光伏发电三相三电平并网逆变器新型调制算法

谢积锦，黄文东，庄 远，李红星，杨忠强，吴 飞

(1.北部湾大学 钦州市大数据资源利用重点实验室，广西钦州 535011；2.北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011)

近年来，太阳能并网发电技术受到了国内外专家的广泛关注。核心设备逆变器的应用随之增加，甚至渗透到了化学化工领域。三电平逆变比两电平逆变具有输出电压电流谐波小[1-4]、功率开关电压应力低等明显优势。

在三电平逆变拓扑中，二极管箝位型拓扑的应用最为广泛，但其中点电位平衡问题不容忽视。中点电位不平衡会带来一定的影响，如：逆变器的输出电压畸形；开关器件耐压不均衡[5]；降低电容的使用寿命等。导致中点不平衡的原因也很多，虽可用硬件电路或软件控制中点电位，但硬件控制成本高，所以，目前主要从软件控制上进行研究。当前主流的调制方法为空间矢量脉宽调制(SVPWM)。传统文献介绍的方法都是基于传统的七段式SVPWM来实现中点电位平衡，都面临开关动作次数较多，开关损耗程度大等问题，因此本文就这一问题进行优化，实现五段式SVPWM算法，在达到中点电位平衡的同时减少开关管次数，减小开关损耗。

本文基于七段式SVPWM研究一种五段式SVPWM，通过扇区的确定选择合理的开关序列，通过利用小矢量中两个开关状态的特性进行序列的选择，实现中点电位平衡。为进一步降低开关损耗，还实现了在相电流最大值附近使开关不动作。

1 三电平逆变拓扑及传统的SVPWM

1.1 三电平逆变器拓扑结构及空间矢量分布

二极管型三电平逆变结构如图1所示。每相由4个开关管Sx1、Sx2、Sx3、Sx4串联组成，Dx1、Dx2用于将某相箝位于中点O。四个开关所组成的开关状态共有16种，但由于Sx1和Sx3互补、Sx2和Sx4互补，且Sx1和Sx4导通无意义，所以每相只有P、O、N三种输出状态。以O为参考点，当开关Sx1、Sx2导通，Sx3、Sx4关断时，输出电压为Vdc/2,记为P状态；当开关Sx2、Sx3导通，Sx1、Sx4关断时，输出电压为0,记为O状态；当开关管Sx3、Sx4导通，S_x1、Sx2关断时，输出为-Vdc/2,记为N状态。

图1 NPC三电平逆变器拓扑

逆变器三相共有27种开关状态，将开关状态对应的三相输出电压代入电压空间矢量表达式：

(1)

图2 空间矢量分布图

在27个矢量中，大矢量和零矢量对中点没有影响；只有中矢量和小矢量对中点有影响，但由于小矢量具有成对正负冗余矢量且对中点影响相反，因此，目前大多数研究都是基于七段式展开，通过在一个开关周期内调整正负小矢量的作用时间来控制中点电位。

七段式开关序列如表1所示。开关顺序需满足两个基本原则：(1)前后两个矢量切换时，同一相不能出现P与N之间的直接切换；(2)前后两个矢量切换时，逆变三相桥臂的开关不能同时动作。以1.4小区为例，POO与ONN相互抵消，得出矢量图如图，由图可看到一个周期时间内每一相的开关动作两次，而且每一相都有动作。

表1 第1扇区空间矢量分配

其实在确定开关顺序之前，还需：

(1)确定参考电压矢量的位置，及大扇区小区间的判断。如图2所示，有六大扇区，每一大扇区又分为六个小区间。

(2)确定合成参考矢量的基本矢量，一般采用最近三矢量法(NTV)，也就是参考矢量所在的小三角形区间的顶点的三个矢量来合成。

(3)合成矢量确定之后，通过“伏秒平衡”计算每个小区间内矢量的作用时间。

1.2 中点电位平衡问题

中点电位不平衡问题现阶段主要分为硬件控制和软件控制。硬件控制策略是从电路结构上考虑的，利用直流侧的中点来箝位或外加电压补偿电路来均衡电容电压，控制较复杂[6-7]，成本高且可靠性低。软件控制策略是着眼于调制，通过合理的选择三电平逆变器的开关序列，调整正、负小矢量的作用时间，来阻止中点电位的定向偏移，或者根据冗余矢量对中点电位的相反影响，在扇区选取开关时采取不一样的开关模式，并且引入控制因子。由于空间电压矢量脉宽调制技术易处理，在调制策略中最具有优越性，三电平逆变器中点电位控制通常采用软件控制策略。

