基于虛擬磁鏈定向控制的改進型三電平NPC光伏并網逆變器研究

張興輝 ，杜茗茗，趙宇琪 ，楊 凱 ，韓帥達

（1.國家電網公司，北京 100031；2.國網重慶市電力公司，重慶 400015；3.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學），重慶 400044）

0 引言

近年來，光伏發電技術逐漸成熟，應用日益廣泛，光伏發電規模正逐步擴大。目前，我國光伏裝機總量已達20 GW，居世界之首［1］。隨著裝機容量的逐漸提高，光伏發電的電能質量受到國內外廣大科研技術人員的關注。光伏并網逆變器是光伏并網系統中最關鍵的組成部分，直接決定了并網電能質量的好壞［2］。

對于光伏并網逆變來說，目前對它的研究主要集中在逆變器拓撲及其相配套的控制系統。隨著光伏發電容量的不斷提高，傳統的兩電平逆變器已不能滿足需要。文獻［3-4］提出了基于電網電壓定向控制策略的三電平光伏逆變器，雖然可以實現基本的并網要求，但該控制策略中的鎖相技術對電網中諧波的靈敏度較大；文獻［5］采用在調制波中加入零序分量的方法來克服NPC電路中性點電位漂移的問題，有一定效果，但使得計算難度增大。文獻［6］利用SVPWM技術的方法來克服中性點電位漂移的問題，有效提高了直流電壓利用率，也解決中性點電壓漂移的問題，但調制過程計算復雜，工程上并不適合使用。

提出一種改進型的三電平NPC拓撲，并結合無網側電壓傳感器的虛擬磁鏈定向控制策略（VFOC）來實現一種新型光伏逆變器，通過在MATLAB／Simulink環境下搭建仿真平臺的方法來驗證該系統的科學性和有效性。

1 一種改進型的三電平NPC拓撲

三電平NPC（3L-NPC）變換器在過去20年中已經被廣泛應用，相對于傳統的兩電平橋式變換器，三電平NPC變換器更適用于中、高功率的場合。由于電平數量增加，在相同開關頻率下，三電平NPC逆變器輸出波形的諧波含量更小，電能質量相比于兩電平逆變器大幅提升［7］。若對波形畸變率要求一定，則可降低開關頻率，減少開關損耗，提高變換器效率。三電平NPC變換器分為二極管箝位型和電容飛跨型，本文將詳細研究二極管箝位型NPC，并對傳統NPC電路存在的缺點進行研究，提出改進方法。如圖1所示，框線外部的電路即傳統的三電平NPC變換器。

圖1 改進型三點平NPC拓撲

每個橋臂由4只開關管構成，中間2只開關管由2只二極管跨接，構成NPC內部路徑。當S1、S2開通（S3、S4關斷）時，A 相橋臂開關函數 Sa＝1；S2、S3開通（S1、S4關斷）時，NPC 內部路徑導通，將橋臂輸出箝位到中性點電位，Sa＝0；S3、S4開通 （S1、S2關斷），Sa＝-1。三電平NPC拓撲的開關狀態特性如表1所示。

由表1可知，傳統的三電平NPC拓撲具有兩點不足。第一，位于NPC內部路徑的兩只開關管（S2，S3）的導通時間長于外部路徑的兩只開關管（S1，S4）。由此會導致開關損耗不均勻，影響設備的整體壽命，對該問題的解決可以采用有源NPC拓撲（ANPC），將傳統NPC中NPC內部路徑的2只二極管替換為功率可雙向流動的IGBT，增加“0”狀態時導通路徑數量的冗余度，有效解決損耗不均的問題，對此不做詳細討論。第二，在變換器傳輸有功功率的時候，由于存在中性點不平衡電流的流動，會導致直流側上下電容存在電壓差，因此，提出在傳統三電平前加一級輔助電路來使得直流側中性點電位穩定。

