基于五电平控制的中点箝位单相逆变器的研究

2021-12-29 06:04徐天乐
太阳能 2021年12期
关键词:正弦波单相导通

徐 杰,徐天乐

(南京南瑞继保电气有限公司,南京 211100)

0 引言

传统的两电平中点箝位(neutral point clamped,NPC)单相逆变器在光伏发电领域得到了广泛应用。但由于光伏阵列的输出功率具有随机性、波动性的特征,且逆变器的开关损耗和发热量会随着开关频率的提高而增大,因此,受限于逆变器的开关频率,应用于光伏阵列的逆变器输出的电流含有大量谐波成分。为此,有研究学者提出了三电平单相逆变器拓扑结构,相较于传统的两电平单相逆变器拓扑结构,其可使逆变器的开关频率成倍减小,降低了开关损耗,提升了逆变器效率;并且在相同载波条件下,三电平单相逆变器输出电流中的谐波含量大幅降低,有利于减小交流侧滤波器的功率容量。

为了进一步减小逆变器输出电流中的谐波含量,本文在三电平中点箝位单相逆变器拓扑结构的研究基础上,提出一种五电平中点箝位单相逆变器拓扑结构,以期进一步减小逆变器输出电流中的谐波含量,改善电流的波形质量,并减小逆变器的开关损耗。

1 三电平中点箝位单相逆变器的工作原理

三电平中点箝位单相逆变器的电路拓扑图如图1所示。图中,E1为上半桥臂直流电压;E2为下半桥臂直流电压。

图1 三电平中点箝位单相逆变器的电路拓扑图Fig. 1 Circuit topology graph of NPC single-phase inverter based on three-level

从图1可以看到,逆变器的输出经电感L接到负载Load上。逆变桥左侧桥臂是由绝缘栅双极型晶体管IGBT(下文简称为“T”)和续流二极管D组成的组件1、组件2、组件3、组件4,以及中点箝位二极管Dp1、Dn1组成。当T1、T2导通时,a点的输出电压为“+”电平;当T2、T3导通时,a点的输出电压为“0”电平;当T3、T4导通时,a点的输出电压为“-”电平。同理,逆变桥右侧桥臂的b点输出电压同样为三电平。因此,无论逆变器是作为变频器向交流电动机供电,还是用于并网光伏发电系统,都能做到省去滤波器或减小滤波器的功率容量,对节能减排具有重要意义。

在三电平中点箝位单相逆变器拓扑结构的基础上,本文提出了一种控制逆变器输出电压为五电平的实现方式,其控制图如图2所示。图中:T1~T8的波形均为同步信号正弦正半波;Ua为a点的电压;Ub为b点的电压;Uab为a点与b点间的电压;t为时间;E为直流电压;θ为输出电压和输出电流之间的相位角。

图2 中点箝位单相逆变器的输出电压为五电平时的控制图Fig. 2 Control diagram of NPC single-phase inverter with output voltage of five-level

结合图1和图2,假设E1=E2=E,则同步信号正弦正半波T1、T2导通,此时a点的输出电压为“+”电平;而在0~θ和180°-θ~180°区间内,当T6、T7导通时,b点的输出电压为“0”电平;其余情况为T7、T8导通,b点的输出电压为“-”电平。对同步信号正弦负半波做类似控制,最后可以得到Uab的波形为五电平(即+2E、+E、0、-E、-2E)方波。

利用脉冲宽度调制(PWM)可以控制Uab为正弦波。通过正半波对T1、负半波对T4做正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制,或正半波对T5、负半波对T8做SPWM控制均可实现Uab为正弦波。当正半波对T1、负半波对T4仅做PWM控制时,T1、T4的开关损耗会远大于其他T,发热严重,因此也可考虑正半波对T1、负半波对T4和正半波对T5、负半波对T8轮流做PWM控制,从而实现Uab为正弦波。为使所有元件的损耗、发热均匀,可采用正半波对T2、负半波对T3和正半波对T6、负半波对T7轮流进行PWM控制的方式来实现Uab为正弦波,但此时需要用到中点活箝位(active neutral point clamped,ANPC)逆变器控制方法[1-3]。

2 五电平中点箝位单相逆变器的仿真模型

五电平中点箝位单相逆变器的电路系统仿真图[4]如图3所示。图中:Drv-Sgnl为逆变器的T的驱动模块;ga为输入信号;sch为输出控制信号;Refa为参考电压;ia为逆变器的输出电流;Usa为调制波;OCCa为单周控制模块;RMS为有效值;Ref为参考值;5LHBI为五电平中点箝位单相逆变器;Scope1~Scope10均为示波器;Display为显示器;i为电流表;v为电压表;C为滤波电容;Port为接口;signal rms为单相有效值。

