光伏發電三相三電平并網逆變器新型調制算法

謝積錦，黃文東，莊 遠，李紅星，楊忠強，吳 飛

(1.北部灣大學 欽州市大數據資源利用重點實驗室，廣西欽州 535011；2.北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535011)

近年來，太陽能并網發電技術受到了國內外專家的廣泛關注。核心設備逆變器的應用隨之增加，甚至滲透到了化學化工領域。三電平逆變比兩電平逆變具有輸出電壓電流諧波小[1-4]、功率開關電壓應力低等明顯優勢。

在三電平逆變拓撲中，二極管箝位型拓撲的應用最為廣泛，但其中點電位平衡問題不容忽視。中點電位不平衡會帶來一定的影響，如：逆變器的輸出電壓畸形；開關器件耐壓不均衡[5]；降低電容的使用壽命等。導致中點不平衡的原因也很多，雖可用硬件電路或軟件控制中點電位，但硬件控制成本高，所以，目前主要從軟件控制上進行研究。當前主流的調制方法為空間矢量脈寬調制(SVPWM)。傳統文獻介紹的方法都是基于傳統的七段式SVPWM來實現中點電位平衡，都面臨開關動作次數較多，開關損耗程度大等問題，因此本文就這一問題進行優化，實現五段式SVPWM算法，在達到中點電位平衡的同時減少開關管次數，減小開關損耗。

本文基于七段式SVPWM研究一種五段式SVPWM，通過扇區的確定選擇合理的開關序列，通過利用小矢量中兩個開關狀態的特性進行序列的選擇，實現中點電位平衡。為進一步降低開關損耗，還實現了在相電流最大值附近使開關不動作。

1 三電平逆變拓撲及傳統的SVPWM

1.1 三電平逆變器拓撲結構及空間矢量分布

二極管型三電平逆變結構如圖1所示。每相由4個開關管Sx1、Sx2、Sx3、Sx4串聯組成，Dx1、Dx2用于將某相箝位于中點O。四個開關所組成的開關狀態共有16種，但由于Sx1和Sx3互補、Sx2和Sx4互補，且Sx1和Sx4導通無意義，所以每相只有P、O、N三種輸出狀態。以O為參考點，當開關Sx1、Sx2導通，Sx3、Sx4關斷時，輸出電壓為Vdc/2,記為P狀態；當開關Sx2、Sx3導通，Sx1、Sx4關斷時，輸出電壓為0,記為O狀態；當開關管Sx3、Sx4導通，S_x1、Sx2關斷時，輸出為-Vdc/2,記為N狀態。

圖1 NPC三電平逆變器拓撲

逆變器三相共有27種開關狀態，將開關狀態對應的三相輸出電壓代入電壓空間矢量表達式：

(1)

圖2 空間矢量分布圖

在27個矢量中，大矢量和零矢量對中點沒有影響；只有中矢量和小矢量對中點有影響，但由于小矢量具有成對正負冗余矢量且對中點影響相反，因此，目前大多數研究都是基于七段式展開，通過在一個開關周期內調整正負小矢量的作用時間來控制中點電位。

七段式開關序列如表1所示。開關順序需滿足兩個基本原則：(1)前后兩個矢量切換時，同一相不能出現P與N之間的直接切換；(2)前后兩個矢量切換時，逆變三相橋臂的開關不能同時動作。以1.4小區為例，POO與ONN相互抵消，得出矢量圖如圖，由圖可看到一個周期時間內每一相的開關動作兩次，而且每一相都有動作。

表1 第1扇區空間矢量分配

其實在確定開關順序之前，還需：

(1)確定參考電壓矢量的位置，及大扇區小區間的判斷。如圖2所示，有六大扇區，每一大扇區又分為六個小區間。

(2)確定合成參考矢量的基本矢量，一般采用最近三矢量法(NTV)，也就是參考矢量所在的小三角形區間的頂點的三個矢量來合成。

(3)合成矢量確定之后，通過“伏秒平衡”計算每個小區間內矢量的作用時間。

1.2 中點電位平衡問題

中點電位不平衡問題現階段主要分為硬件控制和軟件控制。硬件控制策略是從電路結構上考慮的，利用直流側的中點來箝位或外加電壓補償電路來均衡電容電壓，控制較復雜[6-7]，成本高且可靠性低。軟件控制策略是著眼于調制，通過合理的選擇三電平逆變器的開關序列，調整正、負小矢量的作用時間，來阻止中點電位的定向偏移，或者根據冗余矢量對中點電位的相反影響，在扇區選取開關時采取不一樣的開關模式，并且引入控制因子。由于空間電壓矢量脈寬調制技術易處理，在調制策略中最具有優越性，三電平逆變器中點電位控制通常采用軟件控制策略。

