一種新型的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制策略

鐘皖生，張國(guó)月，吳越，齊冬蓮

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027）

一種新型的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制策略

鐘皖生，張國(guó)月，吳越，齊冬蓮

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027）

提出一種抑制三電平逆變器中點(diǎn)電位波動(dòng)的新型控制策略。在電壓外環(huán)，針對(duì)中點(diǎn)電位一階模型，采用二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位擾動(dòng)的實(shí)時(shí)估計(jì)；設(shè)計(jì)高性能非線性PI控制器實(shí)現(xiàn)母線電壓的有效控制和中點(diǎn)電位波動(dòng)的補(bǔ)償。在10 kW三相光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法可以有效抑制中點(diǎn)電位波動(dòng)，提高系統(tǒng)魯棒性。

三電平逆變器；中點(diǎn)電位平衡；擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器；非線性PI控制器

1 引言

二極管鉗位式三電平逆變器是近年來(lái)發(fā)展較快的變流器［1］，具有運(yùn)行效率高、電壓變化率小和諧波含量少等優(yōu)點(diǎn)，在新能源并網(wǎng)發(fā)電、有源電力濾波器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［2-3］。然而，由于在直流母線端采用電容分壓的形式，使得該變流器產(chǎn)生中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題。中點(diǎn)電位不平衡不僅會(huì)增大輸出電流的諧波畸變，而且會(huì)增加開關(guān)器件所承受的電壓，甚至?xí)p壞開關(guān)器件和分壓電容，因此，中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題一直是三電平逆變器研究的重點(diǎn)［4］。

現(xiàn)有的中點(diǎn)電位平衡算法，主要通過(guò)改進(jìn)逆變器空間矢量調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位波動(dòng)的抑制［5-7］，屬于間接控制方法，未能實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位波動(dòng)的直接補(bǔ)償。

本文通過(guò)優(yōu)化三電平逆變器直流電壓外環(huán)控制策略，提出一種中點(diǎn)電位直接控制方法：采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）估計(jì)中點(diǎn)電位的波動(dòng)；利用非線性PI（NLPI）控制器，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位波動(dòng)的補(bǔ)償和直流母線電壓的可靠控制。在10 kW三相光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出的控制方案的有效性。

2 直流母線電壓數(shù)學(xué)模型

圖1為三電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 三電平逆變器拓?fù)銯ig.1 Topology of three-level inverter

為實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位波動(dòng)的直接補(bǔ)償，必須首先建立中點(diǎn)電位數(shù)學(xué)模型，電位波動(dòng)的小信號(hào)模型如圖2所示。

圖2 中點(diǎn)電位小信號(hào)模型Fig.2 Small signal model of DC neural-point potential

直流側(cè)中點(diǎn)電位由中點(diǎn)電流和直流側(cè)電容（C1=C2=Cdc）共同決定，可表示為

式中：uo，io分別為中點(diǎn)電壓和電流；Δudc為直流母線電壓變化量，

當(dāng)中點(diǎn)電流流入、流出直流側(cè)電容時(shí)，必然引起2個(gè)電容存儲(chǔ)電荷發(fā)生變化，從而造成中點(diǎn)電位的波動(dòng)。此時(shí)，逆變器直流側(cè)等效電路見圖3。

圖3 直流側(cè)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of DC side

圖3中，Re代表線路等效電阻、電容等效阻抗、逆變器損耗的等效電阻，is為逆變器直流側(cè)電源輸出電流，iin為逆變器輸入電流，udc，idc分別為直流母線電壓及電流。由圖3可得：

將式（1）代入式（2），整理后得：

式中：u為輸入量（控制量），u?iin；udc為輸出量（被控量）；w為擾動(dòng)量，w?b(uo+is)。

3 中點(diǎn)電位控制策略

由上節(jié)分析可知，中點(diǎn)電位波動(dòng)是一種不確定性作用，會(huì)對(duì)直流母線電壓產(chǎn)生擾動(dòng)，致使母線電壓難以被有效控制。然而，也正是這一現(xiàn)象，使得中點(diǎn)電位波動(dòng)的估計(jì)與補(bǔ)償成為可能。

本文利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）實(shí)時(shí)估計(jì)能夠影響被控輸出（即直流母線電壓）的不確定性（即中點(diǎn)電位），進(jìn)而通過(guò)高性能非線性PI（NIPI）控制實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的補(bǔ)償和直流母線電壓的可靠控制。

3.1 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器［8］是一種新型的擾動(dòng)觀測(cè)器，其基本原理為：將能夠影響系統(tǒng)輸出變量的擾動(dòng)作用擴(kuò)張成新的狀態(tài)變量，并用特殊的反饋機(jī)制來(lái)建立能夠觀測(cè)被擴(kuò)張的狀態(tài)。不同于基于內(nèi)模原理或絕對(duì)不變性原理的擾動(dòng)補(bǔ)償器，ESO不需要直接測(cè)量擾動(dòng)，也無(wú)須知道擾動(dòng)的具體數(shù)學(xué)模型，因而具有較強(qiáng)的魯棒特性。

由式（4）可知，中點(diǎn)電位波動(dòng)會(huì)對(duì)直流母線電壓產(chǎn)生影響，可將其作為一種系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)，通過(guò)ESO進(jìn)行估計(jì)。由于直流母線電壓數(shù)學(xué)模型為一階，因此，設(shè)計(jì)以Udc為輸入的二階非線性ESO，在實(shí)現(xiàn)直流母線電壓實(shí)際輸出值跟蹤的基礎(chǔ)上，估計(jì)由于中點(diǎn)電位波動(dòng)而產(chǎn)生的擾動(dòng)作用，如下所示：

