三电平TNPC逆变器控制策略仿真研究

范立荣，卢志文

(广东交通职业技术学院 汽车与工程机械学院， 广州 510650)

0 引 言

当前能源和环境问题日益严重，世界各国都在寻找新能源替代本国传统能源，我国也在积极寻求及开发新能源，包括太阳能、风能、生物能等清洁可再生能源。随着新能源产业的不断升级，相应的电气控制装置也需要改善及提升。变流器作为能源转换的核心，决定了输入电流谐波、输出电能质量和效率。传统两电平由于输出电压利用率较低、波形质量较差，其应用具有一定的限制性[1]。三电平NPC逆变器具有如下优点[2-3]：电压电流谐波含量低，滤波电感小。而在三电平NPC中T型NPC(以下简称TNPC)拓扑效率最高。

三电平技术自问世以来得到了较大的发展，目前三电平NPC电路已进入实用化阶段。但逆变器的直接并联必然会导致并联模块间的环流问题[4-5]。为使得并联智能变流器系统运行平稳，需确保中点电位平衡[6]，其电位的波动会将低次谐波引入到输出电压中，影响波形质量[7]。文献[8-9]提出了加入硬件电路的方法，虽然能够解决环流问题，但是不适合多台逆变器并联的场合，降低了系统的灵活性，增加了系统的成本。

本文针对单台智能变流器产生中点不平衡及负载突变造成的过流及网测THD过大等问题，提出一种新的控制算法，并运用MATLAB/Simulink对控制模块进行了系统化仿真，仿真实验结果表明了该控制算法的可用性及扩展性。

1 TNPC三电平单台变流器控制算法

1.1 单台TNPC变流器运行控制策略

采用基于下垂控制的“功率-电压-电流”三环控制方法，实现TNPC三电平智能变流器的控制，可实现并网控制。系统整体控制框图如图1所示。

图1 三相单台TNPC变流器运行控制框图及调制策略

图1中，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，滤波电感L=0.8 mH，滤波电容C1=16.6 μF、C2=0.47 μF，R=47 kΩ。i为电感侧电流，u为采样的电容C1电压；通过DSP-AD采样获取并计算得到中点电位差ΔU，Vd、Vq分别为经调制得到的直流d、q变换后的电压；中点电压采用差值-环流控制策略经权重分配后进入PI调节器进行调节；环流通过PIR控制。根据P-f得到的基准电压信号，利用电网三相电压矢量UA、UB、UC及电流矢量iA、iB、iC进行Clarke、Park变换后旋转直角坐标系下的电压电流ud、uq、id、iq，进行电压电流双闭环调节控制，得到Vd、Vq，进而通过Park、Clarke逆变换后与中点电压采用差值-环流控制策略经权重分配后进入PI调节器进行矢量合成，再通过PD控制得到PWM中心驱动IGBT。

1.2 单台TNPC智能变流器运行工作原理

单台TNPC智能变流器不存在环流的影响，单台变流器只需对中点电压平衡进行控制。具体控制框图如图2所示。

图2 单台TNPC智能变流器中点电压平衡控制

图2为单台TNPC智能变流器的中点平衡控制策略，将中点电压乘上系数k1，之后通过比例调节得到新的电压分量并与经电压电流双闭环进行矢量相加，进行PD调制，从而产生PWM信号控制开关器件。

2 TNPC三电平逆变器控制算法

2.1 改进型P-f控制原理

三电平TNPC智能变流器采用P-f、Q-V下垂控制方式，其下垂曲线如图3所示。

图3 P-f下垂控制原理

图3中，f*代表TNPC智能变流器空载时交流侧电压频率，设定为50 Hz，P代表TNPC智能变流有功功率，m代表曲线的斜度。具体表达式如下：

f=f*-mP

(1)

(2)

式中：Δf代表实际变流器允许的频率偏差范围，仿真中取0.4%；Pmax为实际TNPC变流器的最大有功功率。在忽略交流侧电阻损耗以及开关损耗下有如下的交、直流平衡式：

Pac=Pdc

(3)

同理，Q-V下垂控制的原理同P-f下垂控制类似，其下垂曲线如图4所示。

图4 Q-V下垂控制原理

图4中，V*代表TNPC智能变流器空载时交流侧电压，设定为311 V，Q代表TNPC智能变流器实际无功功率，n代表曲线的下垂系数。具体的下垂控制表达式如下：

V=V*-nQ

(4)

(5)

式中：ΔV代表实际变流器允许的电压率偏差范围，仿真中取5%；Qmax为实际TNPC变流器的最大无功功率。

图5为下垂控制的具体调节框图。首先将采样的网侧电压和电流经过3/2变换后得到d、q轴分量，然后计算出系统的有功和无功功率，运用下垂公式得到交流侧电压的频率和幅值，最后经过积分得到后续所需要的锁相环角度θ以及三相交流电压UA、UB、UC。

图5 下垂控制具体调节框图

2.2 TNPC中点平衡控制

中点平衡控制框图如图6所示，具体方法：将Vd、Vq经过Park、Clarke变换后得到的Ua_1、Ub_1、Uc_1与DSP采样得到的ΔU经离散化及母线电压Udc以及环流Δi进行相应比例及矢量叠加后，进行空间矢量调制最终输出PWM波。

图6 中点平衡控制模块

2.3 电压电流双闭环调节

在TNPC智能变流器控制系统中，电压外环、电流内环控制输出相应的有功和无功功率，电压外环主要用于功率的调节，电流内环主要用于提高变流器输出动态响应和电能质量控制。

