風光互補發電系統中三電平逆變器的設計

范士民，范紅剛

（兗州市華勤集團倍耐力輪胎工程部，山東 兗州272100）

風光互補發電系統由太陽能光電板、小型風力發電機組、系統控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成。由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發電系統在資源上彌補了風電和光電獨立系統在資源上的缺陷。同時，風電和光電系統在蓄電池組和逆變環節是可以通用的，所以風光互補發電系統的造價可以降低，系統成本趨于合理。

1 風光互補發電系統概述

風光互補發電系統的構成如圖1所示，其是由太陽能光伏陣列、風力發電機組、整流器、風光互補控制器、蓄電池組以及逆變器等幾部分組成。其工作原理是：太陽能光伏陣列由若干太陽能電池板串并聯而成，它們將接收的太陽輻射能量直接轉換成電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電，在日照不足時，儲存在蓄電池中的能量經過逆變，然后再經過濾波和變壓器升壓后變成交流的正弦電壓供給交流負載使用；而風力發電機是將風能轉換為電能，之后經過整流器整流后對蓄電池組進行充電，然后通過逆變器為負荷提供電能，風力發電系統的優點為日發電量比較大，系統的造價及其運行維護成本比較低，但常規水平軸的風力發電機對風速的要求比較苛刻；當日照充足或風力非常大而導致產生的電能過剩時，蓄電池可將多余的電能儲存起來；當系統的發電量不足或負荷的用電量增加時，則由蓄電池向負荷補充電能，并將保持供電電壓的穩定。逆變器在風光互補發電系統中作用非常重要，本文主要針對三電平逆變器進行研究。

圖1 風光互補發電結構圖

2 三電平逆變器的設計

三電平逆變器與兩電平逆變器比較，開關器件承受的應力減小一半，橋臂中點相對于電容中點有三種電平狀態，多了個零點平狀態，這樣在相同的開關頻率下輸出波形更接近正弦波，失真明顯減小，特別是在大功率場合由于效率和器件限制，開關頻率不可能做的很高，這樣三電平的優勢更加顯著。但是，三電平相對于兩點平要復雜很多，尤其是存在中點電位平衡的問題，如果中點電位出現偏移可能導致炸機，逆變器的研究首先從其數學模型開始分析。

2.1 三電平逆變器數學模型

從圖2中可以看到，每相橋臂上有4個IGBT及其4個反并聯的反向恢復快速二極管、2個箝位二極管。在A相中設從上到下的4個IGBT分別是Va1~Va4。當Va1、Va2導通且Va3、Va4關斷時，交流側對應的電壓為+Udc/2；當Va2、Va3導通且Va1、Va4關斷時，交流側對應的電壓為0；當Va3、Va4導通且Va1、Va2關斷時，交流側對應的電壓為-Udc/2。由此可知，三點平有27種狀態。

圖2 三相三電平逆變器拓撲結構圖

為了研究方便定義開關函數如下：

例如：x=a，當Sa=1時，Va1、Va2導通，Va3、Va4關斷；當Sa=0時，Va2、Va3導通，Va1、Va4關斷；當Sa=-1時，Va1、Va2關斷，Va3、Va4導通。將Sa進一步分解如（2）式所示。

同理Sb，Sc也做如上分解。因此，圖2可以進一步簡化為圖3所示。

圖3 三電平逆變器拓撲結構簡化模型

圖中假設半導體器件是理想開關，由基爾霍夫電壓、電流定理，可列出等式：

令Uao=Uan-Uon，Ubo=Ubn-Uon，Uco=Ucn-Uon把式（3）變化成式（4）：

對式（4）進行整理得到式（5），式（5）就是在ABC坐標系下的三電平逆變器數學模型，將模型經過ABC→αβ變換，結果如下式（6）所示。

式（6）經過αβ→dq變換，結果如下式（7）所示。

經過坐標變換后，講ABC坐標系下的模型轉變成了旋轉坐標系DQ下的數學模型，旋轉坐標系下的電壓和電流都是直流量方便控制器的設計。

2.2 控制器的參數設計

根據數學模型可知控制對象dq軸之間存在相互耦合，因此必須進行解耦。對解耦后的控制對象采用PI控制器，控制器由內外兩個閉環構成，即內環電流環和外環電壓環。電壓環的輸出作為電流環的給定，經過坐標變換后，講ABC坐標系下的模型轉變成了旋轉坐標系DQ下的數學模型，旋轉坐標系下的電壓和電流都是直流量方便控制器的設計。

2.3 控制器的參數設計

根據數學模型可知控制對象dq軸之間存在相互耦合，因此必須進行解耦。對解耦后的控制對象采用PI控制器，控制器由內外兩個閉環構成，即內環電流環和外環電壓環。電壓環的輸出作為電流環的給定，詳細控制框圖如圖4和圖5所示。圖4中Gi_Ctrl是PI控制器，Kpwm是開關增益，Udc是母線電壓，Gi_Obj是控制對象，Ki_fb是反饋系數。

圖4 電流內環控制器

圖5 電壓外環控制器

式中，

L是電感；

R是電感內阻；

T是采樣周期。

在圖5中Gv_Ctrl是電壓環PI控制器，Gi_close是電流閉環，1/CS是電壓環控制對象，Kv_fb是電壓反饋系數，可以看出電流環作為電壓換的一部份環節。

3 結束語

本文設計了一個輸入直流電壓700 V，輸出電壓為220 V，輸出功率為12 kW的逆變器，開關頻率為10 K，電感為L=1 mH，電容為C=20 uF，仿真波形如圖6和7所示，由圖可以看出，輸出電壓輸出電流和電感電流都是正弦波，電感電流波形帶有開關紋波，仿真試驗效果好，三電平逆變器具有實際應用價值。?

圖6 輸出線電壓Uab Ubc Uca波形

圖7 負載電壓電流和電感電流波形