式中：h為采樣步長(zhǎng)；β01，β02為待調(diào)參數(shù)；z1為Udc的跟蹤值；z2為擾動(dòng)w的估計(jì)值。

fe(e，γ，h)選取為非線性冪次函數(shù)

式中：γ為給定的常數(shù)。

3.2 非線性PI控制器

在實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位波動(dòng)的估計(jì)后，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)需要保證直流母線電壓的可靠控制，而傳統(tǒng)的PI控制器所固有的積分飽和作用會(huì)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)快速性和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，設(shè)計(jì)非線性PI控制器如下：

式中：β1，β2為待調(diào)參數(shù)。

3.3 中點(diǎn)電位控制策略

本文提出一種施加于電壓外環(huán)的，基于ESO和NLPI的中點(diǎn)電位波動(dòng)抑制策略。三電平逆變器電流內(nèi)環(huán)控制仍然采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的基于電網(wǎng)電壓前饋和電流解耦的PI控制方法。調(diào)制策略采用傳統(tǒng)的空間矢量PWM方法。三電平逆變器控制框圖如圖4所示。

圖4 三電平逆變器控制框圖Fig.4 Control diagram of three-level inverter

圖4中，Ug為電網(wǎng)電壓，id，iq為逆變器輸出電流直流分量。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型控制方法的有效性，搭建了以TI公司DSP TMS320F2812為控制芯片的10 kW三電平并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用額定功率為20 kW的可編程直流電源作為逆變器輸入端電源，輸出端接入電網(wǎng)，通過(guò)示波器觀測(cè)實(shí)驗(yàn)波形。三電平并網(wǎng)逆變器主電路的電氣參數(shù)和控制參數(shù)為：直流母線電壓640 V，直流母線電容800 μF，電網(wǎng)電壓230 V，電網(wǎng)頻率50 Hz，濾波電感1.2 mH，濾波電容5 μF，等效電阻Re=50 mΩ，控制參數(shù)h=0.000 05，γ=0.5，β01=10，β02=150，β1=200，β2=3 000。為了驗(yàn)證提出方法的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)的基于檢測(cè)中點(diǎn)電流和改進(jìn)矢量調(diào)制策略的中點(diǎn)電位抑制方法進(jìn)行了對(duì)比，并在逆變器正常運(yùn)行和負(fù)載突變時(shí)記錄（實(shí)驗(yàn)波形由上到下依次為）母線電壓udc、中點(diǎn)電位電壓uo及逆變器直流側(cè)電源輸出電流is波形圖，進(jìn)而比較兩種方法的優(yōu)劣。

圖5是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)波形圖。由實(shí)驗(yàn)波形可見，傳統(tǒng)的中點(diǎn)電位抑制方法效果較差，而且難以實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的有效控制，致使其輸出存在明顯波動(dòng)；而本文提出的算法不僅可以保證直流母線電壓穩(wěn)定控制，而且可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分裂電容上電壓的均衡，同時(shí)抑制中點(diǎn)電位波動(dòng)，使中點(diǎn)電位幾乎為零，具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)性能。

圖5 穩(wěn)態(tài)時(shí)兩種方法的輸出波形Fig.5 Output waveforms of two methods in steady state

圖6和圖7為負(fù)載突變時(shí)實(shí)驗(yàn)波形圖。由實(shí)驗(yàn)波形可見，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，傳統(tǒng)的中點(diǎn)電位抑制方法使得各電壓波形出現(xiàn)明顯畸變，且過(guò)渡過(guò)程波形質(zhì)量變差；而本文提出的算法可以實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的平穩(wěn)過(guò)渡，同時(shí)保證了中點(diǎn)電位抑制效果，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。

圖6 負(fù)載突變時(shí)傳統(tǒng)方法的輸出波形Fig.6 Output waveforms of traditional method as load suddenly changes

圖7 負(fù)載突變時(shí)本文方法的輸出波形Fig.7 Output waveforms of the proposed method as load suddenly changes

5 結(jié)論

本文提出了一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性PI控制器的中點(diǎn)電位平衡控制策略：首先建立反映直流母線電壓真實(shí)運(yùn)行狀況的數(shù)學(xué)模型，并將中點(diǎn)電位波動(dòng)歸類為系統(tǒng)擾動(dòng)，進(jìn)而利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的實(shí)時(shí)估計(jì)；借助高性能非線性PI控制器，在實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，進(jìn)一步提高直流母線電壓控制性能，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。搭建了10 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的控制方法具有非常好的中點(diǎn)電位抑制性能和動(dòng)態(tài)性能，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

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Control Strategy of Neutral-point Potential Balancing in Three-level Inverter

ZHONG Wan-sheng，ZHANG Guo-yue，WU Yue，QI Dong-lian
（Electrical Engineering Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China）

A novel control method applied in three-phase three-level inverter was proposed to realize neutral-point potential（NNP）balancing.In the voltage loop，aiming at the 1st-order model of NNP，the 2nd-order non-linear expanded state observer（ESO）was adopted to estimate the disturbance of NNP in real-time，and a non-linear PI（NLPI）controller was designed to suppress the disturbance and control the bus voltage.A 10 kW prototype was designed and developed，and the experiment results validate that not only the proposed method can suppress the fluctuation of NNP，but improve the robustness of the system.

three-level inverter；neutral-point potential balancing；expanded state observer；non-linear PI controller

TM615

A

2013-12-12

修改稿日期：2014-01-15

浙江省自然科學(xué)基金（LY14E070006）；國(guó)家863計(jì)劃基金項(xiàng)目（2014AA052501）

鐘皖生（1988-），女，碩士研究生，Email：13616504013@163.com