中點箝位型三電平光伏并網逆變器控制

江宏玲， 周 成， 戴新榮， 謝 芳(. 安徽省淮委水利科學研究院， 合肥 0088； . 安徽國際商務職業學院 信息服務系， 合肥 ；. 安徽大學 工業節電與電能質量控制協同創新中心， 合肥 060)

0 引 言

隨著能源消耗的不斷加劇，太陽能受到關注，而PV逆變器作為太陽能發電系統的關鍵設備承擔著將PV電池輸出的直流電轉化為滿足并網標準的交流電的任務，并要求并網系統的功率因數近為1，太陽能轉換利用率高，安全可靠。因此，通過不斷改進控制算法和主電路的拓撲結構來提高光伏并網系統的整體性能，成為眾多專家的研究熱點。NPC三電平拓撲與傳統的兩電平拓撲相比[1-4]：功率單管承受母線電壓減小一半，系統開關損耗與電磁干擾、輸出電流與電壓的諧波含量、濾波器的體積和成本都得到有效降低。

本文分析和采用的兩級式NPC三電平光伏逆變器較單級式復雜，但其前級DC-DC環節的加入使PV輸入范圍大大加寬利于使用擾動觀察法實現MPPT跟蹤，后級分析和采用輸出電壓電流諧波低，電壓利用濾高且有效消除中點電位低頻振蕩的60°坐標系下SVPWM控制策略改善了并網電能質量，系統前后級可分開控制[5-8]。經仿真以及搭建兩級式NPC三電平硬件系統進行了驗證，所得結果證明了方案的有效性。

1 兩級式光伏發電系統結構

圖1顯示了兩級光伏系統的前級和后級控制。PV組件轉換的直流電送入并網逆變器系統，前級完成升壓和MPPT跟蹤，后級DC/AC(NPC三電平)將泵升后的直流電轉換成滿足并網要求的交流電，經濾波后并網。

圖1 兩級式光伏發電系統結構

2 基于擾動觀察法的MPPT跟蹤

外界環境對PV的轉換效率影響較大[9]。圖2所示為在一定光照和環境溫度25 ℃下光伏電池的輸出情況，圖中IL、ISC、Uoc、P、UL分別為PV電池的負載與短路電流、開路與輸出電壓以及功率。Uoc與光輻照度對數成正比列關系，但溫度升高會使其下降(2～3mV/ ℃)。由輸出非特性曲線可知，隨著光照強度的增加，ISC明顯變大，Uoc也略有增大，最大功率點位于曲線的最高點，其對應的電壓與電流為最佳工作點電壓和電流。

圖2 光伏電池IL-UL、P-UL的特性曲線

本文采用擾動觀察法[10-11]實現上述MPPT跟蹤，圖3所示為擾動觀察法控制流程圖。通過周期性地對參考工作電壓施加擾動量來改變輸出功率P的大小，使其無限逼近最大輸出功率并達到動態平衡，即ΔP/ΔU≈0的系統工作狀態。

圖3 擾動觀察法控制流程圖

3 基于60°坐標系的SVPWM算法

3.1 NPC三電平拓撲與SVPWM原理

中點箝位型(NPC)三電平并網逆變電路以中點N為零電位點，每項橋臂輸出UDC/2、0、-UDC/2 3種電平，記為1、0和-1，總輸出為33=27，其拓撲結構和開關矢量如圖4和圖5所示。

圖4 NPC三電平逆變電路拓撲

圖5表示不同的開關組合和空間電壓矢量之間的對應關系。有19種有效的開關狀態，以及相應的19個基本電壓矢量，可分為長、中、短矢量各6個和1個零矢量。SVPWM原理是將上述電壓矢量在一個開關周期T內進行組合，使其均值近似于給定值。該方法具有高電壓利用率和低諧波輸出的優點，但它在Uref的扇區判斷以及作用時間的計算時有大量的計算量，對CPU的負擔大。

圖5 三電平逆變器開關組合矢量圖

3.2 60°坐標系下SVPWM算法

基于60°坐標系的SVPWM優化算法[12-15]，電壓矢量所在大扇區位置僅需簡單的邏輯判斷。以圖5中扇區I和VI為例，兩相垂直靜止α/β坐標系與60°(g/h)坐標系之間的轉換如圖6扇區I所示。

圖6 坐標變換與矢量扇區判斷

根據

(1)

