TNPC三電平變流器并聯控制策略應用研究

范立榮，江躍龍，張勝賓，李懷俊

(1.廣東交通職業技術學院 汽車與工程機械學院，廣州 510650；2.廣州鐵路職業技術學院 信息工程學院，廣州 510650)

0 引 言

三電平逆變器具有開關頻率高、輸出諧波含量小、系統效率高等優點，在新能源發電領域得到廣泛的應用[1-2]。三電平T型中點鉗位(以下簡稱TNPC)并聯逆變器系統可根據用戶需求靈活配置和擴展，在未來的智能家居及智能電網中扮演著重要的角色。在光伏并網逆變器中，三電平智能變流器并聯控制可以實現經濟運行模式，該模式下可以實現可再生能源優先、非可再生能源次之、儲能系統補充和備用第三的能源使用順序，當遇到“填峰削谷”時可智能調整。

但是，逆變器的直接并聯必然會導致并聯模塊間的環流問題[3-5]。外零序環流會帶來三相電流畸變和直流偏置等問題，增加系統的損耗，如不對零序環流加以控制，會造成控制系統波形變差，甚至使系統崩潰[6-7]。同時，三電平TNPC變流器若中點不對稱將使輸出電壓含零序分量，這將導致系統不可靠。因此，研究中點電位平衡控制也是研究三電平逆變器的控制策略的核心課題之一[8]。

本文針對多臺智能變流器并網產生的環流及中點不平衡等問題，提出一種新型的并聯均流控制策略，具體包括下垂控制、中點電位平衡控制、環流抑制等，并對其進行了具體的分析及設計，實驗結果證明了控制策略的高效性及可靠性。

1 TNPC三電平變流器調制策略

三相多臺TNPC變流器具體控制策略如圖1所示，交流側采用理想三相電壓源EA、EB、EC，其線電壓有效值為380 V，L為濾波電感，取值為0.9 mH，C1、C2為濾波電容，取值分別為22 μF、0.47 μF，R為47 kΩ。i為電感側電流，u為采樣電容C1電壓；采樣直流側中點電壓并計算得到中點電位差ΔU；Vd、Vq分別為經過下垂控制、電壓電流雙閉環調節后得到的d、q軸輸出電壓；中點電壓平衡采用比例調節方式，將直流側中點電壓壓差檢測得到的結果，經過合適的比例系數調節，從而將中點電壓壓差控制在一定范圍內；環流通過比例積分諧振調節器(PIR)，其中PI主要抑制的是直流分量，諧振主要抑制的是3次、9次諧波分量。中點電位平衡控制采用比例調節的方式并與電壓電流雙閉環輸出的電壓疊加，最終得到調制波，并采用PD控制策略進行調制。

圖1 三相多臺TNPC變流器運行控制框圖及調制策略

1.1 下垂控制原理

三電平TNPC智能變流器采用P-Udc(功率和直流側電壓)下垂控制方式，其下垂曲線圖如圖2所示。

圖2 P-Udc下垂控制原理

圖2中，UO代表TNPC智能變流器空載時直流側母線電壓，Udc代表TNPC智能變流器直流側母線實際電壓，P代表變流器實際功率，m代表曲線的下垂系數，具體的下垂控制表達式如下：

Udc=UO-mP

(1)

m的具體表達式：

(2)

式中：ΔUdcmax代表母線電壓可容許最大邊際值，取5%；PN為負載額定功率。理想情況下近似認為交流側有功功率Pac與直流側有功功率Pdc相等，即有如下表達式：

Pac=Pdc

(3)

1.2 變流器并聯環流模型及其抑制方法

在TNPC智能變流器控制系統中，以三臺變流器并聯拓撲系統為例，圖3為 三臺并聯變流器系統等效電路圖。

圖3 三臺變流器并聯拓撲等效電路圖

由圖3可以得出任意一相電壓矢量關系式(這里以R相為例)：

三是創新優化政務環境。全面落實深化改革各項工作，創造性成立商事審批服務虛擬辦公室，打破傳統審批固化程序，重構審批流程，提前介入技術審查和業務指導，實行“一窗受理、集成服務”，目前在全省“施工許可50天”改革基礎上，最少可為項目建設方節約12-17天時間。暢通政企溝通渠道，設立企業投訴熱線，在“江蘇姜堰”微信公眾號開通網上投訴渠道，對企業的合理合法訴求第一時間回應、第一時間解決。

(4)

式中：Vr為R相電源；r為每相電感等效內阻；R1，R2，R3為TNPC并聯變流器等效負載電阻；ua為PWM整流交流側電壓基波；Vo為整流輸出電壓；Vo-為輸出負載環流端電壓；d1為與輸出電壓成比例的常數，同理其它S相、T相參數同。

由式(4)可以推導出：

(5)

同理對S相、T相均有：

(6)

(7)

把式(5)、式(6)、式(7)累加可以得到：

(8)

如果我們忽略高次諧波分量，則可以得到：

(9)

(10)

由式(9)、式(10)可知，由于線路阻抗RL非常小，三臺逆變器輸出電壓Vo在自身參數異同會導致并聯三電平智能變流器輸出不平衡電流Io。通過優化濾波器的設計參數、載波信號同步等手段，可以對高頻環流有較好的抑制效果[9-10]。

由前面可以得出變流器并聯環流控制系統框圖，如圖4所示。

圖4 變流器并聯系統環流控制框圖

1.3 改進型TNPC環流抑制算法

從前面可知，多臺變流器運行時在變流器之間會產生環流，因此多臺變流器的調制策略在單臺變流器的基礎上加入環流控制。多臺變流器的運行控制框圖同單臺的一致，不同的是在PD調制中引入了環流控制，控制第N臺變流器的零序環流與第N-1臺的環流在數值上大小相等，控制方向相反，即圖4中環流幅值相位控制調節器，它包含中點電壓ΔU與三相電流矢量進行PIR調節控制，具體改進型環流控制如圖5所示。

