一种新型的级联逆变器电容电压平衡控制方法

崔灿

(安徽省电力设计院，安徽 合肥 230601)



一种新型的级联逆变器电容电压平衡控制方法

崔灿

(安徽省电力设计院，安徽 合肥 230601)

级联逆变器在光伏系统中应用非常广泛，其控制的一个主要难点就是直流侧电容电压平衡问题。以5电平级联多电平逆变为研究对象，提出一种新型的电容电压平衡控制方法，并在仅有电压平衡控制和附加了MPPT控制两种条件下进行了仿真研究。研究结果表明，在稳态条件下，逆变器直流侧电容电压稳定，各桥之间电容电压基本一致，逆变器输出电流电压稳定，并且具有控制简单、可靠性高、调节速度较快等优点，具有较高的应用价值。

级联逆变器；直流电容；电压平衡；电压调制比；最大功率点跟踪

0 引 言

级联多电平逆变器是由若干个基本逆变单元(H桥)通过串联连接而成的。通过每一个输出单元的波形叠加形成多电平的阶梯波以逼近逆变器的正弦输出电压。其优点在于：随着级联数目的增加，输出电压的电平数增加，从而使得输出电压或电流波形的谐波含量减小；电路整体的开关频率等于各个逆变单元开关频率之和，降低了开关损耗以及对开关器件的开关频率要求，同时降低了功率器件所承受的电压应力，绝缘要求降低；基于传统两电平全桥变换器结构单元，技术成熟，易于模块化，便于集成和维护，具有广阔的应用前景；不需要变压器就可以与电网直接相连，节省了空间，也提高了效率[1]。

级联逆变器存在直流侧电容电压不平衡问题，会导致电平数降低，开关器件承受的电压不一致，部分开关器件会因承受较高电压应力而损坏。因此，研究多电平逆变器的直流输入电容电压平衡问题显得格外有意义。本文以5电平移相SPWM控制的级联逆变器为研究对象，提出一种能够有效平衡直流电容电压的控制方法。

1 级联逆变器模型分析

图1 级联逆变器拓扑结构

理想的级联逆变器由N个H桥电路组成，每个H桥通过串联连接在一起。利用载波相位差控制，利用波形叠加原理产生输出波形。输出相电压的电平数M=2N+1[2]，每个桥都有其独立的直流输入电源，输出电压为各桥输出电压之和Uo=U1+U2+…+UN。

下面仅用2个H桥构成的5电平逆变器分析说明。

图1所示的级联逆变器并网的结构图可以简化成图2所示的模型[3]。太阳能电池板输入电压Ui等效为电流源Ii1、Ii2和输入电容C，逆变器输入输出等效为受控电源，Vg为网侧电压。

图2 两桥电路简化模型

由图2可知，输入端电流电压关系为:

逆变器输入电压为VC1、VC2，输入输出电压关系:

V1=d1·VC1

V2=d2·VC2

d1、d2分别为两逆变桥的电压调制比

由逆变器两端功率平衡关系得:

V1·I=VC1·I1

V2·I=VC2·I2

输出端电流电压关系:

逆变器系统的状态方程为:

令I=0，

Vg=d1VC1+d2VC2

Vg为固定的电网电压，所以要达到上式的临界平衡，需调节VC1、VC2。由于d1、d2不能过大(会造成电平数的减少和波形的失真)，故VC1、VC2需要在一个调节范围内变化。

2 电容电压分析

为了达到一个较低的输出THD，我们需要滤除像5次、7次等低次谐波，另外应该尽量使所有开关的电压应力相等。所以，我们需要保证每个桥的直流侧输入电容电压接近或相等。在设计一种电压平衡控制方法之前，我们需要首先研究电容电压与哪些因素有关。

图3 单个H桥电路

图4 单个H桥电压电流矢量图

取单一H桥做电路分析，如图3所示。

设网侧电压为:

Ugi为网侧电压幅值。

根据图4所示矢量图，则逆变器输出电压可表示为:

Vi=diUCisin(ωt-φi)

di为电压调制比，UCi为输入电容电压幅值。

令Xi=ωLi，根据文献[4-5] ，逆变器输出侧有功无功功率分别为:

逆变器模块与交流电网间传输的功率为:

假设所有开关器件和功率器件都是理想器件，他们没有有功消耗，故系统稳定时有:

Pi=0

由于Ugi是常量，由此我们知道，通过调节di和φi可以达到调节电容电压的目的。

3 直流电容电压控制方法

本文采用电压双环加电流环的控制方法[6-7]，其中电压双环控制又分为电压内环和电压外环控制，通过多个误差信号的叠加，与当前电容电压比较，得到逆变器的输入输出调制比信号，从而改变电容电压。控制策略如图5所示。

