新式七电平逆变器及其并网控制分析

马兰珍，向立文，潘春林，陶 冶

(1.国网安徽省电力公司安庆电力公司，安徽 安庆 246003；2.中国移动通信集团湖北有限公司荆州分公司，湖北 荆州 434000)

新式七电平逆变器及其并网控制分析

马兰珍1，向立文2，潘春林1，陶 冶1

(1.国网安徽省电力公司安庆电力公司，安徽 安庆 246003；2.中国移动通信集团湖北有限公司荆州分公司，湖北 荆州 434000)

提出一种单相七电平逆变器空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，根据伏秒平衡原理，采用T型滤波器，通过逆变器侧电流反馈控制确保并网系统稳定，采用比例谐振(PR)控制减小稳态误差，实现了高功率因数并网，同时引入电网电压的前馈控制消除电网电压扰动对并网电流的影响。仿真结果表明：该逆变器并网系统具有良好的稳态和动态性能。

七电平逆变器；并网控制；T型滤波器；PR控制器

0 概述

可再生能源包括风能、太阳能、水能、生物质能、潮汐能以及地热能等，充分利用此类能源可增加能量供给和减少环境污染。现在对可再生能源的利用主要采用分布式并网发电技术，其关键技术在于采用合理的逆变器拓扑结构和并网控制策略，以便获得稳定的并网系统和高质量的并网电流。

相比传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电压谐波小、电磁干扰小及可采用小尺寸滤波器等优点。传统二极管箝位型和飞跨电容型等多电平逆变器，其拓扑结构复杂，含有大量功率开关管，控制较为复杂，一般用于大功率场合。本文提出一种结构简单的新型七电平逆变器拓扑，与传统拓扑相比，大大减少了开关数目，在控制和节能方面具有明显优势，尤其适用于中小功率的并网系统。

目前，多电平逆变器调制技术总体上分为载波脉宽调制(PWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)2种。传统单相多电平逆变器多采用载波PWM技术，而SVPWM技术因具有物理概念清晰、易于数字化实现、电压利用率高等优点，在三相拓扑结构中得到广泛应用。本文将三相逆变器SVPWM技术引入到单相七电平逆变器中，提出了一种单相七电平逆变器SVPWM技术。该技术具有形式简单、易于DSP编程实现等特点。

为降低开关频率引起的电流谐波，T型滤波器可选取较小的电感，以实现较好的滤波效果，但其欠阻尼特性不利于系统稳定运行。根据相关参考文献，采用典型的并网电流直接闭环控制策略，无法使系统稳定。在并网电流直接闭环控制的基础上，在滤波器电容支路串联电阻，达到了很好的阻尼效果，且控制简单；但串联电阻不仅存在损耗，同时还会削弱滤波器对高频谐波的抑制能力。采用逆变器侧电流、电网侧电流以及滤波器支路电容电流的双环或多环控制策略，均可实现系统的稳定性，但其对调节器的依赖较大，增加了系统的复杂程度，增加了系统的成本。综合考虑各种因素，现采用逆变器侧电流反馈单环控制策略，无需增加额外的传感器，降低系统成本。该策略可有效抑制T型滤波器存在的谐振尖峰，易于系统的稳定，同时可有效保护功率开关，增强系统的可靠性。

针对传统PI控制在跟踪正弦信号时存在稳态误差和相位差等缺陷，本文在电流环中采用PR控制，有效减小了稳态误差和实现了高功率因数并网；同时为消除电网电压扰动对并网电流的影响，引入电网电压的前馈控制。仿真结果表明：采用SVPWM技术，实现了新型七电平逆变器的七电平电压输出。结合本文采用的闭环控制策略，该逆变器并网系统实现了良好的稳态和动态并网效果。