在三相坐标系中，TNPC变流器其d、q模型可以描述：

(6)

式中：ud、uq为滤波电容C2处电压矢量udq的d、q分量；vd，vq为变流器输入电压矢量vdq的d、q分量；id，iq为变流器输入电流矢量idq的d、q分量；p为微分算子。

(7)

电压电流双闭环d、q轴控制框图如图7和图8所示。

图7 电压电流双闭环d轴PI调节示意图

图8 电压电流双闭环q轴PI调节示意图

通过对d、q轴电压Vd、Vq及电流Id、Iq进行双闭环控制，从而实现交流电频率与电网频率保持相同的正弦波。

3 TNPC三电平智能变流器仿真建模

为了验证在离网工况下基于旋转坐标系的“功率-电压-电流”三环控制的三相TNPC变流器可行性，搭建模型主要包括单台TNPC变流器在额定负载下的运行情况，并加入负载突变工况。图9为单台TNPC智能变流器模型的整体控制框图。

图9 单台TNPC智能变流器仿真整体模型

图9中，从左到右分别为直流侧电压模块、滤波电路模块、V-I为测量网侧电流；下边模块为封装模块，内部为下垂控制模块、锁相环模块、abc-dq0模块、电压电流双闭环模块以及PD调制模块。下面介绍各个核心控制模块。

3.1 滤波电路

滤波电路如图10所示。C1=16.6 μF、C2=0.47 μF，L为滤波电感，取值0.8 mH，R为47 kΩ。滤波模块能防止输入输出之间相互干扰。

图10 滤波电路模块

3.2 TNPC拓扑模块

图11为TNPC拓扑模块。IGBT均带反并联续流二极管，直流侧接两串三并电容并采集中点电压的压差，电容侧串联电阻为1 mΩ。

图11 TNPC拓扑模块

3.3 下垂控制模块

图12为TNPC智能变流器的下垂模块。根据实际系统的有功功率，控制直流侧电压作为电压环的输入，系统的有功功率通过采集网侧电压和电流，经过3/2变换后计算得到。m为下垂曲线的系数，665为直流侧空载时的电压。

图12 下垂控制模块

3.4 电压电流双闭环模块

图13为电压、电流双闭环经过解耦后的d、q轴的控制模块。下垂控制模块的输出作为电压外环的输入，电压外环主要用来控制直流侧电压，电流内环主要用于提高变流器输出动态响应和电能质量控制。

图13 电压电流双闭环d、q轴模块

3.5 中点平衡控制模块

中点平衡控制模块如图14所示。

图14 中点平衡控制模块

4 结果与分析

综合上述分析，单台TNPC逆变器仿真参数如表1所示。

表1 单台TNPC逆变器仿真参数

4.1 稳定运行仿真结果分析

给定额定功率为12.5 kW，直流侧母线电压如图15所示。

图15 直流侧母线电压

从图15的波形可以看到，当负载侧为额定负载时，依据下垂公式计算出的电压为650 V，仿真结果与理论相符合，且其达到稳态响应的时间迅速。

为了验证中点电压平衡控制策略的正确性，分别对不带中点电压平衡和带中点电压平衡的控制策略做仿真，如图16所示。

图16 加中点控制策略与不加中点控制策略波形图

对比图16(a)、图16(b)可知，中点电压平衡控制策略是有效的，较好地抑制了中点电压的波动。

分析电网侧的电流波形，对网侧电流的FFT分析，如图17所示。

图17 网测电流及FFT波形

从图17(a)、图17(b)可知，电流THD为2.42%，且其电流基波幅值的最大值为26.93 A,满足要求。

4.2 负载突变仿真结果分析

负载从100%额定负载突减到30%负载，得到的仿真结果如图18所示。

图18 负载突变直流侧输出电压波形图

从图18可知，额定负载突减到30%负载时，依据下垂控制原理，直流侧母线电压会升高，符合理论依据，且其响应时间迅速。

当负载突变时，中点电压的变化情况如图19所示。由图19可知，中点电压得到了较好的控制，符合预期要求。

图19 负载突变中点电压波形图

当负载突变时，网侧电流波形的变化情况及其FFT分析如图20所示。

图20 网测电流及FFT波形

从图20可以看出，负载突变时其电流THD为8.61%，设置网测电流起始时间从稳定的0.3 s开始，且分析7个周期，即分析至0.3+(1/50)×7=0.44 s为止，设置基波频率50 Hz，最大频率为开关频率18 kHz的2倍，即36 kHz。从FFT图中可以看出，谐波主要集中在300～400次之间，而300～400次谐波对应频率主要集中在15 kHz～20 kHz，而开关频率18 kHz，下一次在700～800次(对应频率为35 kHz～40 kHz)，即集中在开关频率18 kHz的2倍附近，因此其谐波主要分布在开关频率倍次附近，在设计三电平逆变器时需要综合考虑硬件电路滤波参数的设置以及软件开关频率等这些因素，使其THD满足设计要求。

5 结 语

本文对单台TNPC智能变流器进行仿真实验，验证了TNPC智能变流器采用P-f、Q-V控制、锁相环控制模块、abc-dq0电压电流双环控制及功率环平衡控制等。在负载突变时，采用下垂控制、电压电流双闭环控制等策略，使直流侧电压在一定的范围内升高且最终达到稳定，其中在负载突变时直流侧电压的超调为9.23%；其它功能比如中点平衡控制等均得到验证，充分证明了本文的三电平逆变器控制算法的可应用性。且此控制算法可扩展至n台三电平变流器，通用性强，可靠性高，在光伏并网有着广阔的市场应用前景。