电压内环控制如图6所示，VCi是第i个桥的直流侧输入电容电压，Vavr为直流侧所有电容电压的平均值，Vref是参考电压，由MPPT功能输出，为两路MPPT输出的平均值。参考电压Vref与平均电压Vavr的差作为电容电压VCi的微调信号，与VCi作差后得到内环调节电容电压的目标信号VCi*，再经过PI调节，经过余弦函数转化为交流信号，最终转化为调制比信号，送入SPWM发生器，控制相对应逆变器的输出电压。内环控制主要用于控制电容电压值的大小，并使各个桥的电容电压，逼近参考电压，即最大功率点电压，在平衡电容电压的同时，辅助完成最大功率点跟踪。

电压外环控制如图7所示，Vi和Ii是第i个桥直流侧输出的电容电压和电流，P为各个桥输出总功率，Vg为电网侧交流电压。Vi和Ii相乘，结果是第i个桥的输出功率，与P作比后得到该桥输出占总功率中的比重KPi。通过KPi将各个桥的输出电压重新分配，乘以电网电压Vg后得到该桥的输出电压目标值，除以该桥的直流侧电容电压值，就得到了需要调节的PWM占空比。该环将各个逆变桥的输出电压按当前功率重新分配，使直流、交流两侧不断交换能量，实现电容充放电控制，均衡各个桥的电容电压。

负载电流环控制如图8所示，逆变器的输出决定了负载电流的大小，负载电流通过电感和电阻的压降，影响逆变器的输出，进而影响电容电压的大小。电容平均电压Vavr与参考电压Vref的差经过PI调节器，转化为一个误差电流信号，与逆变器系统计算出的有功电流叠加得到实际需求电流量大小，经sin变换后与交流输出侧实际的电网电流作差，得到需要补偿的电流量，再通过PI调节器转换为响应的电压信号，与直流电容作比后得到所需叠加的占空比信号di。电流环主要作用是保持电容电压和补偿系统的功率损耗。

图5 电容电压平衡控制框图

图6 电压内环控制框图

图7 电压外环控制框图

图8 负载电流环控制框图

4 仿真实验

根据上文所述控制方法，采用Simulink进行仿真实验。

电网电压Vg=300 V，电网频率f=50 Hz，输出电感L=4 mH，电阻R=1 Ω，输入端电容均为C=4 mF。

在只有电容电压平衡的系统中，令电容初始电压为250 V和200 V，电容参考电压设为200 V，仿真结果如下：

由图9可以看出，两个电容电压达到了平衡，用时较短并稳定在参考电压(200 V)附近波动。电压调制比数值位于正负1以内，达到了上文分析的标准。

在上面研究的基础上加入MPPT功能，将MPPT的输出作为电容电压的参考电压。

图9 两个H桥电容电压波形

图10 添加MPPT功能后的电容电压波形

图11 带MPPT功能的逆变器输出电压电流波形

从图10、图11可以看出，电容电压参考信号在250 V附近波动，从而导致电容电压幅值在250 V附近波动。由于电容电压幅值的波动，稳态时电压调制比幅值也在0.75～0.8之间波动。

5 结束语

本文通过对级联逆变器直流侧电容电压平衡问题作了分析，提出了通过电流环和电压双环对信号进行处理，后与电容电压比较而产生电压调制比信号送入PWM发生器，然后控制H桥的触发来实现电容电压的平衡功能。仿真实验验证了其可行性。该种方法的缺点在于对电容电压差很大的情况容易失控，且控制初始电容电压不能和参考电压差别太大。但其有控制简单，可靠性高，调节速度较快等优点，具有较高的应用价值。

[1] 雷霄,肖湘宁,徐永海,等. 并联型级联多电平逆变器直流电容电压控制方法[J].电网技术,2010,54(7):30-35.

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A New Method for Balancing Capacitor Voltage of Cascaded Inverter

Cui Can

(Anhui Electric Power Design Institute, Hefei Anhui 230601, China)

Cascaded inverters are now widely used in the photovoltaic systems. One of the main difficulties of controlling it is balancing the voltage of the DC capacitors. This paper puts forward a new control method for DC voltage balance based on 5-level cascaded inverter. We do simulations in the condition of the system with voltage balancing control and then added by MPPT. It is indicated in the result that the strategy is performing well during the steady state. Due to that the values of the H bridge voltage are steady and almost the same, the output of the inverter is stable. Better is that the method is simple, reliable and can quickly response, which may lead to high application value.

cascaded inverter; DC capacitor; voltage balance; voltage modulation index; MPPT

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.007

TM722

A

1000-3886(2016)04-0021-03

崔灿(1988-)，男，安徽合肥人，硕士生，从事电网设计工作。

定稿日期: 2016-01-29