表1 三電平NPC變換器開關表

如圖1框線內部的電路所示。該輔助電路相當于兩個倒置的Buck電路組合而成。具體工作原理是，若中性點電位偏低，即VCu-VCd＞0時，這時 Sd關閉，Su由PWM信號控制導通。當Su開通時，直流側電源通過L向Cd充電，使其電壓上升，當Su關斷時，電感上的電流通過Sd的反并聯二極管續流。同理，若中性點電位偏高，即 VCu-VCd＜0 時，則關閉 Su，Sd由PWM信號控制，使其中性點電位降低。該方法的關鍵是對電感L的選擇和對PWM控制信號周期的選擇。為了使得中性點電位平衡，就必須使得輔助電路向中性點注入的電荷與逆變器從中性點抽出的電荷相等，如圖2所示。

圖2 中性點電荷流動示意

要使得輔助電路在主電路一個開關周期內完成對中性點電位的平衡，則輔助電路的開關周期就必須小于主電路的開關周期，通常選擇主電路開關周期為輔助電路的n倍 （n取整數），這時可以認為在輔助電路的一個開關周期內的主電路電流平均值I不變，則在主電路的一個開關周期（Ts）內，主電路向直流側母線獲取的最大電荷為

同理，當Su關閉的時候，通過電感向逆變器中性點注入的電荷為

因此，主電路向直流母線獲取的最大電荷和輔助電路利用電源經電感L向中性點注入最大電荷的平衡方程為

則輔助電路電感為

式中：Ta為輔助電路的開關周期，通常取為主電路開關周期的0.125倍；D為占空比，取0.5。穩定狀態下，VCu=VCd。由以上方法可知，通過在傳統三電平拓撲前端加入一級輔助電路，最多經過n個輔助電路開關周期即可對逆變器中性點電位進行補償，從而防止逆變器中性點電位漂移，進而提高并網電能質量。

2 虛擬磁鏈定向控制策略

基于虛擬磁鏈定向控制策略是在基于電網電壓定向控制策略上發展而來［8］。為了克服電網電壓諧波對觀測其相角帶來的誤差，考慮觀測其磁鏈相角來代替電網電壓相角。從式（6）可知磁鏈相角滯后電網電壓相角90°，由于積分器的低通特性，可以更好地克服由于電網諧波對相角觀測所帶來的影響。

逆變器并網如圖3所示。

圖3 逆變器并網示意圖

逆變器出口電壓與電網電壓磁鏈的關系為

忽略小電阻R的影響，將上式進行坐標變換，轉換到兩項靜止坐標系下為

式中：uα和uβ分別為逆變器出口相電壓在兩相靜止坐標系中的分量。由三點平NPC拓撲的特性與Clark變換原則可知，開關函數與逆變器出口相電壓關系為

將式（8）與式（9）聯立，即可得出開關函數與電網電壓磁鏈的關系，由此可建立磁鏈觀測器的數學模型。要注意的是，在實際情況中并不是用純積分器去得到磁鏈，因為純積分器存在“零漂”現象［9］，為了徹底消除直流分量，通常用一階低通濾波器和一階高通濾波器組成的帶通濾波器來代替純積分器，如圖4所示的抗積分漂移磁鏈觀測器，其帶通濾波器（BPF）的傳遞函數為

圖4 三電平磁鏈觀測器模型

圖中a=0.3，b=0.98。由以上推導可估算到電網電壓在兩項旋轉坐標系下的磁鏈分量，再由式（11）可得出虛擬磁鏈的位置角。

從以上推導可以看出，在磁鏈估算的過程中并沒有使用網側電壓傳感器，因此，該控制策略相比于傳統電網電壓定向控制來說，可以減少一個網側電壓傳感器的成本，并且相對于傳統的PLL鎖相技術，磁鏈觀測技術可以克服因電網電壓諧波所引起的相角觀測不準確的問題。因此基于經典的三相雙閉環控制結構加入磁鏈觀測裝置搭建基于虛擬磁鏈定向控制策略的模型，模型框圖如圖5所示。

