TNPC三电平变流器并联控制策略应用研究

范立荣，江跃龙，张胜宾，李怀俊

(1.广东交通职业技术学院 汽车与工程机械学院，广州 510650；2.广州铁路职业技术学院 信息工程学院，广州 510650)

0 引 言

三电平逆变器具有开关频率高、输出谐波含量小、系统效率高等优点，在新能源发电领域得到广泛的应用[1-2]。三电平T型中点钳位(以下简称TNPC)并联逆变器系统可根据用户需求灵活配置和扩展，在未来的智能家居及智能电网中扮演着重要的角色。在光伏并网逆变器中，三电平智能变流器并联控制可以实现经济运行模式，该模式下可以实现可再生能源优先、非可再生能源次之、储能系统补充和备用第三的能源使用顺序，当遇到“填峰削谷”时可智能调整。

但是，逆变器的直接并联必然会导致并联模块间的环流问题[3-5]。外零序环流会带来三相电流畸变和直流偏置等问题，增加系统的损耗，如不对零序环流加以控制，会造成控制系统波形变差，甚至使系统崩溃[6-7]。同时，三电平TNPC变流器若中点不对称将使输出电压含零序分量，这将导致系统不可靠。因此，研究中点电位平衡控制也是研究三电平逆变器的控制策略的核心课题之一[8]。

本文针对多台智能变流器并网产生的环流及中点不平衡等问题，提出一种新型的并联均流控制策略，具体包括下垂控制、中点电位平衡控制、环流抑制等，并对其进行了具体的分析及设计，实验结果证明了控制策略的高效性及可靠性。

1 TNPC三电平变流器调制策略

三相多台TNPC变流器具体控制策略如图1所示，交流侧采用理想三相电压源EA、EB、EC，其线电压有效值为380 V，L为滤波电感，取值为0.9 mH，C1、C2为滤波电容，取值分别为22 μF、0.47 μF，R为47 kΩ。i为电感侧电流，u为采样电容C1电压；采样直流侧中点电压并计算得到中点电位差ΔU；Vd、Vq分别为经过下垂控制、电压电流双闭环调节后得到的d、q轴输出电压；中点电压平衡采用比例调节方式，将直流侧中点电压压差检测得到的结果，经过合适的比例系数调节，从而将中点电压压差控制在一定范围内；环流通过比例积分谐振调节器(PIR)，其中PI主要抑制的是直流分量，谐振主要抑制的是3次、9次谐波分量。中点电位平衡控制采用比例调节的方式并与电压电流双闭环输出的电压叠加，最终得到调制波，并采用PD控制策略进行调制。

图1 三相多台TNPC变流器运行控制框图及调制策略

1.1 下垂控制原理

三电平TNPC智能变流器采用P-Udc(功率和直流侧电压)下垂控制方式，其下垂曲线图如图2所示。

图2 P-Udc下垂控制原理

图2中，UO代表TNPC智能变流器空载时直流侧母线电压，Udc代表TNPC智能变流器直流侧母线实际电压，P代表变流器实际功率，m代表曲线的下垂系数，具体的下垂控制表达式如下：

Udc=UO-mP

(1)

m的具体表达式：

(2)

式中：ΔUdcmax代表母线电压可容许最大边际值，取5%；PN为负载额定功率。理想情况下近似认为交流侧有功功率Pac与直流侧有功功率Pdc相等，即有如下表达式：

Pac=Pdc

(3)

1.2 变流器并联环流模型及其抑制方法

在TNPC智能变流器控制系统中，以三台变流器并联拓扑系统为例，图3为 三台并联变流器系统等效电路图。

图3 三台变流器并联拓扑等效电路图

由图3可以得出任意一相电压矢量关系式(这里以R相为例)：

三是创新优化政务环境。全面落实深化改革各项工作，创造性成立商事审批服务虚拟办公室，打破传统审批固化程序，重构审批流程，提前介入技术审查和业务指导，实行“一窗受理、集成服务”，目前在全省“施工许可50天”改革基础上，最少可为项目建设方节约12-17天时间。畅通政企沟通渠道，设立企业投诉热线，在“江苏姜堰”微信公众号开通网上投诉渠道，对企业的合理合法诉求第一时间回应、第一时间解决。

(4)

式中：Vr为R相电源；r为每相电感等效内阻；R1，R2，R3为TNPC并联变流器等效负载电阻；ua为PWM整流交流侧电压基波；Vo为整流输出电压；Vo-为输出负载环流端电压；d1为与输出电压成比例的常数，同理其它S相、T相参数同。

由式(4)可以推导出：

(5)

同理对S相、T相均有：

(6)

(7)

把式(5)、式(6)、式(7)累加可以得到：

(8)

如果我们忽略高次谐波分量，则可以得到：

(9)

(10)

由式(9)、式(10)可知，由于线路阻抗RL非常小，三台逆变器输出电压Vo在自身参数异同会导致并联三电平智能变流器输出不平衡电流Io。通过优化滤波器的设计参数、载波信号同步等手段，可以对高频环流有较好的抑制效果[9-10]。

由前面可以得出变流器并联环流控制系统框图，如图4所示。

图4 变流器并联系统环流控制框图

1.3 改进型TNPC环流抑制算法

从前面可知，多台变流器运行时在变流器之间会产生环流，因此多台变流器的调制策略在单台变流器的基础上加入环流控制。多台变流器的运行控制框图同单台的一致，不同的是在PD调制中引入了环流控制，控制第N台变流器的零序环流与第N-1台的环流在数值上大小相等，控制方向相反，即图4中环流幅值相位控制调节器，它包含中点电压ΔU与三相电流矢量进行PIR调节控制，具体改进型环流控制如图5所示。

