三電平離網(wǎng)式光伏功率變換系統(tǒng)的研究與設計

董 恒，馬 標，何 西，，王 輝

（1.湖南工學院 電氣與信息工程學院，湖南 衡陽 421002；2.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

0 引 言

隨著光伏發(fā)電裝置的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的兩電平功率變換拓撲無法滿足高壓大功率的場合[1]。兩電平直-交功率變換器有以下兩個缺點，一是其輸出相電壓僅有兩種狀態(tài)，輸出電壓諧波含量高，二是開關管在其關斷過程中兩端的電壓比較大，并且功率器件損耗較大，影響功率變換裝置的效率[2]。空間矢量調(diào)制對直流電壓利用率高，有利于數(shù)字控制實現(xiàn)，輸出更加逼近正弦波[3]。通過對空間向量的優(yōu)化組合，大大降低開關器件的損耗[4,5]。

這里提出一種二極管箝位式三電平電路，采用基于DQ解耦雙閉環(huán)比例積分控制器的三電平SVPWM控制方案，實現(xiàn)功率變換器的無靜差調(diào)節(jié)，解決傳統(tǒng)功率變換器因為輸入直流電壓波動與橋臂控制死區(qū)及帶非線性負載造成的輸出電壓波形異化和輸出用電質(zhì)量減弱等困難，使得裝置具有輸出諧波小、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應快以及整機效率高的特點[6,7]。最后通過仿真與實驗，驗證了該方案的有效性。

1 系統(tǒng)電路原理分析

1.1 電路結(jié)構(gòu)

二極管箝位式三電平直-交功率變換器主電路如圖1所示。

圖1 二極管箝位式三電平直-交功率變換器主電路

采用二極管箝位式直-交功率變換電路，以A相為例分析二極管箝位式三電平直-交功率變換電路。Sa1～Sa4為A相的4只IGBT管，通過改變IGBT的開關狀態(tài)，使其輸出電壓發(fā)生改變。其中，每只IGBT都有開通和關斷兩種狀態(tài)，那么每一相4只IGBT則存在16種狀態(tài)[8]。排除直通短路和無效狀態(tài)，最后有效的僅有3種。具體分析如下。

一是IGBT管Sa1和Sa2導通，Sa3和Sa4關斷。電流從Udc的正極流向負載，輸出的正電壓為Udc/2，或電流沿著輸出負載方向流進Udc的正極，續(xù)流二極管Da1和Da2導通，輸出的正電壓為Udc/2。二是IGBT管Sa2和Sa3導通，Sa1和Sa4關斷，電流從直流側(cè)中點通過箝位二極管D1和IGBT管Sa2到達輸出端A，輸出零電壓，或電流從負載進IGBT管Sa3和二極管D2后到達直流側(cè)中點，輸出零電壓。三是IGBT管Sa3和Sa4導通，Sa1和Sa2關斷，電流從電源Udc的負極流向負載，續(xù)流二極管Da3和Da4導通，輸出負電壓-Udc/2，或電流從負載流進Udc的負極，輸出負電壓-Udc/2（以上分析均不考慮器件正向?qū)▔航担?/p>

2 三電平直-交功率變換器控制系統(tǒng)設計

2.1 三電平SVPWM原理分析

用三相開關電壓變量Sa、Sb以及Sc來分別可以表示三相橋臂每個輸出供電電壓狀態(tài)，可以表示為：

結(jié)合上述分析，從而可以將空間電壓矢量定義為：

將三電平直-交功率變換器開關狀態(tài)組合表示為空間電壓矢量，同時部分開關狀態(tài)的電壓矢量相同，在復平面的27組三相開關狀態(tài)實際上是相當于19個基本空間矢量，構(gòu)成三電平直-交功率變換裝置的空間矢量狀態(tài)[9]。

2.2 電流環(huán)設計

通過坐標變換的方式，可以得到三相直交功率變換器在兩相d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型為：

式中，L為輸出電感，C為輸出電容，id為d-q坐標系電感電流；uod、uoq是d-q坐標系負載對應的電壓；iod、ioq是d-q坐標系負載對應的電流；ud、uq是d-q坐標系功率轉(zhuǎn)換器對應的輸出電壓。基于上述公式可以得到在頻域系統(tǒng)采用LC濾波的三相直-交功率變換器在d-q坐標系下的模型如圖2所示。

圖2 d-q坐標下的功率變換器模型框圖

根據(jù)直-交功率變換器工作在d-q坐標系下的電流變化方程式（5）和式（6），控制量ud和uq以及電流交叉耦合項ωLiq和ωLid是用來控制d和q軸的電流。為了解決電流耦合問題，添加負載電壓前饋、輸出濾波電感的電壓解耦控制模塊[10]。同時為達到無靜差控制的效果，電壓環(huán)電流環(huán)都采用PI控制，得到解耦之后的電流環(huán)方程組為：

式中，kPi為電流環(huán)比例系數(shù)，kIi為電流環(huán)積分系數(shù)，id*和iq*為d-q坐標系電流給定值，可以實現(xiàn)對d-q軸負載電流的解耦控制。

2.3 電壓環(huán)設計

根據(jù)直-交功率變換器工作時在d-q坐標系下的電壓變換方程式（7）和式（8）說明id、iq以及電壓交叉耦合項ωCuoq。其中，ωCuoq用來控制兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的負載電壓。為了有效解決輸出電壓的耦合問題，對輸出電壓的閉環(huán)控制采用了負載輸出電流的前饋和輸出濾波電容電壓的解耦控制，得到解耦之后的電壓環(huán)方程組為：

式中，kPu為電壓環(huán)比例系數(shù)，kIu為電壓環(huán)積分系數(shù)，u*od和u*oq為d-q坐標系負載電壓給定值，可實現(xiàn)d-q軸電壓的解耦控制。

3 仿真與實驗

為了驗證理論分析的正確性，搭建了一個硬件實驗平臺進行實驗如圖3所示，采用TI公司的TMS320F28335數(shù)字芯片作為核心處理器進行控制算法處理，主電路采用三菱IPM模塊PM75RLA120，額定電壓為1 200 V，額定電流為75 A，母線電容容量為6 000 μF，輸出濾波電感為3 mH，額定電流為30 A。實驗結(jié)果表明，逆變器輸出諧波含量低，動態(tài)穩(wěn)定性好，輸出電壓和電流波形如圖4所示，可以驗證所設計控制系統(tǒng)的可行性及正確性。

圖3 硬件實驗平臺

圖4 逆變器的輸出電壓電流波形

4 結(jié) 論

針對離網(wǎng)式光伏三相直-交功率變換器，提出一種二極管箝位式三電平電路采用基于d-q解耦雙閉環(huán)比例積分控制器的三電平SVPWM控制方案，實現(xiàn)了功率變換器的無靜差調(diào)節(jié)，使得光伏功率變換裝置輸出電能質(zhì)量得到提高。分析提出中點電位控制方法，解決了母線電容中點電壓穩(wěn)定性的問題，通過建立三電平逆變器數(shù)學模型，設計了基于d-q解耦的電壓電流雙閉環(huán)控制器，實驗結(jié)果說明輸出總諧波含量THD低，也驗證了控制系統(tǒng)的有效性。