1 并网逆变器的主拓扑结构及模态分析

新式七电平并网逆变器主电路拓扑结构(见图1)，含有1个桥式结构和2个双向辅助开关结构。将新能源发电的前级直流部分等效成恒定直流电压源UDC，其大小为E，直流侧电容C1=C2=C3，则逆变器输出电压UAB有7个电平状态：±E、±2E/3、±E/3、0，共8种工作状态，定义S1S4和S2S3为大矢量，S4S5和S2S6为中矢量，S4S6和S2S5为小矢量，S1S2和S3S4为零矢量。

图1 并网逆变器主电路

输出电压模态和开关管通断情况如表1所示。

表1 输出电压和开关管通断情况对应表

2 控制原理分析

2.1 单相七电平逆变器调制方法

2.1.1 单相七电平逆变器SVPWM图

SVPWM技术最初应用于电机调速领域，后扩展为一种在整流/逆变领域的PWM策略，在三相拓扑结构中得到了大量应用。本文根据电压矢量的模长大小，将单相七电平空间矢量图分为6个区间，参考电压矢量V以角频率ω逆时针旋转，根据其所在区间，选择该区间内的2个电压矢量合成。逆变器输出电压UAB为矢量V在x轴上的投影，如图2所示。

2.1.2 输出矢量的作用顺序

当参考电压矢量位于区间1时，矢量由S4S5和S1S4合成；当参考矢量位于区间2时，矢量由S4S6和S4S5合成；当参考矢量位于区间3时，矢量由S3S4(S1S2)和S4S6合成，剩余区间依次类推。表2为输出电压矢量的作用顺序，由此可知：每次工作状态发生变化时，都有1个开关保持原状态不变，有效减少了开关损耗。

图2 单相七电平逆变器空间电压矢量

表2 输出电压矢量作用顺序

2.1.3 输出电压矢量的作用时间

根据伏秒平衡原理，即式(1)，可求得每个输出矢量(T1、T2)的作用时间，如表3所示。其中：Ts为开关周期，V1、V2为参与合成的2个电压矢量。

表3 输出电压矢量的作用时间

2.2 并网控制策略分析

2.2.1 开环系统的数学模型

根据图1的主电路进行数学建模，基于T型滤波器的拓扑结构，忽略其等效串联电阻，可得到复频域下的电流电压方程组为

式中：L1-T型滤波器左侧电感；I1-流过L1的电流；L2-T型滤波器右侧电感；I2-流过L2的电流；Cf-T型滤波器电容；Vi-AB两点输出电压；Vc-T型滤波器电容两端电压；Vg-交流电流电压。

T型滤波器的动态结构图如图3所示。其中电网电压为系统的扰动量。则逆变器输出电压到电网电流的传递函数，即系统的开环传递函数G(S)为式(3)。

图3 T型滤波器结构示意

为便于分析，在此给出系统参数：直流侧电压UDC=400 V，L1=5 mH，L2=1mH，Cf=1 μF。G(s)的伯德图如图4所示，同时给出单电感滤波器伯德图，其电感值为6 mH。由此可知：T型滤波器较之于单电感滤波器在高频段有更好的谐波衰减效果，但是在谐振频率处存在幅值尖峰，并造成相位巨变，增加了系统设计的难度。

2.2.2 电流闭环控制策略

采用典型的并网电流直接闭环控制，作出系统的闭环控制框图，如图5所示。其中：GC(s)为调节器，为便于稳定性分析，此处采用比例调节器。本文选择开关频率为10 kHz，K为逆变桥部分的等效增益环节，取K=40。由此可得：并网电流的传递函数为式(4)，闭环系统的特征方程为式(5)。图6(a)是其根轨迹曲线，从图中可知：根轨迹落入复平面右半平面，系统不稳定，所以采用典型的并网电流直接闭环控制无法满足系统的稳定性要求。

图4 系统开环传递函数的伯德图

本文采用逆变器直接输出电流i1间接控制并网输出电流i2。由于T型滤波器选择较小的电容，近似认为不会造成网测电流滞后于逆变器测电流，其仿真结果也证实了该处理方法的合理性。同时，为消除电网电压扰动对并网电流的影响，引入电网电压的前馈控制，由于该前馈控制属于开环控制，在闭环分析中，可直接略去电网电压扰动对系统的影响。本文采用的系统控制结构如图7所示，等效的线性控制结构示意如图8所示。并网电流的传递函数为式(6)，其根轨迹曲线如图6(b)所示。从图6(b)中可知：选择合适的调节器GC(s)，可使系统的根轨迹进入复平面左侧，保证系统的稳定运行。

