考虑转换效率提升的两阶段光伏逆变器设计

冯磊，陈祖能，张跃文，张泽荣

（云南电网有限责任公司，云南 昆明 650011）

随着能源短缺和环境污染问题的日益突出，光伏等分布式能源得到了前所未有的发展[1-2]。接口并网逆变器是将分布式电源（distributed energy resources，DERs）接入电网的关键元件，随着越来越多的分布式电源接入配电网，电能质量问题成为相当大的问题[3-4]。为了有效利用分布式电源并满足标准电能质量要求，多功能逆变器（MFI）受到广泛关注[5-6]。

通常在单级结构中，MFI有DC-AC级，具有更少的电子元件、更低的成本和更高的效率，光伏阵列直接连接到并网逆变器的直流母线上，当使用常用的电压反馈（Buck型）逆变器时，直流母线电压相对较高，这限制了光伏电压的最高值[7-8]。在大多数应用中，两级结构是MFI 的首选，因为前端DC-DC 级可以灵活地提高PV 电压，以适应电压馈电的DC-AC 级[9]。此外，多功能控制目标可以在两个独立的阶段分别实现，如最大功率点跟踪（MPPT）由DC-DC 阶段执行，而有功功率注入和电能质量控制则由DC-AC阶段实现。因此，两级MFI具有更大的灵活性，但由于DC-DC 级引入的附加功率转换，其有功功率传输效率较低。

为了提高转换效率，一些研究采用减少转换阶段实现。文献[10]中，当光伏电压超过交流线路电压的峰值振幅时，将一个二极管用于旁路前端DC-DC 转换器。然而，由于采用串联结构，DC-DC 变换器仍能承受全部有功功率。部分功率处理方法是减少转换级的有效解决方案，这一概念首先被引入到DC-DC应用中，称为部分功率转换器[11]。在DC-DC 转换器的输入和输出之间创建直接的功率流路径，因此，DC-DC 变换器只需处理部分功率，就可以提高效率。类似的概念扩展到单相PFC 和光伏逆变器的应用中，在文献[12]中，光伏电压用作一个电平，升压变换器的输出用作DC-AC级的第二个电平，实现了多级特性和部分功率处理，有利于提高效率。除了有功功率外，MFI还负责电能质量控制，即实现光伏系统的不同补偿特性。对于MFI 的应用，一些研究还着眼于考虑容量限制的补偿特性，并尽可能地提出提高电能质量的最优控制策略[13]。然而，很少有研究提到这些补偿特性和高效率的有功功率传输。文献[14]基于部分功率处理的概念，提出一种新型的两阶段双向储能DC-AC 变换器。两阶段方案在灵活、控制简单、效率高等方面取得了较好的平衡。然而，其具有双直流端口和双功率流，建模和控制不同于传统的单级或两级MFI，且现有文献只讨论了纯有功功率传输，而非有功电流补偿可能会影响两阶段有功功率流的特性。

为解决以上问题，本文主要对两阶段MFI（QMFI）进行了全面分析，提出了QMFI 的数学模型，用于指导控制参数的设计。此外，还提出了基于旋转坐标系的分析模型，推导了QMFI 的空间矢量脉冲宽度调制（PWM）策略，直观揭示了非有功电流补偿对两阶段有功潮流的影响。

1 拓扑结构与控制

1.1 QMFI拓扑结构

QMFI 结构如图1a 所示。与传统的DC-AC转换器不同，DC-AC 级采用双DC 端口（dual-DCport，DDP）转换器，其中一个低压（LV）DC 端口（电压UL）直接连接到光伏阵列，而另一个高压（HV）DC 端口（电压UH）连接到中间DC 母线。电压UH保持恒定，电压UL由PV阵列决定，且可以在很宽的范围内变化。与传统的两级MFI 相比，其可以降低功耗，提高整体效率。QMFI 的详细拓扑如图1b所示。注入电流ix表示为

图1 所提QMFI结构Fig.1 Proposed QMFI

式中：i+x为基波正序分量；i-x为基波负序分量；ihx为谐波分量；x=a，b，c，对应于A，B和C相。

1.2 建模与控制

QMFI控制框图如图2所示。此外，DDP 变换器还负责电能质量控制。MPPT 运行的电能质量控制可以通过独立调节DDP 和Boost 变换器来实现，采用传统的摄动观测MPPT 算法[15]。本文在同步旋转d-q坐标系框架下实现了该控制算法，将基波正序电流变换为直流分量，而将负序电流或谐波电流变换为交流分量，并采用低通滤波器进行简单的分离。负载电流交流分量定义为iLd_ac。对于不平衡电流补偿，iLd_ac为d轴上的负序负载电流，即iLd_ac=i-Ld；对于谐波电流补偿，iLd_ac为d轴上的负载谐波电流，即iLd_ac=ihLd。因此，将交流分量iLd_ac与直流分量（为直流母线电压回路的输出电流）相加作为参考电流，表明QMFI 实现了电能质量控制和有功功率供应。为跟踪参考电流，本文采用了比例积分（PI）调节器。图2中，电流和电压回路的控制参数设计基于QMFI 的建模情况。对于DDP 变换器，与传统的DC-AC 变换器的主要区别在于只有部分有功功率通过直流母线传输，因此，直流母线电流和交流侧电流之间的关系为

