中点箝位型三电平光伏并网逆变器控制

江宏玲， 周 成， 戴新荣， 谢 芳(. 安徽省淮委水利科学研究院， 合肥 0088； . 安徽国际商务职业学院 信息服务系， 合肥 ；. 安徽大学 工业节电与电能质量控制协同创新中心， 合肥 060)

0 引 言

随着能源消耗的不断加剧，太阳能受到关注，而PV逆变器作为太阳能发电系统的关键设备承担着将PV电池输出的直流电转化为满足并网标准的交流电的任务，并要求并网系统的功率因数近为1，太阳能转换利用率高，安全可靠。因此，通过不断改进控制算法和主电路的拓扑结构来提高光伏并网系统的整体性能，成为众多专家的研究热点。NPC三电平拓扑与传统的两电平拓扑相比[1-4]：功率单管承受母线电压减小一半，系统开关损耗与电磁干扰、输出电流与电压的谐波含量、滤波器的体积和成本都得到有效降低。

本文分析和采用的两级式NPC三电平光伏逆变器较单级式复杂，但其前级DC-DC环节的加入使PV输入范围大大加宽利于使用扰动观察法实现MPPT跟踪，后级分析和采用输出电压电流谐波低，电压利用滤高且有效消除中点电位低频振荡的60°坐标系下SVPWM控制策略改善了并网电能质量，系统前后级可分开控制[5-8]。经仿真以及搭建两级式NPC三电平硬件系统进行了验证，所得结果证明了方案的有效性。

1 两级式光伏发电系统结构

图1显示了两级光伏系统的前级和后级控制。PV组件转换的直流电送入并网逆变器系统，前级完成升压和MPPT跟踪，后级DC/AC(NPC三电平)将泵升后的直流电转换成满足并网要求的交流电，经滤波后并网。

图1 两级式光伏发电系统结构

2 基于扰动观察法的MPPT跟踪

外界环境对PV的转换效率影响较大[9]。图2所示为在一定光照和环境温度25 ℃下光伏电池的输出情况，图中IL、ISC、Uoc、P、UL分别为PV电池的负载与短路电流、开路与输出电压以及功率。Uoc与光辐照度对数成正比列关系，但温度升高会使其下降(2～3mV/ ℃)。由输出非特性曲线可知，随着光照强度的增加，ISC明显变大，Uoc也略有增大，最大功率点位于曲线的最高点，其对应的电压与电流为最佳工作点电压和电流。

图2 光伏电池IL-UL、P-UL的特性曲线

本文采用扰动观察法[10-11]实现上述MPPT跟踪，图3所示为扰动观察法控制流程图。通过周期性地对参考工作电压施加扰动量来改变输出功率P的大小，使其无限逼近最大输出功率并达到动态平衡，即ΔP/ΔU≈0的系统工作状态。

图3 扰动观察法控制流程图

3 基于60°坐标系的SVPWM算法

3.1 NPC三电平拓扑与SVPWM原理

中点箝位型(NPC)三电平并网逆变电路以中点N为零电位点，每项桥臂输出UDC/2、0、-UDC/2 3种电平，记为1、0和-1，总输出为33=27，其拓扑结构和开关矢量如图4和图5所示。

图4 NPC三电平逆变电路拓扑

图5表示不同的开关组合和空间电压矢量之间的对应关系。有19种有效的开关状态，以及相应的19个基本电压矢量，可分为长、中、短矢量各6个和1个零矢量。SVPWM原理是将上述电压矢量在一个开关周期T内进行组合，使其均值近似于给定值。该方法具有高电压利用率和低谐波输出的优点，但它在Uref的扇区判断以及作用时间的计算时有大量的计算量，对CPU的负担大。

图5 三电平逆变器开关组合矢量图

3.2 60°坐标系下SVPWM算法

基于60°坐标系的SVPWM优化算法[12-15]，电压矢量所在大扇区位置仅需简单的逻辑判断。以图5中扇区I和VI为例，两相垂直静止α/β坐标系与60°(g/h)坐标系之间的转换如图6扇区I所示。

图6 坐标变换与矢量扇区判断

根据

(1)

每个基本电压矢量均转化为二维整数形式，则Uref所在扇区如表1所示。

表1 Uref区判断

在60°坐标系下，基本电压矢量为整数，其取值范围为(-2，-1,0,1,2)，参考电压可由离其最近的4个基本整数矢量来合成，对g/h坐标系下任意的给定Uref，可以从上下平移获得4个最接近的基本矢量，可得图6中Uref对应的4个矢量为：

(2)

由Uref所确定的3个最近基本电压矢量的作用时间可根据：

(3)

式中，U1、U2、U3为3个基本电压矢量；T1、T2、T3为其对应的作用时间；Ts为PWM采样周期。

当式(3)中U3=UUU或者U3=UDD时，在g/h坐标系下求解式(3)可分别得到：

(4)

(5)

为了优化开关顺序，将每个扇区分为6个小区域，以第I、VI扇区为例，如图7所示。以区域I-1、VI-1为例，矢量作用的PWM开关顺序如图7(b)所示。

(a) 扇区I与扇区VI区域划分 区域Ⅰ-1 PWM开关顺序图 区域Ⅵ-1 PWM开关顺序图(b) 区域I-1与VI-1 PWM开关顺序图

4 仿真与实验验证

4.1 仿真结果与分析

完成两极NPC三电平光伏逆变器控制，仿真框图如图8所示。其中，PV模型以某公司光伏电池为例，相关技术参数为峰值电压17.6 V，峰值电流为3.65 A，开路电压为22.6 V，短路电流为3.8 A，输出最大功率约为60 W。仿真得到图9(a)所示的在1.2 kW/m2光照度，环温不同下电池的U-I、U-P特性曲线，图9(b)所示为环温均在25 ℃，光照度不同下电池的U-I、U-P特性曲线。