图3 五电平中点箝位单相逆变器的电路系统仿真图Fig. 3 Simulation diagram of circuit system of NPC single-phase inverter based on five-level

五电平中点箝位单相逆变器的拓扑结构仿真模型如图4所示。图中:Ap为T1、T2所在上半桥臂的拓扑结构模块;Bp为T5、T6所在上半桥臂的拓扑结构模块;An为T3、T4所在下半桥臂的拓扑结构模块;Bn为T7、T8所在下半桥臂的拓扑结构模块。

图4 五电平中点箝位单相逆变器的拓扑结构仿真模型Fig. 4 Simulation model of topological structure of NPC single-phase inverter based on five-level

图4中的An模块和Ap模块展开的拓扑结构如图5所示,图3中的Drv-Sgnl模块展开的拓扑结构如图6所示。

图5 An模块和Ap模块展开的拓扑结构Fig. 5 Topological structure of An module and Ap module expansion

图6 Drv-Sgnl模块展开的拓扑结构Fig. 6 Topological structure of Drv-Sgnl module expansion

本文采用如前文图2所示的五电平控制方案,即正半波对T1、负半波对T4仅做PWM控制,图6中的“0.5”对应的是图2中θ=30°时的情况。同步信号Usa取自正弦波发生器,在正半波时,对T1作 PWM控制,T2恒导通,由于滤波电感L的作用,当PWM数值变为“0”时,输出电流流通路径由“+电平→T1、T2→a→L→Load→电平为0”转变为续流途径“电平为0→Dp1、T2→a→L→Load→电平为0”。

Drv-Sgnl模块中第2个输入信号ga由图3中的单周控制[5]模块OCCa产生,为脉冲控制信号。

OCCa模块的仿真模型如图7所示。其中,调制波为逆变器的输出电流ia,载波Refa为正弦波信号,Refa的大小受Ref控制(见图3);S、R均为RS触发器的输入信号;Q、!Q均为RS触发器的输出信号;Compa为比较器;Switch为开关,用于积分器的清零;clk为时钟发生器;boolean表示取布尔值;|u|表示取绝对值。

图7 OCCa模块的仿真模型Fig. 7 Simulation model of OCCa module

图8为T的驱动信号图。

图8 T的驱动信号图Fig. 8 Drive signal of T

3 五电平中点箝位单相逆变器的仿真实例

五电平中点箝位单相逆变器的仿真参数设置如表1所示。

表1 五电平中点箝位单相逆变器的仿真参数Table 1 Simulation parameters of NPC single-phase inverter based on five-level

利用Matlab/Simulink对五电平中点箝位单相逆变器进行仿真,仿真结果如图9所示。图中:U为逆变器的输出电压;iR为负载电流;UL为滤波电感L的压降;id+为输出电压为正电平时的直流电流;id-为输出电压为负电平时的直流电流。需要说明的是,由于采用参考电压为正弦波的单周控制模块,Uab波形是5级的阶梯波;本文仿真模型中滤波器为单L滤波器。

图9 五电平中点箝位单相逆变器的仿真波形Fig. 9 Simulink waveforms of NPC single-phase inverter based on five-level

从图9中可以看出:

图9a中,由于逆变器输出电压与负载电流基本同相位,因此负载的功率因数接近1。

图9e、图9f中,在正半波时,由于对T1做PWM控制、T2导通,当PWM数值为“1”时,id+由E1正极流出;当PWM数值为“0”时,id+由中点经Dp1、T2续流流出,不经过E1正极,因此id+呈断续的脉冲状;此时因T7、T8恒导通,因此图9f中呈接近正弦的连续波。负半波的情况可进行类似推导。

4 结论

本文探讨了三电平中点箝位单相逆变器的工作原理,提出了一种控制逆变器输出电压为五电平的拓扑结构和实现方式;并基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了仿真模型,对基于五电平控制的中点箝位单相逆变器的应用效果进行了验证。由于逆变器输出电压波形为5级阶梯波,有利于消除逆变器输出电流中的谐波,从而可改善电能质量。

此外,本文提出的5级阶梯波PWM方案,还可以进一步探讨该方案中θ值的选择;为得到更好的正弦波输出电流,输出侧还可以进一步考虑选用LC滤波器或LCL滤波器。

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