在七段式调制中调整中点电位，以正小矢量为首发矢量，只需要看某矢量作用时连接到中点电位的电流方向，就可以知道它对直流电容电压的影响方向，再结合直流电容电压Vc1和Vc2的不平衡方向，对正负小矢量的作用时间进行调整。

图3 1.4小区空间矢量时序图

图4 逆变器直流侧输入端

定义△V=Vc1-Vc2。当△V>0时，Vc1>Vc2，要加大正小矢量的作用时间，即加强C1的放电时间，使之降低；当△V<0时，则应该减小正小矢量的作用时间。为了防止出现中点电位小波动给带来的开关管动作频率加快现象，增大开关的损耗程度，还需定义一个阀值h，当△V>h或△V<-h时才进行调整，让△V尽可能的在±h范围内波动。增大或者减小矢量的作用时间通过乘以一个调节因子k来实现，一般取0.25h或△V<-h时，k大于0.5。

2 五段式调制

由上述可知，在七段式调制中，每个采样周期内使用一个小矢量的两个状态组合，利用它们对合成参考矢量的作用相同但对直流侧电容中点电位的影响相反的特性，进行中点电位平衡控制。根据直流侧电容中点电位的偏移和相电流的方向，通过调整小矢量的作用时间来使直流侧电容电压在一定的范围内波动。而五段式调制，要使在一个周期内某一相开关保持不动作的同时，另外两相只动作2次，以此来减少开关次数，降低开关损耗度，控制中点电位平衡。

2.1 五段式中点平衡控制策略

因在五段式中每一个电压矢量只能用一种状态组合(如：小矢量POO或OON只能选其一),所以在五段式中一个采样周期内是没有能力来调节中点电位平衡的。

通过分析，五段式调制每个小区可以分成两种对中点电位有相反的影响的矢量序列方式，也就是在一个开关周期内只能出现某个电压矢量的一个状态组合，我们可以在另一个开关周期内采用同一个电压矢量的另一个状态组合，这样整体看起来也是可以调整直流侧电容中点电位的。以第1扇区为例的两种矢量序列导通方式如下表2，其它扇区类推。方式0是可以使△V下降的矢量序列方式，方式1是可以使△V上升的矢量开序列方式，所以当△V上升时采用方式0，当△V下降时采用方式1。

表2 五段式开关序列

其中的中点电位波动的大小可以直接由直流侧电容电位差△V=Vc1-Vc2来判断,再通过与设定的阀值h比较决定使用方式0还是方式1，当△V超过允许波动范围|h|才进行调节。五段式控制框图如图5所示。

图5 中点电位平衡控制图

以参考矢量在1.0小区为例，作出五段式输出电压矢量(方式0)的时序图如图6所示。通过图6与图3对比发现：五段式在一个周期内有一相开关不动作，其他两相只动作2次，与七段式相比较开关动作次数减少了，从而在一定程度上降低了开关损耗。

图6 五段式时序图

2.2 相电流最大时开关管不动作

在逆变器中，通过减少开关次数来减少开关损耗，除了在选择开关序列时保持开关次数减少，还需考虑大电流开关管不动作，这样可以更多的减少开关次数。

由图7可知，1.0、1.2、1.4小区时A相电流最大，即A相不开关；1.1、1.3、1.5小区时C相电流最大，即C相不开关。所以第1扇区实现大电流不开关时需要的开关组合如表3，分析发现实现大电流不开关和实现中点电位平衡之间相互矛盾，因为要实现大电流开关管不开关，则在某一小区中的开关方式得固定，而要实现中点电位平衡其导通方式应是可变的。