图8 两级式光伏并网仿真模型框图

(a) 相同光照强度，不同温度下，光伏电池的U-I、U-P特性曲线

MPPT仿真的采样周期为0.000 01，步长为0.001。运行仿真后得到电池的输出的电流Ipv、输出的电压Upv、输出的功率Ppv和Boost电路的输出的电压Uo的波形，如图10所示。

仿真设置的逆变器模型直流侧电压Udc=600 V，电容C1=C2=800 μF，PWM开关频率为5 kHz，采样时间设为0.5 μs，仿真时间设为0.04 s，仿真结果如图11所示。

从图9的仿真结果可以看出，仿真所得与厂家所给的参数基本吻合，PV输出具有非线性。随着PV的电压及其电流的增加，输出功率将逐渐增加到最大的功率点，然后降低到零。从图10的MPPT波形能够看出，前级电路对光伏输出有电压泵的作用，并且该模块可以完成跟踪最大功率点。从图11仿真结果可以看出，NPC三电平并网逆变器系统输出端线电压为五电平阶梯波，能很好地跟踪电网电压，且有较快的响应速度，该并网THD的输出仅为2.57%，并网侧输出电流波形良好。

图10 MPPT仿真波形

图11 NPC三电平逆变器的仿真波形

4.2 实验结果与分析

基于以上分析与仿真，设计了双CPU控制的NPC三电平并网逆变器实验平台，系统框图如图12所示。DSP主要进行信号采样、光伏阵列输出功率计算,SVPWM算法实现等，FPGA主要调节PWM脉冲占空比调节Boost输出电压以及驱动波形输出和故障处理等。系统设计输出功率为10 kW，输出线电压为380 V，直流侧电压约为600 V，选用英飞凌公司的IGBT(型号FF100R12RT4)搭建逆变桥，额定工作电压和电流分别为1.2 kV及100 A。

图12 双CPU系统控制结构框图

图13是平台在并网的情况下输出a相并网电压及电流波形，从波形可知并网电流可保持与电网电压同频同相，并网电流经过LCL滤波器滤波后正弦波形良好，实测功率因数约为0.96，谐波含量为3.44%，满足国家标准，实现了高性能并网功能。

图13 a相电网电压和并网电流

5 结 语

系统的仿真及实验的结果表明该系统采用60°(g/h)坐标系下的SVPWM控制方案的有效性及可行性。该方案系统对电网电压的跟踪性能良好，且其动态响应快，并网输出电流波形正弦度好，THD较低并实现了单位功率因数下运行，并网性能高。

参考文献(References)：

[1] 周京华，周 皓，袁奎星，等.三电平大功率通用变频的研制[J].电力电子技术，2008，42(4)：15-17.

[2] 姜卫东，王群京，李 争，等．中点电压偏移对SVM控制的三电平逆变器的影响及补偿措施[J].电工技术学报，2006，21(9)：76-80．

[3] 胡存刚，胡 军，马大俊,等.三电平光伏并网逆变器SHEPWM优化控制方法[J].电机与控制学报,2016, 20(7): 74-81.

[4] 戴 鹏，吴 斌，苏良成，等．基于新型SVPWM的NPC/H桥五电平逆变器共模电压抑制策略研究[J]．电机与控制学报，2015，19(2):20-25.

[5] 安少亮，来 璐，孙向东，等.三电平光伏并网逆变器两相调制中点平衡控制[J].电气传动, 2015, 45(12): 26-30.

[6] 陆海峰, 翟文龙, 张 磊, 等.基于调制函数的 SVPWM算法[J].电工技术学报, 2008, 23(2): 37-43.

[7] 曾志伟，杨海柱，刘 洁，等.基于MPPT双环控制的三相SVPWM逆变器控制研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2015, 34(5): 691-694.

[8] BABU T S，PRIYA K，MAHESWARAN D，etal．Selective voltage harmonic elimination in PWM inverter using bacterial foragingalgorithm[J]．Swarm & Evolutionary Computation，2015，20:74-81．

[9] 赵福鑫，魏彦章.太阳能电池及其应用[M].北京：国防工业出版社，1985.

[10] 王若醒，吴迎霞，杨恢宏，等.两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现[J].电力系统保护与控制, 2015, 43(4): 58-62.

[11] 刘邦银, 段善旭, 刘 飞,等．基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪[J]．电工技术学报，2009，24(6)：91-94.

[12] Zarri L, Marano M, Bonavoglia M,etal. Power Losses of Multiphase Inverters[C]∥Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion (ESARS). Bologna, 2010：1-6.

[13] 赵 辉，李 瑞，王红君. 60°坐标下三电平逆变器SVPWM方法的研究[J].中国电机工程学报, 2008, 28(24)：39-45．

[14] 翁海清，孙旭东，刘丛伟，等．三电平逆变器直流侧电压平衡控制方法的改进[J]．中国电机工程学报，2006，22(9)：94-97．

[15] 丁石川，王群京，李国丽,等.60°坐标下负载终端级联式三电平逆变器控制[J].电力电子技术, 2013, 47(8)：16-18．