图5 并网电流直接闭环控制结构示意

2.2.3 调节器的选择

在并网电流控制系统中，传统的调节方法是PI调节，但其在跟踪正弦信号时存在稳态误差和相位差，本文采用PR控制进行调节。PI控制器和PR控制器的传递函数如式(7)、(8)所示。

图6 系统闭环根轨迹曲线

在并网电流基波频率处，PI调节器的增益(K2P+(Ki/ωo)2)1/2为有限值，PR控制器在电流基波频率处增益(K2P+(Ki/(-ω2o+ω2o))2)1/2为无穷大，该无穷大增益可有效提高并网电流跟踪参考电流和抵抗电网扰动的能力。由于实际数字系统精度有限，理想的PR控制器不可能实现，通常采用一种易实现的准PR控制器，其传递函数为：

3 仿真分析

应用MATLAB/Simulink仿真验证理论分析，系统的输出功率为1 kW，参考电流峰值为6.40 A，电路参数设置参照理论分析。

图9为新型七电平并网逆变器输出的七电平电压波形。为验证系统的静态性能，分别采用PI控制、无网压前馈的准PR控制和有网压前馈的准PR控制对系统进行了仿真，根据相关参考文献对PR控制器进行设计，其设计参数为：Kp=0.9，Ki=300，ωc=3.5，且PI参数已调整为最佳。

在理想电网情况下，采用PI控制时参考电流与并网电流波形如图10(a)所示，其并网电流基波峰值为6.50 A，谐波总畸变率(THD)为1.12 %；采用准PR控制时参考电流与并网电流波形如图10(b)所示，其并网电流基波峰值为6.36 A，THD为0.34 %。由此可见：在跟踪参考电流信号时，PI控制存在明显相位滞后，且稳态误差较大；准PR控制实现了单位功率因数并网，且稳态误差较小。

图7 控制系统结构示意

图8 等效线性控制结构示意

在非理想电网情况下，假设电网电压畸变率为16.51 %，图11(a)为无网压前馈时参考电流与并网电流波形，其并网电流基波峰值为6.32 A，THD为3.69 %；图11(b)为有网压前馈时参考电流与并网电流波形，其并网电流基波峰值为6.35 A，THD为0.67 %。

由此可见：网压前馈可有效抑制电网电压畸变给并网电流带来的影响。

图9 逆变器输出的七电平电压波形

图10 理想电网条件下不同控制器并网电流仿真波形

图12 为非理想电网情况下采用准PR控制器时系统的动态特性仿真图，并网功率分别在0.085 s时减半和加倍。

从波形可知：系统在功率突变情况下依然能稳定运行，且具有较好的动态性能。

图11 非理想电网条件下并网电流仿真波形

图12 并网功率突变时的动态仿真波形

4 总结

基于新式七电平并网逆变器，本文提出了一种单相七电平逆变器SVPWM技术，实现了多电平电压输出；采用逆变器侧电流反馈控制使并网系统稳定；在电流环中采用PR控制，有效减小了稳态误差和实现了高功率因数并网；同时为了消除电网电压扰动对并网电流的影响，引入电网电压的前馈控制。本系统控制方法简单可靠，具有很好的稳态性能和动态性能，理论分析和仿真结果均证实了将该拓扑与所用控制策略相结合的优越性。

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2015-05-19。

马兰珍(1986-)，女，工程师，主要研究新能源发电及其并网控制技术，email：mlanzhen1024@163.com。

向立文(1987-)，男，工程师，主要从事通信工程建设管理工作。

潘春林(1981-)，男，工程师，主要从事高压技术试验工作。

陶 冶(1980-)，男，工程师，主要从事高压技术试验工作。