器測電流，其仿真結果也證實了該處理方法的合理性。同時，為消除電網電壓擾動對并網電流的影響，引入電網電壓的前饋控制，由于該前饋控制屬于開環控制，在閉環分析中，可直接略去電網電壓擾動對系統的影響。本文采用的系統控制結構如圖7所示，等效的線性控制結構示意如圖8所示。并網電流的傳遞函數為式(6)，其根軌跡曲線如圖6(b)所示。從圖6(b)中可知：選擇合適的調節器GC(s)，可使系統的根軌跡進入復平面左側，保證系統的穩定運行。

圖5 并網電流直接閉環控制結構示意

2.2.3 調節器的選擇

在并網電流控制系統中，傳統的調節方法是PI調節，但其在跟蹤正弦信號時存在穩態誤差和相位差，本文采用PR控制進行調節。PI控制器和PR控制器的傳遞函數如式(7)、(8)所示。

圖6 系統閉環根軌跡曲線

在并網電流基波頻率處，PI調節器的增益(K2P+(Ki/ωo)2)1/2為有限值，PR控制器在電流基波頻率處增益(K2P+(Ki/(-ω2o+ω2o))2)1/2為無窮大，該無窮大增益可有效提高并網電流跟蹤參考電流和抵抗電網擾動的能力。由于實際數字系統精度有限，理想的PR控制器不可能實現，通常采用一種易實現的準PR控制器，其傳遞函數為：

3 仿真分析

應用MATLAB/Simulink仿真驗證理論分析，系統的輸出功率為1 kW，參考電流峰值為6.40 A，電路參數設置參照理論分析。

圖9為新型七電平并網逆變器輸出的七電平電壓波形。為驗證系統的靜態性能，分別采用PI控制、無網壓前饋的準PR控制和有網壓前饋的準PR控制對系統進行了仿真，根據相關參考文獻對PR控制器進行設計，其設計參數為：Kp=0.9，Ki=300，ωc=3.5，且PI參數已調整為最佳。

在理想電網情況下，采用PI控制時參考電流與并網電流波形如圖10(a)所示，其并網電流基波峰值為6.50 A，諧波總畸變率(THD)為1.12 %；采用準PR控制時參考電流與并網電流波形如圖10(b)所示，其并網電流基波峰值為6.36 A，THD為0.34 %。由此可見：在跟蹤參考電流信號時，PI控制存在明顯相位滯后，且穩態誤差較大；準PR控制實現了單位功率因數并網，且穩態誤差較小。

圖7 控制系統結構示意

圖8 等效線性控制結構示意

在非理想電網情況下，假設電網電壓畸變率為16.51 %，圖11(a)為無網壓前饋時參考電流與并網電流波形，其并網電流基波峰值為6.32 A，THD為3.69 %；圖11(b)為有網壓前饋時參考電流與并網電流波形，其并網電流基波峰值為6.35 A，THD為0.67 %。

由此可見：網壓前饋可有效抑制電網電壓畸變給并網電流帶來的影響。

圖9 逆變器輸出的七電平電壓波形

圖10 理想電網條件下不同控制器并網電流仿真波形

圖12 為非理想電網情況下采用準PR控制器時系統的動態特性仿真圖，并網功率分別在0.085 s時減半和加倍。

從波形可知：系統在功率突變情況下依然能穩定運行，且具有較好的動態性能。

圖11 非理想電網條件下并網電流仿真波形

圖12 并網功率突變時的動態仿真波形

4 總結

基于新式七電平并網逆變器，本文提出了一種單相七電平逆變器SVPWM技術，實現了多電平電壓輸出；采用逆變器側電流反饋控制使并網系統穩定；在電流環中采用PR控制，有效減小了穩態誤差和實現了高功率因數并網；同時為了消除電網電壓擾動對并網電流的影響，引入電網電壓的前饋控制。本系統控制方法簡單可靠，具有很好的穩態性能和動態性能，理論分析和仿真結果均證實了將該拓撲與所用控制策略相結合的優越性。

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2015-05-19。

馬蘭珍(1986-)，女，工程師，主要研究新能源發電及其并網控制技術，email：mlanzhen1024@163.com。

向立文(1987-)，男，工程師，主要從事通信工程建設管理工作。

潘春林(1981-)，男，工程師，主要從事高壓技術試驗工作。

陶 冶(1980-)，男，工程師，主要從事高壓技術試驗工作。