在七段式調制中調整中點電位，以正小矢量為首發矢量，只需要看某矢量作用時連接到中點電位的電流方向，就可以知道它對直流電容電壓的影響方向，再結合直流電容電壓Vc1和Vc2的不平衡方向，對正負小矢量的作用時間進行調整。

圖3 1.4小區空間矢量時序圖

圖4 逆變器直流側輸入端

定義△V=Vc1-Vc2。當△V>0時，Vc1>Vc2，要加大正小矢量的作用時間，即加強C1的放電時間，使之降低；當△V<0時，則應該減小正小矢量的作用時間。為了防止出現中點電位小波動給帶來的開關管動作頻率加快現象，增大開關的損耗程度，還需定義一個閥值h，當△V>h或△V<-h時才進行調整，讓△V盡可能的在±h范圍內波動。增大或者減小矢量的作用時間通過乘以一個調節因子k來實現，一般取0.25h或△V<-h時，k大于0.5。

2 五段式調制

由上述可知，在七段式調制中，每個采樣周期內使用一個小矢量的兩個狀態組合，利用它們對合成參考矢量的作用相同但對直流側電容中點電位的影響相反的特性，進行中點電位平衡控制。根據直流側電容中點電位的偏移和相電流的方向，通過調整小矢量的作用時間來使直流側電容電壓在一定的范圍內波動。而五段式調制，要使在一個周期內某一相開關保持不動作的同時，另外兩相只動作2次，以此來減少開關次數，降低開關損耗度，控制中點電位平衡。

2.1 五段式中點平衡控制策略

因在五段式中每一個電壓矢量只能用一種狀態組合(如：小矢量POO或OON只能選其一),所以在五段式中一個采樣周期內是沒有能力來調節中點電位平衡的。

通過分析，五段式調制每個小區可以分成兩種對中點電位有相反的影響的矢量序列方式，也就是在一個開關周期內只能出現某個電壓矢量的一個狀態組合，我們可以在另一個開關周期內采用同一個電壓矢量的另一個狀態組合，這樣整體看起來也是可以調整直流側電容中點電位的。以第1扇區為例的兩種矢量序列導通方式如下表2，其它扇區類推。方式0是可以使△V下降的矢量序列方式，方式1是可以使△V上升的矢量開序列方式，所以當△V上升時采用方式0，當△V下降時采用方式1。

表2 五段式開關序列

其中的中點電位波動的大小可以直接由直流側電容電位差△V=Vc1-Vc2來判斷,再通過與設定的閥值h比較決定使用方式0還是方式1，當△V超過允許波動范圍|h|才進行調節。五段式控制框圖如圖5所示。

圖5 中點電位平衡控制圖

以參考矢量在1.0小區為例，作出五段式輸出電壓矢量(方式0)的時序圖如圖6所示。通過圖6與圖3對比發現：五段式在一個周期內有一相開關不動作，其他兩相只動作2次，與七段式相比較開關動作次數減少了，從而在一定程度上降低了開關損耗。

圖6 五段式時序圖

2.2 相電流最大時開關管不動作

在逆變器中，通過減少開關次數來減少開關損耗，除了在選擇開關序列時保持開關次數減少，還需考慮大電流開關管不動作，這樣可以更多的減少開關次數。

由圖7可知，1.0、1.2、1.4小區時A相電流最大，即A相不開關；1.1、1.3、1.5小區時C相電流最大，即C相不開關。所以第1扇區實現大電流不開關時需要的開關組合如表3，分析發現實現大電流不開關和實現中點電位平衡之間相互矛盾，因為要實現大電流開關管不開關，則在某一小區中的開關方式得固定，而要實現中點電位平衡其導通方式應是可變的。

