基于虚拟磁链定向控制的改进型三电平NPC光伏并网逆变器研究

张兴辉 ，杜茗茗，赵宇琪 ，杨 凯 ，韩帅达

（1.国家电网公司，北京 100031；2.国网重庆市电力公司，重庆 400015；3.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学），重庆 400044）

0 引言

近年来，光伏发电技术逐渐成熟，应用日益广泛，光伏发电规模正逐步扩大。目前，我国光伏装机总量已达20 GW，居世界之首［1］。随着装机容量的逐渐提高，光伏发电的电能质量受到国内外广大科研技术人员的关注。光伏并网逆变器是光伏并网系统中最关键的组成部分，直接决定了并网电能质量的好坏［2］。

对于光伏并网逆变来说，目前对它的研究主要集中在逆变器拓扑及其相配套的控制系统。随着光伏发电容量的不断提高，传统的两电平逆变器已不能满足需要。文献［3-4］提出了基于电网电压定向控制策略的三电平光伏逆变器，虽然可以实现基本的并网要求，但该控制策略中的锁相技术对电网中谐波的灵敏度较大；文献［5］采用在调制波中加入零序分量的方法来克服NPC电路中性点电位漂移的问题，有一定效果，但使得计算难度增大。文献［6］利用SVPWM技术的方法来克服中性点电位漂移的问题，有效提高了直流电压利用率，也解决中性点电压漂移的问题，但调制过程计算复杂，工程上并不适合使用。

提出一种改进型的三电平NPC拓扑，并结合无网侧电压传感器的虚拟磁链定向控制策略（VFOC）来实现一种新型光伏逆变器，通过在MATLAB／Simulink环境下搭建仿真平台的方法来验证该系统的科学性和有效性。

1 一种改进型的三电平NPC拓扑

三电平NPC（3L-NPC）变换器在过去20年中已经被广泛应用，相对于传统的两电平桥式变换器，三电平NPC变换器更适用于中、高功率的场合。由于电平数量增加，在相同开关频率下，三电平NPC逆变器输出波形的谐波含量更小，电能质量相比于两电平逆变器大幅提升［7］。若对波形畸变率要求一定，则可降低开关频率，减少开关损耗，提高变换器效率。三电平NPC变换器分为二极管箝位型和电容飞跨型，本文将详细研究二极管箝位型NPC，并对传统NPC电路存在的缺点进行研究，提出改进方法。如图1所示，框线外部的电路即传统的三电平NPC变换器。

图1 改进型三点平NPC拓扑

每个桥臂由4只开关管构成，中间2只开关管由2只二极管跨接，构成NPC内部路径。当S1、S2开通（S3、S4关断）时，A 相桥臂开关函数 Sa＝1；S2、S3开通（S1、S4关断）时，NPC 内部路径导通，将桥臂输出箝位到中性点电位，Sa＝0；S3、S4开通 （S1、S2关断），Sa＝-1。三电平NPC拓扑的开关状态特性如表1所示。

由表1可知，传统的三电平NPC拓扑具有两点不足。第一，位于NPC内部路径的两只开关管（S2，S3）的导通时间长于外部路径的两只开关管（S1，S4）。由此会导致开关损耗不均匀，影响设备的整体寿命，对该问题的解决可以采用有源NPC拓扑（ANPC），将传统NPC中NPC内部路径的2只二极管替换为功率可双向流动的IGBT，增加“0”状态时导通路径数量的冗余度，有效解决损耗不均的问题，对此不做详细讨论。第二，在变换器传输有功功率的时候，由于存在中性点不平衡电流的流动，会导致直流侧上下电容存在电压差，因此，提出在传统三电平前加一级辅助电路来使得直流侧中性点电位稳定。

表1 三电平NPC变换器开关表

如图1框线内部的电路所示。该辅助电路相当于两个倒置的Buck电路组合而成。具体工作原理是，若中性点电位偏低，即VCu-VCd＞0时，这时 Sd关闭，Su由PWM信号控制导通。当Su开通时，直流侧电源通过L向Cd充电，使其电压上升，当Su关断时，电感上的电流通过Sd的反并联二极管续流。同理，若中性点电位偏高，即 VCu-VCd＜0 时，则关闭 Su，Sd由PWM信号控制，使其中性点电位降低。该方法的关键是对电感L的选择和对PWM控制信号周期的选择。为了使得中性点电位平衡，就必须使得辅助电路向中性点注入的电荷与逆变器从中性点抽出的电荷相等，如图2所示。

图2 中性点电荷流动示意

要使得辅助电路在主电路一个开关周期内完成对中性点电位的平衡，则辅助电路的开关周期就必须小于主电路的开关周期，通常选择主电路开关周期为辅助电路的n倍 （n取整数），这时可以认为在辅助电路的一个开关周期内的主电路电流平均值I不变，则在主电路的一个开关周期（Ts）内，主电路向直流侧母线获取的最大电荷为

同理，当Su关闭的时候，通过电感向逆变器中性点注入的电荷为

因此，主电路向直流母线获取的最大电荷和辅助电路利用电源经电感L向中性点注入最大电荷的平衡方程为

则辅助电路电感为

式中：Ta为辅助电路的开关周期，通常取为主电路开关周期的0.125倍；D为占空比，取0.5。稳定状态下，VCu=VCd。由以上方法可知，通过在传统三电平拓扑前端加入一级辅助电路，最多经过n个辅助电路开关周期即可对逆变器中性点电位进行补偿，从而防止逆变器中性点电位漂移，进而提高并网电能质量。

