簡化的SVPWM算法在三電平光伏系統(tǒng)中的應用*

薛家祥，馬前進，鄭照紅，廖天發(fā)

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

在光伏發(fā)電技術日趨成熟的今天，三電平逆變電路已經(jīng)成為逆變設備的首選結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的兩電平逆變電路相比，主要有能夠承受高電壓、電壓電流上升率低等優(yōu)點[1]。在眾多的控制策略中，SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）具有調(diào)制比大、能夠優(yōu)化輸出電壓波形、易于數(shù)字實現(xiàn)、母線電壓利用率高等特點，因而SVPWM控制方式受到了人們的普遍關注[2]。但傳統(tǒng)三電平SVPWM算法是把電壓矢量空間等分成6個大扇區(qū)，每個扇區(qū)又分成4個小三角形扇區(qū)，利用基本矢量在小扇區(qū)中計算出矢量作用時間，根據(jù)矢量切換點的切換條件在24個小三角形之間進行切換，計算較為復雜。本文尋找到一種新的簡化的SVPWM，把每個大扇區(qū)分成2個直角三角形[3]，這樣就極大減少了計算量，并將該算法在已有的10 kW的三電平光伏逆變器上實現(xiàn)，得到很好的并網(wǎng)電流波形。

1 三電平逆變器

二極管中點箝位式三電平逆變器主電路如圖1所示。通過對三電平逆變器拓撲分析可知，三相三電平輸出電路可以得到33=27種開關組合，對應27組不同的電壓狀態(tài)組合。定義電壓空間矢量為：

圖1 二極管中點箝位式三電平逆變器主電路

開關變量Sa、Sb、Sc代表各相橋臂的輸出狀態(tài)。在 α-β平面上，三電平逆變器27組開關狀態(tài)所對應的19個空間矢量如圖2所示，其中pon表示a、b、c三相輸出對應的開關狀態(tài)為正、零、負。按照基本矢量幅值可分為大矢量(2Vdc/3)、中矢量Vdc/3)、小矢量(Vdc/3)、零矢量(0)。

圖2 三電平基本空間矢量圖

2 三電平逆變器空間矢量的簡化算法

三電平逆變器的SVPWM控制的實現(xiàn)步驟在每個采樣周期內(nèi)，可以按以下3步進行[4]：

(1)參考矢量所在區(qū)域的判斷：目的是找出合成期望電壓空間矢量的3個基本電壓空間矢量，包括期望矢量所在大區(qū)和小區(qū)的判斷。

(2)基本矢量作用時間的計算：確定3個基本矢量在一個采樣周期內(nèi)的作用時間，即每個矢量對應的占空比。

(3)基本矢量開關順序的分配：確定各個基本空間矢量所對應的開關狀態(tài)和作用次序，將基本空間矢量所對應的作用時間分別分配給相應的開關狀態(tài)，最終完成對開關器件的控制。

本文的SVPWM算法與傳統(tǒng)法不同之處在于小區(qū)域的劃分：把每個大扇區(qū)分成兩個小的直角三角形區(qū)域。例如把圖2中的大扇區(qū)I分成V0V7V13組成的直角三角形1和V0V7V14組成的直角三角形2。

所期望的電壓空間矢量可有其所在的直角三角形的3個頂點來合成，例如當空間電壓矢量落在直角三角形 1中時，期望開關矢量由零矢量 V0、中矢量 V7、大矢量V13合成，由伏秒平衡原理得：

可得：

式中：

同理可得當參考電壓矢量落在直角三角形區(qū)域2時有：

根據(jù)空間電壓矢量作用順序所遵守的原則[5]，為了進一步減少開關次數(shù)，本文采用五段式SVPWM，相應的開關順序在直角三角形1中為V0-V7-V13，在直角三角形 2中為 V0-V7-V14。

由三電平逆變器空間電壓矢量分布圖可知，其有6個扇區(qū)，每個扇區(qū)之間相差60°。根據(jù)歸一化的思想，將每個扇區(qū)都順時針旋轉(zhuǎn)與第一個扇區(qū)重合便可得到相應的矢量分配時間和作用順序。