每個基本電壓矢量均轉化為二維整數形式，則Uref所在扇區如表1所示。

表1 Uref區判斷

在60°坐標系下，基本電壓矢量為整數，其取值范圍為(-2，-1,0,1,2)，參考電壓可由離其最近的4個基本整數矢量來合成，對g/h坐標系下任意的給定Uref，可以從上下平移獲得4個最接近的基本矢量，可得圖6中Uref對應的4個矢量為：

(2)

由Uref所確定的3個最近基本電壓矢量的作用時間可根據：

(3)

式中，U1、U2、U3為3個基本電壓矢量；T1、T2、T3為其對應的作用時間；Ts為PWM采樣周期。

當式(3)中U3=UUU或者U3=UDD時，在g/h坐標系下求解式(3)可分別得到：

(4)

(5)

為了優化開關順序，將每個扇區分為6個小區域，以第I、VI扇區為例，如圖7所示。以區域I-1、VI-1為例，矢量作用的PWM開關順序如圖7(b)所示。

(a) 扇區I與扇區VI區域劃分 區域Ⅰ-1 PWM開關順序圖 區域Ⅵ-1 PWM開關順序圖(b) 區域I-1與VI-1 PWM開關順序圖

4 仿真與實驗驗證

4.1 仿真結果與分析

完成兩極NPC三電平光伏逆變器控制，仿真框圖如圖8所示。其中，PV模型以某公司光伏電池為例，相關技術參數為峰值電壓17.6 V，峰值電流為3.65 A，開路電壓為22.6 V，短路電流為3.8 A，輸出最大功率約為60 W。仿真得到圖9(a)所示的在1.2 kW/m2光照度，環溫不同下電池的U-I、U-P特性曲線，圖9(b)所示為環溫均在25 ℃，光照度不同下電池的U-I、U-P特性曲線。

圖8 兩級式光伏并網仿真模型框圖

(a) 相同光照強度，不同溫度下，光伏電池的U-I、U-P特性曲線

MPPT仿真的采樣周期為0.000 01，步長為0.001。運行仿真后得到電池的輸出的電流Ipv、輸出的電壓Upv、輸出的功率Ppv和Boost電路的輸出的電壓Uo的波形，如圖10所示。

仿真設置的逆變器模型直流側電壓Udc=600 V，電容C1=C2=800 μF，PWM開關頻率為5 kHz，采樣時間設為0.5 μs，仿真時間設為0.04 s，仿真結果如圖11所示。

從圖9的仿真結果可以看出，仿真所得與廠家所給的參數基本吻合，PV輸出具有非線性。隨著PV的電壓及其電流的增加，輸出功率將逐漸增加到最大的功率點，然后降低到零。從圖10的MPPT波形能夠看出，前級電路對光伏輸出有電壓泵的作用，并且該模塊可以完成跟蹤最大功率點。從圖11仿真結果可以看出，NPC三電平并網逆變器系統輸出端線電壓為五電平階梯波，能很好地跟蹤電網電壓，且有較快的響應速度，該并網THD的輸出僅為2.57%，并網側輸出電流波形良好。

圖10 MPPT仿真波形

圖11 NPC三電平逆變器的仿真波形

4.2 實驗結果與分析

基于以上分析與仿真，設計了雙CPU控制的NPC三電平并網逆變器實驗平臺，系統框圖如圖12所示。DSP主要進行信號采樣、光伏陣列輸出功率計算,SVPWM算法實現等，FPGA主要調節PWM脈沖占空比調節Boost輸出電壓以及驅動波形輸出和故障處理等。系統設計輸出功率為10 kW，輸出線電壓為380 V，直流側電壓約為600 V，選用英飛凌公司的IGBT(型號FF100R12RT4)搭建逆變橋，額定工作電壓和電流分別為1.2 kV及100 A。

圖12 雙CPU系統控制結構框圖

圖13是平臺在并網的情況下輸出a相并網電壓及電流波形，從波形可知并網電流可保持與電網電壓同頻同相，并網電流經過LCL濾波器濾波后正弦波形良好，實測功率因數約為0.96，諧波含量為3.44%，滿足國家標準，實現了高性能并網功能。

圖13 a相電網電壓和并網電流

5 結 語

系統的仿真及實驗的結果表明該系統采用60°(g/h)坐標系下的SVPWM控制方案的有效性及可行性。該方案系統對電網電壓的跟蹤性能良好，且其動態響應快，并網輸出電流波形正弦度好，THD較低并實現了單位功率因數下運行，并網性能高。

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