图7 三相电流波形和扇区

表3 实现大电流不开关的开关组合

进一步分析，当逆变器在单位功率因数下稳态运行时，参考电压矢量运行在每一扇区的4-2-3-5或5-3-2-4小区，同时大部分运行在第4小区或第5小区，因此要实现大电流开关管不开关，就应在1.4小区采用方式0,1.5小区采用方式1。如果在1.2和1.3小区实现大电流不开关的话线电压会发生较高的幅值跳变，因此这两小区不进行大电流不开关。所以，我们选择在1.0、1.1、1.2、1.3小区内实现中点电位平衡，而在1.4、1.5小区内实现大电流不开关。当在1.4小区运行方式0，在1.5小区运行方式1时，从整个扇区来看它们对中点的作用可以抵消。这样既可以控制中点电位，又可以最大限度减少开关次数降低开关损耗。

如图8，设调制度为M，不动作角度为θ，则

图8 参考矢量直角坐标系示意图

(2)

由余弦定理得：

(3)

由正弦定理得：

(4)

将(2)和(3)式带入(4)解得当调制度M=0.88时，θ=25.38°，所以大电流不开关的角度为25.38°×2=50.76°。

3 并网控制

3.1 NPC三电平并网逆变器动态数学模型

系统各变量在ABC三相静止坐标系中均为交流量，不能方便有效的对并网逆变系统进行控制，因此通常将ABC三相静止坐标系转换到αβ两相静止坐标系，再将αβ两相静止坐标系转换到dq旋转坐标系[8-10]，从而将交流分量在旋转坐标系下转变为直流分量。

图9 逆变器等效模型

假设三相电网电压平衡，可推得：

(5)

(6)

再进行d轴电网电压定向同步旋转坐标变换可得到式(7)方程，将式7用框图表示，得到系统的控制对象数学模型，如图10所示。

图10 传递函数框图

(7)

3.2 内环控制策略

由于图10中d轴和q轴上存在交叉耦合，相互影响，所以本文采用电网电压前馈电流交叉解耦的控制策略，以便抵消两个坐标轴的相互影响，控制框图如下图所示。

图11 并网逆变控制结构图

4 仿真验证

为了验证本文提出的五段式调制法，在Matlab/Simulink环境中搭建图1所示三电平拓扑的仿真模型，并基于S-function模块实现本文调制算法，仿真参数：Vdc为630V，并网电流幅值为30A，电容C1=C2=900μF，电感L=4mH，开关频率为20kHz，电网电压为220V/50Hz，阈值|h|=20V，调制度M为0.88。

图12为线电压波形，线电压没有出现较大的跳变，即矢量切换满足了两个基本原则。图13第1、2个波形分别为电压参考矢量所在的大扇区及小扇区，参考矢量按照逆时针旋转,分别经过第1～6大扇区及小扇区5-3-2-4-4-2-5-3，与2.2节及图2吻合。第3个波形为△V，可见，其在±20V内浮动，中点电位控制在了合理的范围内。

图12 线电压波形

图13 扇区判断和电位差

图14为本文提出的五段式并网电流波形，波形能保持正弦度，实现了并网电流正弦控制，虽然可看出逆变器输出电流带有高次谐波，但幅值并不大。图15是传统的七段式并网电流THD分析和本文提出的五段式电流THD分析，五段式的THD稍微大于七段的THD，但差距比较小，依然满足THD<5%的国际标准。表明本文算法在降低开关损耗的同时，不会对THD产生较大影响，优化算法可行，通过进一步计算开关损耗，发现所提方法比传统七段式方法，效率提高了2个百分点。

图14 三相电网电压、逆变器输出电流

图15 五段式与七段式的THD

5 结论

本文针对NPC三电平逆变器中点电位平衡和开关损耗问题，通过分析七段式开关序列研究一种五段式开关序列，在五段式下既能实现中点电位平衡，又能尽量降低开关次数减小开关损耗。

(1)根据小矢量对中点电位具有相反的影响，矢量序列分为两种方式，即方式0和方式1。通过电压差的大小选择合理的方式来调整中点电位平衡。

(2)减少了开关管在大电流时的动作次数，实现大电流不开关，较大程度地降低了开关损耗，与七段式相比效率提高了2个百分点。

(3)通过仿真分析了本文提出的五段式SVPWM法，验证了其可行性与有效性。