NPC三電平光伏逆變器并網(wǎng)控制策略仿真研究*

周　春，　歐陽麗，　古云蛟，　葛興凱

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院　上?！?00070

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NPC三電平光伏逆變器并網(wǎng)控制策略仿真研究*

周春，歐陽麗，古云蛟，葛興凱

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院上海200070

摘要：介紹了基于NPC(Neutral Point Clamped)三電平逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略。根據(jù)光伏陣列的等效電路，在Matlab/Simulink中建立了光伏陣列模型，利用擾動觀察法對光伏發(fā)電系統(tǒng)中Boost電路進行最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking， MPPT)控制，對NPC三電平逆變器采用U-Q控制并網(wǎng)策略，并對系統(tǒng)進行了建模仿真。仿真結(jié)果表明，該控制策略能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)光伏的最大功率點跟蹤，并能有效地保證將逆變器直流側(cè)傳輸?shù)挠泄β首⑷腚娋W(wǎng)。

關(guān)鍵詞：光伏； 最大功率點跟蹤； 擾動觀察法； NPC三電平逆變器； U-Q控制

Abstract：Introduced the control strategy for 3-level PV grid-connected NPC (Neutral-Point-Clamped) inverter. PV array model was established in Matlab / Simulink in accordance with the equivalent circuit of the PV array. Perturbation and observation method was used to control MPPT(Maximum Power Point Tracking) in the Boost circuit of PV generating system while U-Q controlled grid-connection strategy was adopted for 3-level NPC inverter to build the system model for simulation. Simulation results showed that this control strategy could achieve accurate tracking of maximum PV power and could effectively ensure active power transmission at the DC side of the inverter into the power grid.

Key Words：PV； MPPT； Perturbation and Observation Method； 3-level NPC Inverter； U-Q Control

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種十分重要的分布式電源系統(tǒng)，應(yīng)用越來越廣泛。光伏發(fā)電是利用光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的直接發(fā)電方式，是太陽能利用的一種非常重要的方式。光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最基本的電能產(chǎn)生單元，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、清潔無污染、可靠性高、壽命長等優(yōu)點[1][2]。由于光伏電池輸出的是直流電，光伏發(fā)電并網(wǎng)需要經(jīng)過逆變器進行直流/交流轉(zhuǎn)換，本文主要介紹光伏陣列的MPPT控制以及光伏NPC三電平逆變器的并網(wǎng)U-Q控制策略。

1光伏陣列模型

光伏電池理想等效電路如圖1所示，光伏電池由一個光生電流源Iph和一個二極管D并聯(lián)組成。其中二極管不是一個在導(dǎo)通和關(guān)斷兩種模式間切換的理想型開關(guān)元件，其電壓和電流之間存在連續(xù)非線性關(guān)系。光伏電池單二極管等效電路在理想模型的基礎(chǔ)上，考慮內(nèi)部損耗，通過增加串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh來模擬[3]。

圖1　光伏電池單二極管等效電路模型

光伏電池單二極管等效電路模型的輸出伏安特性為：

(1)

式中：V為光伏電池輸出電壓；I為光伏電池輸出電流；Iph為光生電流源電流；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量，q=1.602×10-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.831×10-23J/K；T為光伏電池工作絕對溫度值，K；A為二極管特性擬合系數(shù)，在單二極管模型中無量綱；Rs為光伏電池串聯(lián)電阻，Ω；Rsh為光伏電池的并聯(lián)電阻，Ω。

光生電流是光照強度和電池溫度的函數(shù)，可以表示為：

(2)

式中：S為實際輻照度，W/m2；Sref為標(biāo)準(zhǔn)條件下輻照度；Tref為標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏電池工作絕對溫度，K；CT為溫度系數(shù)，K-1；Iph,ref為標(biāo)準(zhǔn)條件下光生電流值，A。

二極管飽和電流隨著電池溫度的變化而變化，滿足關(guān)系式：

(3)

式中：Is,ref為標(biāo)況下二極管飽和電流，A；Eg為禁帶寬度，eV，與光伏電池材料有關(guān)。

光伏電池經(jīng)串、并聯(lián)形成光伏陣列，對應(yīng)的光伏陣列等效電路如圖2所示。

圖2　光伏陣列的等效電路

光伏陣列等效電路模型的輸出伏安特性為：

(4)

式中：Ns為串聯(lián)光伏電池數(shù)；Np為并聯(lián)光伏電池數(shù)。

2光伏發(fā)電系統(tǒng)