图5 两台TNPC智能变流器零序环流的控制

在图1中，采样第一台变流器的电流iA1、iB1、iC1，计算得到流经每台的零序环流大小为io,io的计算公式如下：

io=(iA+iB+iC)/3

(11)

图5为两台TNPC智能变流器并联运行时对环流进行控制的调制策略，将环流进行PIR控制后，经过下垂、电压电流双闭环得到的d、q轴电压经过2r/3s坐标变换得到三相电压，对调制波做归一化处理后与载波比较得到所需的PWM波形，去控制每个桥臂开关管的通断。PD调制具体如图6所示。

图6 PD调制策略输出PWM波

1.4 TNPC改进型中点平衡控制算法

对于中点电压Vo(即ΔU)平衡的控制，具体的方法是将中点电压压差经过采样并进行计算，再采用比例调节的方式去控制中点电压，得到的空间矢量调制波为经过变换后的三相电压和中点电压偏差经比例调节后的叠加，最终输出PWM波控制三电平智能变流器。具体控制算法如图7所示。

图7 改进型中点平衡控制算法

2 实 验

图8为系统的整体运行框图，开关S1为空载和带载实验的切换，开关闭合时为带载实验，开关断开时为空载实验；开关S2为加减载切换实验，开关S2从断开到闭合时为加载实验，反之则为减载实验。隔离变压器为确保安全作用。

图8 系统整体运行框图

为了满足负载切换时直流侧电压在一定的范围内波动，引入下垂控制。引入P-Udc下垂控制，空载时Id为0，直流侧电压为320 V，设置空载电压比最大负载直流侧的电压高10 V，负载切换为60 Ω～90 Ω；当直流侧负载最大时(60 Ω)，直流侧电压为310 V，交流侧线电压为180 V，根据交直流侧功率近似相等的原理，求出此时的电流Id为7.27 A，此时功率为1.6 kW,得到下垂曲线的解析式：

(12)

为了验证本文的控制策略的正确性，分别做了几种工况下的负载突变实验，如表1所示。

表1 负载突变仿真工况(P-Udc下垂控制、加隔离变压器)

图9为两台TNPC智能变流器并联稳定运行时实验结果。依据下垂控制原理，当两台变流器并联运行时，网侧电流均分，从图9中可以看出，两台网侧电流基本均分，分别为2.844 A和2.673 A，验证了下垂控制及环流控制效果的正确性。

图9 两台TNPC智能变流器并联运行实验结果

图10 两台TNPC智能变流器并联运行时负载突变前波形图(减载)

图10～图12为负载突变实验(减载，60 Ω切换到90 Ω)，负载突变前直流侧电压为314.3 V，网侧电流分别为2.845 A和2.669 A，负载突变后直流侧电压稳定在316.5 V，网侧电流为1.864 A和1.750 A，与理论分析的下垂控制所得到的值基本相同，从而验证了该控制策略的正确性。在负载突变调节的过程当中，电压超调量为8 V，经过20 ms达到稳定。

图11 两台TNPC智能变流器并联运行时负载突变时动态波形图(减载)

图12 两台TNPC智能变流器并联运行时负载突变后稳定运行波形图(减载)

图13～图15为加载实验(90 Ω切换到60 Ω)，负载突变前直流侧电压为315.3 V，网侧电流分别为1.853 A和1.747 A，负载突变后直流侧电压稳定在313.7 V，网侧电流为2.827 A和2.672 A，与理论分析的下垂控制所得到的值基本相同，负载加载前后，符合理论上的下垂控制原理，且均流效果较好。

图13 两台TNPC智能变流器并联运行时负载突变前实验波形图(加载)

图14 两台TNPC智能变流器并联运行时负载突变时动态波形图(加载)

图15 两台TNPC智能变流器并联运行时负载突变后稳定运行波形图(加载)

为进一步验证本文算法有效性，增加单台TNPC与两台TNPC网侧电流THD含量对比，如图16所示。

图16 单台与两台TNPC稳定运行时网测THD

从图16可以看出，3次电流谐波含量明显增大，间接说明了两台变流器并联运行时环流的存在。

图17(a)为不加任何控制时环流波形图。此时环流总有效值为0.485 A，占每台变流器电流的含量为18.1%。图17(b)为加入PIR环节后环流变化的动态波形图。从图17(b)中可以看出，环流幅值明显减小，环流为0.063 82 A，此时中点电位基本达到平衡，有效验证了本文算法的高效性与可靠性。

图17 不加任何控制策略与加入PIR控制后环流波形对比分析

3 结 语

本文对多台三电平智能变流器并联控制策略进行了应用研究，通过对多台TNPC智能变流器并联的实验，验证了TNPC智能变流器采用下垂控制、变流器并联环流模型机理及其抑制、中点电压平衡等控制策略的正确性。在负载突变时，依据下垂控制、电压电流双闭环控制等策略，直流侧电压在一定的范围内升高且最终达到稳定，其它功能比如中点平衡控制、环流抑制等算法均得到了验证，充分验证了本文提出的并联均流控制策略的有效性与可行性。且此控制策略可扩展至N台三电平变流器，适应性强，可靠性好，可以实现不依附电网电能、并网发电和离网运行，未来具备广阔的市场空间。