基于SHEPWM 的三電平光伏并網(wǎng)逆變器控制方法研究

王婧博

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲412001）

1 概述

隨著平價上網(wǎng)迫近，降本增效成為光伏行業(yè)的迫切需求，逆變器作為光伏發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，在利好政策的刺激下技術(shù)不斷更新迭代，朝著更高電壓等級，更高單機(jī)容量的趨勢發(fā)展，因此，降低發(fā)電設(shè)備成本與提升發(fā)電效率成為研究熱點。三電平逆變器有效解決了中高壓應(yīng)用場景IGBT 功率器件的耐壓問題，降低了開關(guān)周期中的du/dt，成為DC1500V 光伏發(fā)電系統(tǒng)的首選方案。SHEPWM技術(shù)，選擇特定的開關(guān)時刻，消除選定的特征次諧波，具有開關(guān)頻率低，輸出電壓波形好，能有效降低電流紋波等特特點，對提升中高壓大功率發(fā)電設(shè)備的效率和經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義。

本文介紹了二極管鉗位的三電平并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)渑cSHEPWM技術(shù)，基于DC1500V 光伏發(fā)電系統(tǒng)，充分利用變壓器低壓側(cè)漏感，通過低開關(guān)頻率實現(xiàn)更高效的系統(tǒng)發(fā)電效率。

2 三電平光伏逆變器拓?fù)?/h2>

二極管鉗位三電平光伏逆變器拓?fù)潆娐啡鐖D1 所示，其中，PV 為太陽能光伏電池板，C1、C2為直流支撐電容，ANPC 為三相二極管鉗位三電平模塊，當(dāng)光伏電池板輸出電壓為Udc時，逆變模塊輸出Udc/2，0，-Udc/2 三種電平，0 電平為逆變模塊的環(huán)流路徑增加了一條電流通路。L1為逆變模塊輸出濾波電感，Cf為交流濾波電容，T 為網(wǎng)側(cè)升壓變壓器，為了降低發(fā)電設(shè)備成本，利用變壓器低壓側(cè)漏感Lg與L1，Cf組成LCL 濾波器。

圖1 三電平光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)拓?fù)?/p>

3 SHEPWM 控制策略

SHEPWM對光伏并網(wǎng)逆變器輸出相電壓進(jìn)行傅里葉分析，選擇特定次電壓諧波為消除目標(biāo)，建立超越方程以求得離線開關(guān)切換角，逆變器運(yùn)行時在通過查詢相關(guān)開關(guān)角進(jìn)行功率器件的開關(guān)控制，實現(xiàn)所期望的輸出電壓。根據(jù)輸出電壓波形具有1/4 周期對稱和π/2 偶對稱關(guān)系，求解1/4 周期內(nèi)的開關(guān)角，即可由相位關(guān)系得到整個周期內(nèi)的開關(guān)角，設(shè)1/4 周期內(nèi)的開關(guān)角為α1，α2，…αN，并且α1<α2<…<αN<90°，以開關(guān)角個數(shù)N 為11 為例，可令5，7，11，13，17，19，23，25，29，31 次諧波賦值為零。

對逆變器輸出相電壓進(jìn)行傅里葉分析，可得

根據(jù)波形的對稱性，并且n 為奇數(shù)時得到正弦分量關(guān)系式：

定義調(diào)制比M 為并網(wǎng)逆變器輸出相電壓基本賦值b1與1/2 倍直流母線電壓Udc之比，可以得到如下求解開關(guān)角的非線性方程組：b1=M·Udc/2；bn=0（n=5，7，11，13，17，19，23，25，29，31），當(dāng)N 為奇數(shù)時，可以消除3N-2 次以內(nèi)的諧波。開關(guān)角N 取11，可以得到11 個獨立方程，包括1 個基本賦值控制和10 個消除5，7，11，13，17，19，23，25，29，31 次諧波的方程式，對應(yīng)的逆變器開關(guān)頻率為1150Hz。

選取開關(guān)角數(shù)量后，可以求解不同調(diào)制比下的開關(guān)角數(shù)據(jù)，非線性方程的求解通過選擇開關(guān)角初始值，利用Matlab 中的fsolve 函數(shù)進(jìn)行求解，并存儲離線開關(guān)數(shù)據(jù)表。光伏逆變器工作時，根據(jù)當(dāng)前的調(diào)制比及電網(wǎng)電壓相位角查詢對應(yīng)的開關(guān)角進(jìn)行PWM調(diào)制。

由于該三電平光伏并網(wǎng)逆變器采用LCL 濾波器結(jié)構(gòu)，為了防止在諧振頻率處由于電壓諧波而引起諧振問題，SHEPWM算法所消除的諧波頻次應(yīng)大于LCL 濾波器的諧振頻率fLCL，即當(dāng)開關(guān)角為N 時，SHEPWM所消除的諧波次數(shù)滿足下式，式中f0為基波頻率。

3N-2>fLCL/f0（3）

4 Matlab 仿真研究

搭建了DC1500V 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，光伏太陽能電池板開路電壓Uoc 為1500V，以晶硅電池板為例，在25℃環(huán)境溫度條件下，逆變器跟蹤到最佳工作電壓Um 為0.8*1500V，即1200V時，輸出功率達(dá)到最大值，L1為0.07mH，Cf為200uF，變壓器T容量1000KVA，短路阻抗6%，交流并網(wǎng)電壓550V，求得變壓器低壓側(cè)漏感為0.058mH，LCL 的諧振頻率fLCL為1143Hz、滿足式3 所述系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

圖2 為N=11 時，逆變器最終至最佳工作電壓DC1200V 時電網(wǎng)相電壓和相電壓調(diào)制波，圖3 為三電平模塊輸出線電壓及并網(wǎng)電流波形，可以看到31 次以內(nèi)的低頻次諧波和31 次以上的高頻次諧波均被消除。

圖2 相電網(wǎng)電壓，相電壓調(diào)制波

圖3 三電平模塊輸出線電壓，并網(wǎng)電流

5 結(jié)論

通過SHEPWM的選頻特性有效消除了低頻段諧波，通過LCL 濾波器的高頻衰減特性有效抑制高頻段諧波，采用低開關(guān)頻率實現(xiàn)了MW 級DC1500V 逆變器高質(zhì)量電能輸出，降低了光伏發(fā)電設(shè)備的成本、體積，提升了系統(tǒng)發(fā)電效率。