圖7 三相電流波形和扇區

表3 實現大電流不開關的開關組合

進一步分析，當逆變器在單位功率因數下穩態運行時，參考電壓矢量運行在每一扇區的4-2-3-5或5-3-2-4小區，同時大部分運行在第4小區或第5小區，因此要實現大電流開關管不開關，就應在1.4小區采用方式0,1.5小區采用方式1。如果在1.2和1.3小區實現大電流不開關的話線電壓會發生較高的幅值跳變，因此這兩小區不進行大電流不開關。所以，我們選擇在1.0、1.1、1.2、1.3小區內實現中點電位平衡，而在1.4、1.5小區內實現大電流不開關。當在1.4小區運行方式0，在1.5小區運行方式1時，從整個扇區來看它們對中點的作用可以抵消。這樣既可以控制中點電位，又可以最大限度減少開關次數降低開關損耗。

如圖8，設調制度為M，不動作角度為θ，則

圖8 參考矢量直角坐標系示意圖

(2)

由余弦定理得：

(3)

由正弦定理得：

(4)

將(2)和(3)式帶入(4)解得當調制度M=0.88時，θ=25.38°，所以大電流不開關的角度為25.38°×2=50.76°。

3 并網控制

3.1 NPC三電平并網逆變器動態數學模型

系統各變量在ABC三相靜止坐標系中均為交流量，不能方便有效的對并網逆變系統進行控制，因此通常將ABC三相靜止坐標系轉換到αβ兩相靜止坐標系，再將αβ兩相靜止坐標系轉換到dq旋轉坐標系[8-10]，從而將交流分量在旋轉坐標系下轉變為直流分量。

圖9 逆變器等效模型

假設三相電網電壓平衡，可推得：

(5)

(6)

再進行d軸電網電壓定向同步旋轉坐標變換可得到式(7)方程，將式7用框圖表示，得到系統的控制對象數學模型，如圖10所示。

圖10 傳遞函數框圖

(7)

3.2 內環控制策略

由于圖10中d軸和q軸上存在交叉耦合，相互影響，所以本文采用電網電壓前饋電流交叉解耦的控制策略，以便抵消兩個坐標軸的相互影響，控制框圖如下圖所示。

圖11 并網逆變控制結構圖

4 仿真驗證

為了驗證本文提出的五段式調制法，在Matlab/Simulink環境中搭建圖1所示三電平拓撲的仿真模型，并基于S-function模塊實現本文調制算法，仿真參數：Vdc為630V，并網電流幅值為30A，電容C1=C2=900μF，電感L=4mH，開關頻率為20kHz，電網電壓為220V/50Hz，閾值|h|=20V，調制度M為0.88。

圖12為線電壓波形，線電壓沒有出現較大的跳變，即矢量切換滿足了兩個基本原則。圖13第1、2個波形分別為電壓參考矢量所在的大扇區及小扇區，參考矢量按照逆時針旋轉,分別經過第1～6大扇區及小扇區5-3-2-4-4-2-5-3，與2.2節及圖2吻合。第3個波形為△V，可見，其在±20V內浮動，中點電位控制在了合理的范圍內。

圖12 線電壓波形

圖13 扇區判斷和電位差

圖14為本文提出的五段式并網電流波形，波形能保持正弦度，實現了并網電流正弦控制，雖然可看出逆變器輸出電流帶有高次諧波，但幅值并不大。圖15是傳統的七段式并網電流THD分析和本文提出的五段式電流THD分析，五段式的THD稍微大于七段的THD，但差距比較小，依然滿足THD<5%的國際標準。表明本文算法在降低開關損耗的同時，不會對THD產生較大影響，優化算法可行，通過進一步計算開關損耗，發現所提方法比傳統七段式方法，效率提高了2個百分點。

圖14 三相電網電壓、逆變器輸出電流

圖15 五段式與七段式的THD

5 結論

本文針對NPC三電平逆變器中點電位平衡和開關損耗問題，通過分析七段式開關序列研究一種五段式開關序列，在五段式下既能實現中點電位平衡，又能盡量降低開關次數減小開關損耗。

(1)根據小矢量對中點電位具有相反的影響，矢量序列分為兩種方式，即方式0和方式1。通過電壓差的大小選擇合理的方式來調整中點電位平衡。

(2)減少了開關管在大電流時的動作次數，實現大電流不開關，較大程度地降低了開關損耗，與七段式相比效率提高了2個百分點。

(3)通過仿真分析了本文提出的五段式SVPWM法，驗證了其可行性與有效性。