三電平離網式光伏功率變換系統的研究與設計

董 恒，馬 標，何 西，，王 輝

（1.湖南工學院 電氣與信息工程學院，湖南 衡陽 421002；2.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

0 引 言

隨著光伏發電裝置的不斷發展，傳統的兩電平功率變換拓撲無法滿足高壓大功率的場合[1]。兩電平直-交功率變換器有以下兩個缺點，一是其輸出相電壓僅有兩種狀態，輸出電壓諧波含量高，二是開關管在其關斷過程中兩端的電壓比較大，并且功率器件損耗較大，影響功率變換裝置的效率[2]。空間矢量調制對直流電壓利用率高，有利于數字控制實現，輸出更加逼近正弦波[3]。通過對空間向量的優化組合，大大降低開關器件的損耗[4,5]。

這里提出一種二極管箝位式三電平電路，采用基于DQ解耦雙閉環比例積分控制器的三電平SVPWM控制方案，實現功率變換器的無靜差調節，解決傳統功率變換器因為輸入直流電壓波動與橋臂控制死區及帶非線性負載造成的輸出電壓波形異化和輸出用電質量減弱等困難，使得裝置具有輸出諧波小、穩態精度高、動態響應快以及整機效率高的特點[6,7]。最后通過仿真與實驗，驗證了該方案的有效性。

1 系統電路原理分析

1.1 電路結構

二極管箝位式三電平直-交功率變換器主電路如圖1所示。

圖1 二極管箝位式三電平直-交功率變換器主電路

采用二極管箝位式直-交功率變換電路，以A相為例分析二極管箝位式三電平直-交功率變換電路。Sa1～Sa4為A相的4只IGBT管，通過改變IGBT的開關狀態，使其輸出電壓發生改變。其中，每只IGBT都有開通和關斷兩種狀態，那么每一相4只IGBT則存在16種狀態[8]。排除直通短路和無效狀態，最后有效的僅有3種。具體分析如下。

一是IGBT管Sa1和Sa2導通，Sa3和Sa4關斷。電流從Udc的正極流向負載，輸出的正電壓為Udc/2，或電流沿著輸出負載方向流進Udc的正極，續流二極管Da1和Da2導通，輸出的正電壓為Udc/2。二是IGBT管Sa2和Sa3導通，Sa1和Sa4關斷，電流從直流側中點通過箝位二極管D1和IGBT管Sa2到達輸出端A，輸出零電壓，或電流從負載進IGBT管Sa3和二極管D2后到達直流側中點，輸出零電壓。三是IGBT管Sa3和Sa4導通，Sa1和Sa2關斷，電流從電源Udc的負極流向負載，續流二極管Da3和Da4導通，輸出負電壓-Udc/2，或電流從負載流進Udc的負極，輸出負電壓-Udc/2（以上分析均不考慮器件正向導通壓降）。

2 三電平直-交功率變換器控制系統設計

2.1 三電平SVPWM原理分析

用三相開關電壓變量Sa、Sb以及Sc來分別可以表示三相橋臂每個輸出供電電壓狀態，可以表示為：

結合上述分析，從而可以將空間電壓矢量定義為：

將三電平直-交功率變換器開關狀態組合表示為空間電壓矢量，同時部分開關狀態的電壓矢量相同，在復平面的27組三相開關狀態實際上是相當于19個基本空間矢量，構成三電平直-交功率變換裝置的空間矢量狀態[9]。

2.2 電流環設計

通過坐標變換的方式，可以得到三相直交功率變換器在兩相d-q同步旋轉坐標系下的數學模型為：

式中，L為輸出電感，C為輸出電容，id為d-q坐標系電感電流；uod、uoq是d-q坐標系負載對應的電壓；iod、ioq是d-q坐標系負載對應的電流；ud、uq是d-q坐標系功率轉換器對應的輸出電壓。基于上述公式可以得到在頻域系統采用LC濾波的三相直-交功率變換器在d-q坐標系下的模型如圖2所示。

圖2 d-q坐標下的功率變換器模型框圖

根據直-交功率變換器工作在d-q坐標系下的電流變化方程式（5）和式（6），控制量ud和uq以及電流交叉耦合項ωLiq和ωLid是用來控制d和q軸的電流。為了解決電流耦合問題，添加負載電壓前饋、輸出濾波電感的電壓解耦控制模塊[10]。同時為達到無靜差控制的效果，電壓環電流環都采用PI控制，得到解耦之后的電流環方程組為：

式中，kPi為電流環比例系數，kIi為電流環積分系數，id*和iq*為d-q坐標系電流給定值，可以實現對d-q軸負載電流的解耦控制。

2.3 電壓環設計

根據直-交功率變換器工作時在d-q坐標系下的電壓變換方程式（7）和式（8）說明id、iq以及電壓交叉耦合項ωCuoq。其中，ωCuoq用來控制兩相旋轉坐標系的負載電壓。為了有效解決輸出電壓的耦合問題，對輸出電壓的閉環控制采用了負載輸出電流的前饋和輸出濾波電容電壓的解耦控制，得到解耦之后的電壓環方程組為：

式中，kPu為電壓環比例系數，kIu為電壓環積分系數，u*od和u*oq為d-q坐標系負載電壓給定值，可實現d-q軸電壓的解耦控制。

3 仿真與實驗

為了驗證理論分析的正確性，搭建了一個硬件實驗平臺進行實驗如圖3所示，采用TI公司的TMS320F28335數字芯片作為核心處理器進行控制算法處理，主電路采用三菱IPM模塊PM75RLA120，額定電壓為1 200 V，額定電流為75 A，母線電容容量為6 000 μF，輸出濾波電感為3 mH，額定電流為30 A。實驗結果表明，逆變器輸出諧波含量低，動態穩定性好，輸出電壓和電流波形如圖4所示，可以驗證所設計控制系統的可行性及正確性。

圖3 硬件實驗平臺

圖4 逆變器的輸出電壓電流波形

4 結 論

針對離網式光伏三相直-交功率變換器，提出一種二極管箝位式三電平電路采用基于d-q解耦雙閉環比例積分控制器的三電平SVPWM控制方案，實現了功率變換器的無靜差調節，使得光伏功率變換裝置輸出電能質量得到提高。分析提出中點電位控制方法，解決了母線電容中點電壓穩定性的問題，通過建立三電平逆變器數學模型，設計了基于d-q解耦的電壓電流雙閉環控制器，實驗結果說明輸出總諧波含量THD低，也驗證了控制系統的有效性。