T型三電平并網逆變器的控制方法研究

范譜林，張立炎

（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢430070）

0 引 言

太陽、風力發電等新能源系統需要并網逆變器作為與電網的接口，大功率無變壓器拓撲結構可以考慮多電平逆變器。與傳統的兩電平全橋電路相比，中性點鉗位（NPC）拓撲具有較低的電壓上升率，更低的開關損耗，從而提高逆變器的效率［1］。

本文首先針對T型三電平逆變器獨特的中性點鉗位方式，提出了將改進后的SPWM調制方式應用于三相T型并網逆變器中，設計了電流前饋解耦控制器以及功率閉環控制器，實現了并網時有功功率和無功功率的單獨控制。最后使用simulink仿真驗證控制方法，在有電網擾動的情況下具有一定的魯棒性。

1 T型三電平拓撲

1．1 拓撲介紹

T型三電平NPC拓撲也稱為Conergy三電平拓撲，在電容分壓得到的中性點與輸出點之間加入了雙向的功率開關，實現中性點的鉗位。這種拓撲單獨一只橋臂形似旋轉過的字母‘T’，因此稱為T型三電平。

T型三電平的工作原理［2］在于，通過雙向的功率器件將輸出點與中性點鉗位，這種雙向的功率器件可以使用反并聯或者反串聯的IGBT，或者單只逆阻型IGBT。

1．2 工作狀態分析

以單橋臂為例分析T型三電平逆變器的工作方式，定義從輸出點A流向電感的方向為正，根據相電流與相電壓的極性，電路分為4種工作狀態。

圖1所示的拓撲是三相T型三電平逆變器的A相橋臂，開關狀態如表1所示。在輸出等效正弦電壓的正半周期，Sa2保持導通，Sa4保持關斷，Sa1和Sa3導通信號保持互補；在輸出等效電壓的負半周期，Sa3保持導通，Sa1保持關斷，Sa2和Sa4導通信號保持互補。

圖1 單相Conergy Npc拓撲結構

1．3 三相拓撲

Conergy三電平拓撲增加了鉗位電路，可以使用雙向IGBT，兩只反向并聯的IGBT或者兩只反向串聯的IGBT，利用晶體管內部的體二極管實現電流的續流。如圖2所示，描述了三相三橋臂的T型三電平NPC逆變器拓撲，直流母線P和N分別接入直流電源的正負極，通過兩只相同容量的電容分壓，得到中性點，或者成為電壓的“中點”［3］。

表1 Conergy三電平NPC的半橋開關狀態

圖2 三相Conergy NPC并網拓撲

正弦波脈寬調制（SPWM）的調制波是正弦波，通過與三角載波比較輸出控制脈沖。為了將SPWM應用于三電平T型逆變器，需要在控制脈沖的產生上做一定的修改。在脈寬調制方式的基礎上，可以使用雙極性三角載波與正弦波比較得到脈沖序列［4］。

2 數學模型

在三相靜止對稱坐標系中建立逆變器的一般數學模型，通過坐標變換將三相靜止的abc坐標系轉換成以電網基波頻率同步旋轉的dq坐標系，交流量可以轉化為直流量，便于控制系統的設計［5］。

假設電網是三相平衡的，逆變器通過濾波電感L以及電阻R與電網相連，dq坐標系下的數學模型如下：

其中ed、eq是電網電動勢E的分量，ud、uq是逆變器交流側SPWM調制波電壓的d、q分量，id、iq是電網流向逆變器的電流矢量I的d、q軸分量。

3 使用前饋解耦控制的電流閉環

并網逆變器的功率控制是以瞬時功率理論為基礎的，這種功率控制通常以網側電壓為基礎，基于dq坐標系，是與電壓向量旋轉角速度ω相同的兩相旋轉坐標系［6］。使用前饋解耦控制策略，可以實現電流dq分量的解耦，電流調節器使用比例積分控制器，控制方程如下：

其中kiP、kiI分別是電流內環的比例增益和積分增益。iq，ref、id，ref分別是d軸和q軸的電流指令。將所設計的電流調節器代入坐標系模型中得到：

以上結果表明，使用前饋控制方法后，電流d軸分量的表達式不再含有q軸分量，兩者實現了解耦，從而可以實現電流內環dq軸分量的單獨控制，如圖3。

圖3 dq坐標系下的電流閉環解耦控制

在dq坐標下進行的電流閉環控制是功率控制的最直接形式，將該方法進行改進，引入功率閉環，將有功功率和無功功率參考值指令轉化為dq坐標下電流的指令，形成功率閉環控制。圖中的PQ計算模塊如公式（4）所示。

在此基礎上，可以改變控制環節進行功率的閉環控制。

如圖4所示，有功功率和無功功率經過計算輸入控制器，與設定值作比較后經過PI控制器輸出dq坐標下電流的參考值。功率閉環控制器的優點在于，可以在電網側電壓發生擾動的時候提供良好的動態性能，實現功率的精確輸出。

4 仿真結果

圖4 PQ閉環參考電流控制器

為了驗證所設計的并網控制方法的有效性，在simulink環境中搭建了conergy NPC三電平逆變器的仿真電路，系統參數如表2所示。

表2 仿真參數

實驗1：單位功率因數并網電壓和電流的波形。從圖5中可以得出，經過濾波電容之前逆變器的線間電壓有±800 V和±400 V和0，線電壓Ua－b體現出其三電平的特性。輸出電流為正弦波，并且與線對地電壓相位相同，功率因數保持在1。

圖5 單位功率因數并網的電壓電流波形

實驗2：電網電壓三相平衡，幅值、頻率和相角不改變。0．22 s給出改變輸出無功和有功調整的指令，有功指令從0．8 p．u．跳變到0．5 p．u．，無功功率指令從0跳變到0．62 p．u．，功率因數從1變到0．627。

圖6是電網電壓和逆變器輸出實際電流的波形。圖7是dq坐標系下電流的改變。從圖中可以看出，發出指令之后輸出電流迅速地跟隨指令值改變，電流波形保持正弦波。

圖6 功率變化時電網電壓和輸出電流的波形

圖7 dq坐標系下的電流波形

5 結 論

本文提出了改進型SPWM在T型三電平并網逆變器中的應用，結合電流閉環解耦控制器實現了功率解耦控制。

使用前饋控制的策略，基于坐標系的變換，可以實現電流分量的解耦，從而可以單獨控制電流分量，達到有功功率和無功功率精確控制的目的。同時，可以在電網側電壓發生擾動時提供良好的動態性能，在實際應用中具有一定的魯棒性。

［1］ 李 寧，王 躍，雷萬鈞，等．NPC三電平變換器中點電壓控制方法綜述［J］．電力電子技術，2011，45（10）：78－80．

［2］ 童鳴庭．三相T型三電平非隔離并網逆變器的研究［D］．合肥：合肥工業大學，2013．

［3］ 肖華鋒，楊 晨，謝少軍．NPC三電平并網逆變器共模電流抑制技術研究［J］．中國電機工程學報，2010，（33）：23－29．

［4］ 王 勇，高 寧，羅悅華，等．三相三電平并網逆變器無死區SPWM控制研究［J］．中國電機工程學報，2011，31（21）：70－75．

［5］ 李玉軍．三電平逆變器控制方法及其在矢量控制中的應用研究［D］．重慶：重慶大學，2008．

［6］ 黃守道，陳繼華，張鐵軍．電壓型PWM整流器負載電流前饋控制策略研究［J］．電力電子技術，2005，39（4）：53－55．