2 虚拟磁链定向控制策略

基于虚拟磁链定向控制策略是在基于电网电压定向控制策略上发展而来［8］。为了克服电网电压谐波对观测其相角带来的误差，考虑观测其磁链相角来代替电网电压相角。从式（6）可知磁链相角滞后电网电压相角90°，由于积分器的低通特性，可以更好地克服由于电网谐波对相角观测所带来的影响。

逆变器并网如图3所示。

图3 逆变器并网示意图

逆变器出口电压与电网电压磁链的关系为

忽略小电阻R的影响，将上式进行坐标变换，转换到两项静止坐标系下为

式中：uα和uβ分别为逆变器出口相电压在两相静止坐标系中的分量。由三点平NPC拓扑的特性与Clark变换原则可知，开关函数与逆变器出口相电压关系为

将式（8）与式（9）联立，即可得出开关函数与电网电压磁链的关系，由此可建立磁链观测器的数学模型。要注意的是，在实际情况中并不是用纯积分器去得到磁链，因为纯积分器存在“零漂”现象［9］，为了彻底消除直流分量，通常用一阶低通滤波器和一阶高通滤波器组成的带通滤波器来代替纯积分器，如图4所示的抗积分漂移磁链观测器，其带通滤波器（BPF）的传递函数为

图4 三电平磁链观测器模型

图中a=0.3，b=0.98。由以上推导可估算到电网电压在两项旋转坐标系下的磁链分量，再由式（11）可得出虚拟磁链的位置角。

从以上推导可以看出，在磁链估算的过程中并没有使用网侧电压传感器，因此，该控制策略相比于传统电网电压定向控制来说，可以减少一个网侧电压传感器的成本，并且相对于传统的PLL锁相技术，磁链观测技术可以克服因电网电压谐波所引起的相角观测不准确的问题。因此基于经典的三相双闭环控制结构加入磁链观测装置搭建基于虚拟磁链定向控制策略的模型，模型框图如图5所示。

图5 基于虚拟磁链定向控制策略

首先采集逆变器直流侧电压和并网电流送入磁链观测模型，由该模型估算出电网电压磁链相角。将并网电流由三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系后，送入电流内环进行调节。需要注意的是，由于磁链滞后于电压90°，所以在单位功率因素输出模式下，d轴分量为无功分量，应置0。电压外环的作用控制输出前级电路给出的功率，从而稳定直流母线上的电压，将电压参考值与实际值的差值送入PI调节器得到q轴电流的参考值，然后送入电流内环进行调节，电流调节器输出id，iq的参考值，将此直流分量反变换到原三相静止坐标系下，得到调制参考信号。在工程上，多电平变换器开关信号调制技术一般应用载波组调制获得，本系统中，采用基于垂直移相载波调制技术进行调制后得到开关信号，同时将此开关信号送入磁链观测模块用于估算磁链。

3 系统仿真

根据前节所述光伏逆变器拓扑及其控制方法，在MATLAB／Simulink仿真环境下搭建仿真平台。如图6所示，该光伏发电系统是一个典型的二级式并网系统，其前级Boost电路采用电导增量法控制实现最大功率跟踪，后级逆变器实现逆变并稳定直流母线电压。整套系统采用并网模式，工作在单位功率因数输出模式下，在光照强度为参考值1 000 W·m-2时，向外输出最大功率为100 kW。直流母线电压参考值设为750 V。控制系统采用基于虚拟磁链定向控制策略，调制方式为垂直移相双载波调制。本地负载为一个30 kW的纯电阻负载，仿真模拟并入当地380 V低压配电网。为更好地模拟系统暂态性能，当仿真进行到0.6 s时，调节光照强度下降到600 W·m-2。

图6 100 kW光伏仿真平台

仿真波形如图7所示。由图7（a）中可知，在单位功率因数输出模式下，电网电压和并网电流同频同相，这时输出功率的大小由并网电流幅值决定。在光照减弱时，可明显看到并网电流幅值减小，这时并网功率随之减小，但由于控制器的作用，其频率和相位在一个周期内便恢复到与电网电压同步。图7（b）显示了逆变器直流侧电压，在光照强度减弱时，由于控制器调节时间影响，导致其电压跌落，但随着对外输出功率不断降低，直流母线电压逐渐恢复到设定的参考值。图7（c）所示的是逆变器出口线电压波形。

图7 逆变器波形

如图8所示，由于加设了前级辅助电路，中性点电压基本稳定在Vdc／2，通过观察可知，逆变器中性点电压总是存在±1 V的波动。这是由于在辅助电路控制模块中，为了防止辅助电路开关频率过高造成开关损耗过大的问题，对中性点电位的波动设定了一定范围的允许值。

图8 NPC拓扑中性点电压

图9为改进型光伏逆变器并网电流各次谐波含量，可见主要是存在较少的3次谐波和4次谐波，但总谐波畸变率为1.15%，完全满足国家标准［10］对光伏发电装置并网电流总谐波畸变率不高于5%的要求。

图9 并网电流谐波分布

4 结语

通过仿真验证可以得知，在传统三电平NPC拓扑前级增加辅助控制电路可有效地控制中性点电压平衡，使得逆变器输出电能质量得到大大改善。基于虚拟磁链定向的逆变器控制策略，通过利用估算电网电压磁链去代替对电网电压采样的方法省去了电网侧电压传感器，从而有效地降低了设备成本。综上所述，结合以上两种方法对现有光伏并网逆变器系统进行改进是中低压光伏逆变并网工程上比较可行的方案。