图2 QMFI控制框图Fig.2 QMFI control block diagram

式中：idc_H为直流母线电流；id为交流侧d轴电流；uSd为d轴电网电压；UH为直流母线电压；PHr，PLr为功率分配比，分别定义为PL，PH相对于总输入功率Pin的比值。

与传统解决方案相比，DDP 转换器的控制装置包含一个额外的项（1-PLr），电流环和电压环的开环传递函数导出为

式中：Gd（s）为数字延迟；KPWM为PWM 单元；Gi（s），Gu（s）分别为电流和电压回路的PI 调节器；Hi，Hu分别为电感电流和直流母线电压的反馈系数。

2 考虑非有功电流补偿影响的调制策略及特性

调制策略是确定功率分布PL和PH值的关键，为了提高效率，需要将单级有功功率PL最大化。本节中，建立了在d-q旋转坐标系下，单级有功电流iL（间接表示单级有功功率PL）与各电压矢量和相电流的数学模型，在此基础上导出了QMFI 的调制策略。

2.1 d-q旋转坐标系下的数学建模

对于DDP 转换器，电压UH保持恒定，而电压UL是可变值。假设UH=2E，可变电压UL可表示为lE（0＜l≤2）。每个相位的开关状态可以描述为

参考电压表示为

如图1 所示，单级有功功率PL由电流iL确定。为了探讨不同电压矢量对有功潮流的影响，引入了电流开关函数（CSF），并将其定义为

CSF的物理意义是只有当开关状态等于l时，相应的相臂才连接到LV 端口，相电流ix才会影响电流iL。由每个电压矢量产生的电流iLy可以表示为

式中：dy为电压矢量的占空比。在每个开关周期中，参考电压矢量Uref可以由最近的三个电压矢量合成。

最终通过所提模型实现如下功能：1）基于此模型得出QMFI 的调制策略。可通过判断线路周期内影响因子（AVIF）的平均值是否等于零，可以方便地分析不同电压矢量的影响。2）非有功电流补偿对电流iL的影响可以很容易地分析。在d-q坐标系下，相电流的有功和无功分量被解耦，无功电流补偿的影响可以独立分析。

2.2 调制策略

为了简化分析，假设QMFI 只输出有功电流，随后将讨论非有功电流补偿的影响。相电流矩阵I表示为

式中：I+为基波电流的峰值：φ为功率因数角，仅考虑有功电流时，φ=0。

基波正序分量的变换矩阵为

在调制指数为0.77 的情况下，与中间矢量有关的影响因子的曲线，即dm·m+d，如图3a 所示。影响因子由各电压矢量的占空比和CSF 决定。图3a中，中间矢量的影响因子曲线相对于零轴对称地偏移，并且AVIF 在线周期中等于零。由于i+d是一个常数，由中间矢量产生的电流iL等于零，这意味着中间矢量没有能力控制有功潮流。

图3b 给出了仅使用正小矢量（k=1）即ds·s+pd时的影响因子曲线和仅使用负小矢量（k=0）即ds·s+nd时的影响因子曲线。在此基础上，给出了电压矢量选择的指导原则。对于QMFI，目标是尽可能增加电流iL，以最大化单级有功功率。

图3 有功电流影响因子曲线Fig.3 Curves of influence factors for active current

2.3 非有功电流补偿的影响

除相电流的有功分量外，MFI 应用中还必须考虑非有功分量，即无功分量、负序分量和谐波分量。通过判断i+q的AVIF 来分析无功电流补偿的影响是可行的。考虑到负小矢量被丢弃（即k=1），绘制了无功电流的影响因子如图4所示。

图4 无功电流影响因子曲线Fig.4 Curves of influence factors for reactive current

在三相三线制系统中，不平衡负载会产生负序电流。为了简单起见，本文只考虑基波电流不平衡的情况。

负序电流产生的电流i-L表示为

式中：i-d，i-q为基本负序旋转坐标系中的常数。

负序电流影响因子曲线如图5 所示，可以看出，影响因子dm·m-d，dm·m-q和ds·s-pq与AVIF 为0是对称的。此外，通过积分计算，可以得到ds·s-pd的AVIF 在1 个线周期内也等于零，因此，负序电流不会影响电流iL。

图5 负序电流影响因子曲线Fig.5 Curves of influence factors for negative-sequence currents

在考虑谐波补偿时，非线性负载会引入多个谐波，很难对所有谐波进行详细分析。为了简化分析，选取了几种典型的谐波。谐波电流的幅值随谐波频率的增加而减小，因此，高频谐波电流的影响一般可以忽略不计。本文主要对低频奇次谐波电流进行了分析，同时，在三相三线制系统中，不存在3n（n=1，2，3，…）次谐波。因此，主要考虑（6n+1）和（6n-1）次谐波，例如5，7，11 和13次。谐波电流表示为