圖5 兩臺TNPC智能變流器零序環流的控制

在圖1中，采樣第一臺變流器的電流iA1、iB1、iC1，計算得到流經每臺的零序環流大小為io,io的計算公式如下：

io=(iA+iB+iC)/3

(11)

圖5為兩臺TNPC智能變流器并聯運行時對環流進行控制的調制策略，將環流進行PIR控制后，經過下垂、電壓電流雙閉環得到的d、q軸電壓經過2r/3s坐標變換得到三相電壓，對調制波做歸一化處理后與載波比較得到所需的PWM波形，去控制每個橋臂開關管的通斷。PD調制具體如圖6所示。

圖6 PD調制策略輸出PWM波

1.4 TNPC改進型中點平衡控制算法

對于中點電壓Vo(即ΔU)平衡的控制，具體的方法是將中點電壓壓差經過采樣并進行計算，再采用比例調節的方式去控制中點電壓，得到的空間矢量調制波為經過變換后的三相電壓和中點電壓偏差經比例調節后的疊加，最終輸出PWM波控制三電平智能變流器。具體控制算法如圖7所示。

圖7 改進型中點平衡控制算法

2 實 驗

圖8為系統的整體運行框圖，開關S1為空載和帶載實驗的切換，開關閉合時為帶載實驗，開關斷開時為空載實驗；開關S2為加減載切換實驗，開關S2從斷開到閉合時為加載實驗，反之則為減載實驗。隔離變壓器為確保安全作用。

圖8 系統整體運行框圖

為了滿足負載切換時直流側電壓在一定的范圍內波動，引入下垂控制。引入P-Udc下垂控制，空載時Id為0，直流側電壓為320 V，設置空載電壓比最大負載直流側的電壓高10 V，負載切換為60 Ω～90 Ω；當直流側負載最大時(60 Ω)，直流側電壓為310 V，交流側線電壓為180 V，根據交直流側功率近似相等的原理，求出此時的電流Id為7.27 A，此時功率為1.6 kW,得到下垂曲線的解析式：

(12)

為了驗證本文的控制策略的正確性，分別做了幾種工況下的負載突變實驗，如表1所示。

表1 負載突變仿真工況(P-Udc下垂控制、加隔離變壓器)

圖9為兩臺TNPC智能變流器并聯穩定運行時實驗結果。依據下垂控制原理，當兩臺變流器并聯運行時，網側電流均分，從圖9中可以看出，兩臺網側電流基本均分，分別為2.844 A和2.673 A，驗證了下垂控制及環流控制效果的正確性。

圖9 兩臺TNPC智能變流器并聯運行實驗結果

圖10 兩臺TNPC智能變流器并聯運行時負載突變前波形圖(減載)

圖10～圖12為負載突變實驗(減載，60 Ω切換到90 Ω)，負載突變前直流側電壓為314.3 V，網側電流分別為2.845 A和2.669 A，負載突變后直流側電壓穩定在316.5 V，網側電流為1.864 A和1.750 A，與理論分析的下垂控制所得到的值基本相同，從而驗證了該控制策略的正確性。在負載突變調節的過程當中，電壓超調量為8 V，經過20 ms達到穩定。

圖11 兩臺TNPC智能變流器并聯運行時負載突變時動態波形圖(減載)

圖12 兩臺TNPC智能變流器并聯運行時負載突變后穩定運行波形圖(減載)

圖13～圖15為加載實驗(90 Ω切換到60 Ω)，負載突變前直流側電壓為315.3 V，網側電流分別為1.853 A和1.747 A，負載突變后直流側電壓穩定在313.7 V，網側電流為2.827 A和2.672 A，與理論分析的下垂控制所得到的值基本相同，負載加載前后，符合理論上的下垂控制原理，且均流效果較好。

圖13 兩臺TNPC智能變流器并聯運行時負載突變前實驗波形圖(加載)

圖14 兩臺TNPC智能變流器并聯運行時負載突變時動態波形圖(加載)

圖15 兩臺TNPC智能變流器并聯運行時負載突變后穩定運行波形圖(加載)

為進一步驗證本文算法有效性，增加單臺TNPC與兩臺TNPC網側電流THD含量對比，如圖16所示。

圖16 單臺與兩臺TNPC穩定運行時網測THD

從圖16可以看出，3次電流諧波含量明顯增大，間接說明了兩臺變流器并聯運行時環流的存在。

圖17(a)為不加任何控制時環流波形圖。此時環流總有效值為0.485 A，占每臺變流器電流的含量為18.1%。圖17(b)為加入PIR環節后環流變化的動態波形圖。從圖17(b)中可以看出，環流幅值明顯減小，環流為0.063 82 A，此時中點電位基本達到平衡，有效驗證了本文算法的高效性與可靠性。

圖17 不加任何控制策略與加入PIR控制后環流波形對比分析

3 結 語

本文對多臺三電平智能變流器并聯控制策略進行了應用研究，通過對多臺TNPC智能變流器并聯的實驗，驗證了TNPC智能變流器采用下垂控制、變流器并聯環流模型機理及其抑制、中點電壓平衡等控制策略的正確性。在負載突變時，依據下垂控制、電壓電流雙閉環控制等策略，直流側電壓在一定的范圍內升高且最終達到穩定，其它功能比如中點平衡控制、環流抑制等算法均得到了驗證，充分驗證了本文提出的并聯均流控制策略的有效性與可行性。且此控制策略可擴展至N臺三電平變流器，適應性強，可靠性好，可以實現不依附電網電能、并網發電和離網運行，未來具備廣闊的市場空間。