分析中點電位的波動原理可知[6]，中點電位的偏移是由小矢量和中矢量引起的。在一個扇區(qū)內(nèi)，小矢量的不對稱出現(xiàn)會引起中點電位偏移；中矢量對中點電位的影響比較復雜，在一般的電機控制中存在功率因素角，在電網(wǎng)和電機之間存在能量雙向流動，負載不對稱，致使中矢量引起中點電位偏移。而在光伏逆變器要求功率因素為1，不存在與電網(wǎng)之間的能量雙向流動，所以在三電平并網(wǎng)逆變器中采用中矢量不會影響中點電位平衡。這就省去了對中點平衡的控制，有利于軟件的編程。

3 簡化算法的實驗及結(jié)論

為了驗證以上所提出的算法，首先在MATLAB環(huán)境下用S函數(shù)建立了此三電平逆變器的閉環(huán)仿真模型[7]，得到閉環(huán)輸出的電流波形如圖3所示，從上到下依次為R相、S相、T相?？梢钥闯鲈诖怂惴ㄏ履墚a(chǎn)生平滑的電流波形，驗證了算法里的可行性。

圖3 仿真輸出的的并網(wǎng)電流波形

圖4 并網(wǎng)電流波形

圖5 中點電壓波形

圖6 電感之前的三相電壓細節(jié)波形

在實驗室已有的三電平逆變器上實現(xiàn)該算法。此三電平逆變器主電路采用兩級變流結(jié)構(gòu)[8]，前級是雙BOOST升壓電路，后級為二極管中點箝位式三電平逆變電路，采用LC濾波，控制電路以TMS320F2808和CPLD EPM-1270T144C5N為核心的。其中母線支撐電容總大小為620μF，逆變電感為 0.8 mH，濾波電容為 10μF。

以Topcon的太陽能光伏模擬器作為輸入源，輸入最大功率為5 kW，測得實際的實驗并網(wǎng)電流波形如圖4所示。測得的中點電壓波動如圖5所示，從上到下依次為母線電壓、中點電壓和T相電流，母線電壓穩(wěn)定在有效值721.27 V，中點電壓穩(wěn)定在有效值 358.66 V，中點電位波動很小。測得的逆變電感之前的三相電壓波形細節(jié)圖如圖6所示，從上到依次為T相電壓、S相電壓和R相電壓，從圖中分析可知開關變化為000→-101→-111→-101→000，由此可以確認本文使用的是五段式，并且起始矢量都是從000開始。

經(jīng)以上分析可見，采用簡化的SVPWM后，光伏逆變器輸出較為理想的并網(wǎng)電流波形且中點電位波動很小，從理論和實際上都驗證了該算法的可行性。

[1]ZHANG Y C，ZHAO Z M，ELTAWIL M，et al.Performance evaluation of three control strategies for three-level neutral point clamped PWM rectifier[C].In Proc.IEEE APEC’08，2008：259-264.

[2]宋文祥，陳國呈，束滿堂，等.中點箝位式三電平逆變器空間矢量調(diào)制及其中點控制研究[J].中國電機工程學報，2006(5)：105-109.

[3]鐘宇明，文勵洪，楊紅，等.三電平電路空間矢量調(diào)制的一種新算法[J].電力電子技術，2010(1)：90-92.

[4]GUPTA A K，KHAMBADKONE A M.A general space vector PWM algorithm for a multilevel inverter including operation in over modulation range，with a detailed modulation analysis for a 3-level NPC inverter[J].Proc.Power Electron.Spec.Conf.，2005，16（5）：2527-2533.

[5]SEO J H，CHOI C H，HYUN D S.A new simplified spacevector PWM method for three-level inverters[J].IEEE Trans.on Industry Electronics，2001，16(4)：545-550.

[6]林磊，鄒云屏，鐘和清，等.二極管箝位型三電平逆變器控制系統(tǒng)研究[J].中國電機工程學報，2005，25(15)：34-39.

[7]程善美，劉亞軍，蔡凱.二極管箝位三電平逆變器空間矢量 PWM 的仿真[J].電氣自動化，2008，30（2）：17-19.

[8]TSENGENES G，ADAMIDIS G.A multi-function grid connected PV system with three level NPC inverter and voltage oriented control[J].Solar Energy，2011(11)：2595-2610.