式中：Ih，φh分别为谐波电流的振幅和相位角；h为谐波次数。

为了分析谐波对电流iL的影响，引入谐波旋转坐标系。值得注意的是，h=3n-1的h次谐波和5次谐波一样，被定义为负序列，而h=3n+1的h次谐波和7次谐波一样是正序列。因此，转换矩阵为

根据变换，产生的谐波电流iL表示为

式中：ihd，ihq为谐波旋转坐标系中的常数。

以5 次谐波为例，各影响因子的曲线如图6 所示。

图6 5次谐波电流影响因子曲线Fig.6 Curves of influence factors for fifth-order harmonic current

结果表明，中间矢量dm·m5d和dm·m5q的AVIF为零，而正小矢量ds·s5pd和ds·s5pq的AVIF 具有直流偏移，这意味着5 次谐波将通过正小矢量的作用影响电流iL。同样，其他次谐波的影响也可以通过判断相应的AVIF来分析。

3 实验验证

3.1 系统概述

为验证QMFI的有效性，本文建立一个3 kV·A的实验样机。为了进行比较，本文还设计并测试了一种由Boost 变换器和三电平T 型DC-AC 变换器组成的传统两级MFI，关键参数如表1 所示。在电压范围方面，根据交流线路电压峰值幅度和调制指标的要求，设计了高压端口电压UH。同时，UL是DDP 变换器的中性点电压，不能大于UH，因此，高压端口的电压UH设计为700 V，以确保UH始终高于交流线电压的峰值振幅，UL在250 V 到700 V 之间。对于电源设备的选择，在所提解决方案中，SHx和SZx的电压应力为UH，而SLx1和SLx2的电压应力为UL和（UH-UL）。因此，当考虑SLx1的电压应力时，UL的最大值被视为最坏情况，而当考虑SLx2的电压应力时，UL的最小值被视为最坏情况。本文为每个拓扑选择了两组交换机，HGTG10N120BND 和HGTG20N60B3D 是来自Fairchild 的相同系列产品，而IHW30N120R和IHW30N65R5 是来自Infineon 的相同系列产品。前端DC-DC 变换器的功率容量应根据最坏的条件确定。此外，DC-DC 变换器的最坏情况还与DDP 变换器的整个功率容量用于有功功率输送的情况有关。对于实验样机的规格，UL=250 V 是最坏的情况，其中PLr=0.79。这表明，与传统方案相比，DC-DC变换器的功率容量可降低21%。

表1 实验装置参数Tab.1 Experimental setup parameters

3.2 效率比较

首先，用纯有功功率测试QMFI 的效率，然后在三种情况下进行测试，其中50%的容量用于有功功率传输，而另外50%的容量分别用于无功、负序和谐波补偿，测试结果如图7 所示。图7 中，S1表示使用Fairchild 功率器件，即HGTG10N120BND用作所提QMFI的中间开关，而HGTG20N60B3D 用作传统解决方案的中间开关。S2表示使用Infineon 电源设备，即IHW30N120R用作所提QMFI的中间开关，而HIHW30N65R5用作传统解决方案的中间开关。

图7 传输效率比较Fig.7 Transmission efficiency comparison

在整个输入电压范围内的纯有功功率传输的效率如图7a 所示。在较宽的电压范围（250～600 V）内，无论使用哪种类型的功率器件，与传统的两级方案相比，所提出的方案都能获得更高的效率。此外，文中还将本文方案解与文献[10]中提出的解进行了效率比较。文献[10]中，当PV电压超过交流线电压的峰值振幅时，使用二极管绕过DC-DC 级。从图7a 可以看出，当PV 电压超过AC 线电压的峰值振幅时，效率可以提高。然而，在较宽的电压范围内，当光伏电压低于交流线电压的峰值幅度时，效率仍然低于所提出的解决方案。此外，在文献[13]中，由于串联结构，流过DC-DC 转换器的有功功率等于输入功率，因此，DC-DC 转换器的额定功率将高于所提出的解决方案。

由电能质量控制的有功功率传输效率如图7b～图7d 所示。可以看出，所提QMFI 可以实现更高的效率。这是因为QMFI 的部分有功功率可以在一个功率转换级内转移，而非有功电流补偿对两阶段有功功率流的影响相对较小。因此，QMFI 既能实现电能质量控制，又能实现高效的有功功率传输。

4 结论

本文研究了一种新型的QMFI，通过对QMFI的建模，发现电压环的控制对象不同于传统的DC-AC 变换器，其参数需要根据功率传输比进行自适应调整。针对QMFI 的调制策略，在旋转坐标系下建立了单级有功电流与各电压矢量之间的数学模型，在此基础上选择电压矢量，使单级有功功率最大。此外，通过讨论非有功电流补偿对有功功率传输特性的影响因素，可以简单地分析非有功电流补偿对有功功率传输特性的影响。理论分析和实验结果表明，无功电流、负序电流和谐波电流对两阶段有功潮流的影响是有限的。与传统的两级方案相比，QMFI 可以保持提高电能质量的功能，提供更高效的有功功率传输性能。