风光互补发电系统中三电平逆变器的设计

范士民，范红刚

（兖州市华勤集团倍耐力轮胎工程部，山东 兖州272100）

风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。

1 风光互补发电系统概述

风光互补发电系统的构成如图1所示，其是由太阳能光伏阵列、风力发电机组、整流器、风光互补控制器、蓄电池组以及逆变器等几部分组成。其工作原理是：太阳能光伏阵列由若干太阳能电池板串并联而成，它们将接收的太阳辐射能量直接转换成电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电，在日照不足时，储存在蓄电池中的能量经过逆变，然后再经过滤波和变压器升压后变成交流的正弦电压供给交流负载使用；而风力发电机是将风能转换为电能，之后经过整流器整流后对蓄电池组进行充电，然后通过逆变器为负荷提供电能，风力发电系统的优点为日发电量比较大，系统的造价及其运行维护成本比较低，但常规水平轴的风力发电机对风速的要求比较苛刻；当日照充足或风力非常大而导致产生的电能过剩时，蓄电池可将多余的电能储存起来；当系统的发电量不足或负荷的用电量增加时，则由蓄电池向负荷补充电能，并将保持供电电压的稳定。逆变器在风光互补发电系统中作用非常重要，本文主要针对三电平逆变器进行研究。

图1 风光互补发电结构图

2 三电平逆变器的设计

三电平逆变器与两电平逆变器比较，开关器件承受的应力减小一半，桥臂中点相对于电容中点有三种电平状态，多了个零点平状态，这样在相同的开关频率下输出波形更接近正弦波，失真明显减小，特别是在大功率场合由于效率和器件限制，开关频率不可能做的很高，这样三电平的优势更加显著。但是，三电平相对于两点平要复杂很多，尤其是存在中点电位平衡的问题，如果中点电位出现偏移可能导致炸机，逆变器的研究首先从其数学模型开始分析。

2.1 三电平逆变器数学模型

从图2中可以看到，每相桥臂上有4个IGBT及其4个反并联的反向恢复快速二极管、2个箝位二极管。在A相中设从上到下的4个IGBT分别是Va1~Va4。当Va1、Va2导通且Va3、Va4关断时，交流侧对应的电压为+Udc/2；当Va2、Va3导通且Va1、Va4关断时，交流侧对应的电压为0；当Va3、Va4导通且Va1、Va2关断时，交流侧对应的电压为-Udc/2。由此可知，三点平有27种状态。

图2 三相三电平逆变器拓扑结构图

为了研究方便定义开关函数如下：

例如：x=a，当Sa=1时，Va1、Va2导通，Va3、Va4关断；当Sa=0时，Va2、Va3导通，Va1、Va4关断；当Sa=-1时，Va1、Va2关断，Va3、Va4导通。将Sa进一步分解如（2）式所示。

同理Sb，Sc也做如上分解。因此，图2可以进一步简化为图3所示。

图3 三电平逆变器拓扑结构简化模型

图中假设半导体器件是理想开关，由基尔霍夫电压、电流定理，可列出等式：

令Uao=Uan-Uon，Ubo=Ubn-Uon，Uco=Ucn-Uon把式（3）变化成式（4）：

对式（4）进行整理得到式（5），式（5）就是在ABC坐标系下的三电平逆变器数学模型，将模型经过ABC→αβ变换，结果如下式（6）所示。

式（6）经过αβ→dq变换，结果如下式（7）所示。

经过坐标变换后，讲ABC坐标系下的模型转变成了旋转坐标系DQ下的数学模型，旋转坐标系下的电压和电流都是直流量方便控制器的设计。

2.2 控制器的参数设计

根据数学模型可知控制对象dq轴之间存在相互耦合，因此必须进行解耦。对解耦后的控制对象采用PI控制器，控制器由内外两个闭环构成，即内环电流环和外环电压环。电压环的输出作为电流环的给定，经过坐标变换后，讲ABC坐标系下的模型转变成了旋转坐标系DQ下的数学模型，旋转坐标系下的电压和电流都是直流量方便控制器的设计。

2.3 控制器的参数设计

根据数学模型可知控制对象dq轴之间存在相互耦合，因此必须进行解耦。对解耦后的控制对象采用PI控制器，控制器由内外两个闭环构成，即内环电流环和外环电压环。电压环的输出作为电流环的给定，详细控制框图如图4和图5所示。图4中Gi_Ctrl是PI控制器，Kpwm是开关增益，Udc是母线电压，Gi_Obj是控制对象，Ki_fb是反馈系数。

图4 电流内环控制器

图5 电压外环控制器

式中，

L是电感；

R是电感内阻；

T是采样周期。

在图5中Gv_Ctrl是电压环PI控制器，Gi_close是电流闭环，1/CS是电压环控制对象，Kv_fb是电压反馈系数，可以看出电流环作为电压换的一部份环节。

3 结束语

本文设计了一个输入直流电压700 V，输出电压为220 V，输出功率为12 kW的逆变器，开关频率为10 K，电感为L=1 mH，电容为C=20 uF，仿真波形如图6和7所示，由图可以看出，输出电压输出电流和电感电流都是正弦波，电感电流波形带有开关纹波，仿真试验效果好，三电平逆变器具有实际应用价值。?

图6 输出线电压Uab Ubc Uca波形

图7 负载电压电流和电感电流波形