圖5 基于虛擬磁鏈定向控制策略

首先采集逆變器直流側電壓和并網電流送入磁鏈觀測模型，由該模型估算出電網電壓磁鏈相角。將并網電流由三相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系后，送入電流內環進行調節。需要注意的是，由于磁鏈滯后于電壓90°，所以在單位功率因素輸出模式下，d軸分量為無功分量，應置0。電壓外環的作用控制輸出前級電路給出的功率，從而穩定直流母線上的電壓，將電壓參考值與實際值的差值送入PI調節器得到q軸電流的參考值，然后送入電流內環進行調節，電流調節器輸出id，iq的參考值，將此直流分量反變換到原三相靜止坐標系下，得到調制參考信號。在工程上，多電平變換器開關信號調制技術一般應用載波組調制獲得，本系統中，采用基于垂直移相載波調制技術進行調制后得到開關信號，同時將此開關信號送入磁鏈觀測模塊用于估算磁鏈。

3 系統仿真

根據前節所述光伏逆變器拓撲及其控制方法，在MATLAB／Simulink仿真環境下搭建仿真平臺。如圖6所示，該光伏發電系統是一個典型的二級式并網系統，其前級Boost電路采用電導增量法控制實現最大功率跟蹤，后級逆變器實現逆變并穩定直流母線電壓。整套系統采用并網模式，工作在單位功率因數輸出模式下，在光照強度為參考值1 000 W·m-2時，向外輸出最大功率為100 kW。直流母線電壓參考值設為750 V。控制系統采用基于虛擬磁鏈定向控制策略，調制方式為垂直移相雙載波調制。本地負載為一個30 kW的純電阻負載，仿真模擬并入當地380 V低壓配電網。為更好地模擬系統暫態性能，當仿真進行到0.6 s時，調節光照強度下降到600 W·m-2。

圖6 100 kW光伏仿真平臺

仿真波形如圖7所示。由圖7（a）中可知，在單位功率因數輸出模式下，電網電壓和并網電流同頻同相，這時輸出功率的大小由并網電流幅值決定。在光照減弱時，可明顯看到并網電流幅值減小，這時并網功率隨之減小，但由于控制器的作用，其頻率和相位在一個周期內便恢復到與電網電壓同步。圖7（b）顯示了逆變器直流側電壓，在光照強度減弱時，由于控制器調節時間影響，導致其電壓跌落，但隨著對外輸出功率不斷降低，直流母線電壓逐漸恢復到設定的參考值。圖7（c）所示的是逆變器出口線電壓波形。

圖7 逆變器波形

如圖8所示，由于加設了前級輔助電路，中性點電壓基本穩定在Vdc／2，通過觀察可知，逆變器中性點電壓總是存在±1 V的波動。這是由于在輔助電路控制模塊中，為了防止輔助電路開關頻率過高造成開關損耗過大的問題，對中性點電位的波動設定了一定范圍的允許值。

圖8 NPC拓撲中性點電壓

圖9為改進型光伏逆變器并網電流各次諧波含量，可見主要是存在較少的3次諧波和4次諧波，但總諧波畸變率為1.15%，完全滿足國家標準［10］對光伏發電裝置并網電流總諧波畸變率不高于5%的要求。

圖9 并網電流諧波分布

4 結語

通過仿真驗證可以得知，在傳統三電平NPC拓撲前級增加輔助控制電路可有效地控制中性點電壓平衡，使得逆變器輸出電能質量得到大大改善。基于虛擬磁鏈定向的逆變器控制策略，通過利用估算電網電壓磁鏈去代替對電網電壓采樣的方法省去了電網側電壓傳感器，從而有效地降低了設備成本。綜上所述，結合以上兩種方法對現有光伏并網逆變器系統進行改進是中低壓光伏逆變并網工程上比較可行的方案。