由式(4)可知，光伏陣列的輸出電壓和輸出電流具有非線性關(guān)系，并且受光照、溫度等因素影響。在特定的光照強度和環(huán)境溫度下，光伏電池輸出不同的電壓和電流，但其中存在唯一的電壓和電流，使此時電池輸出功率最大。因此，為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率最高，應(yīng)控制光伏電池始終運行在最大功率點，即進行最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking， MPPT)。另外，由于光伏電池發(fā)出的是直流電，因此要實現(xiàn)光伏并網(wǎng)，需進行逆變控制。本文研究的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用兩級式并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)前級采用Boost變換器進行MPPT控制，后級采用NPC三電平逆變器，并通過U-Q控制策略進行并網(wǎng)。

圖3　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

2.1　MPPT控制算法

常用的MPPT算法有擾動觀察法、增量電導(dǎo)法、爬山法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等[4-5]。如圖4所示，在特定環(huán)境條件下，光伏電池輸出最大功率點對應(yīng)一個唯一的最大功率點電壓Vm，因此只要控制光伏電池的工作電壓為Vm，即可實現(xiàn)最大功率的輸出。本文采用擾動觀察算法的原理就是周期性地對光伏陣列電壓施加一個小的增量ΔV，并觀察輸出功率的變化方向，進而決定下一步的控制信號。如果輸出功率增加，則繼續(xù)朝著相同的方向改變工作電壓，否則朝著相反的方向改變工作電壓。

圖4　光伏輸出功率與電壓特性關(guān)系

擾動觀察算法的流程如圖5所示，檢測光伏電池輸出電壓Vpv和輸出電流Ipv，圖中Vk、Ik分別為光伏電池k時刻檢測到的輸出電壓和電流值，Vk-1、Ik-1分別為k-1采樣時刻的光伏電池的輸出電壓和電流值，兩者相乘等于光伏電池的輸出功率Pk。利用擾動觀察法，將當(dāng)前時刻功率和電壓與前一采樣時刻功率和電壓相減分別得到Pk-Pk-1與Vk-Vk-1，并利用式(5)判斷擾動量ΔV，以此來調(diào)整輸出參考電壓的值，其中a為調(diào)整系數(shù)，取值為0.2。

(5)

圖5　擾動觀察法算法流程圖

① 當(dāng)Pk>Pk-1，Vk>Vk-1時，

② 當(dāng)Pk>Pk-1，Vk

③ 當(dāng)PkVk-1時，

④ 當(dāng)Pk

令Vk=Vk-1+ΔV，即可實現(xiàn)最大輸出功率跟蹤。

采用擾動觀察法MPPT控制方式控制前級的Boost電路，只需要利用MPPT控制得到光伏電池輸出工作電壓的參考值Vref，當(dāng)控制Boost電路前級輸入電壓Vpv等于參考電壓值Vref時，便可以實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出[8]。圖6所示為采用MPPT控制的Boost電路控制回路。

圖6　Boost電路閉環(huán)控制

2.2　NPC三電平光伏逆變器

NPC(Neutral-Point-Clamped)三電平逆變器即中點鉗位式逆變器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示，該拓撲直流側(cè)有2個分壓電容，每相橋臂有4個開關(guān)管，并且每相分別有2個鉗位二極管串聯(lián)后跨接在正負半橋臂對應(yīng)的開關(guān)器件之間。NPC三電平逆變器比較適合大容量、高電壓變頻場合，由于開關(guān)器件在較低的工作頻率下可以獲得較好的波形，因此開關(guān)損耗低，效率高，電路的電磁干擾(EMI)問題大大減輕[6][7]。

圖7　NPC三電平逆變器

如圖7所示，每一相都需要4個主開關(guān)器件、4個續(xù)流二極管、2個鉗位二極管，以A相橋臂為例，分析穩(wěn)態(tài)工作情況如下。

當(dāng)開關(guān)管Sa1和Sa2同時導(dǎo)通、Sa3和Sa4同時關(guān)斷時，若電流從逆變電路流向負載，即從P點經(jīng)由Sa1和Sa2到達輸出端A，忽略開關(guān)器件的正向?qū)▔航担敵龆薃的電位等同于P的電位，即Vdc/2；若電流從負載流向逆變電路，這時電流從A分別經(jīng)過續(xù)流二極管Da2、Da1流進P點，這時輸出端A的電位仍等同于P的電位。當(dāng)開關(guān)管Sa2和Sa3同時導(dǎo)通、Sa1和Sa4同時關(guān)斷時，輸出端A的電位仍等同于O點的電位。當(dāng)開關(guān)管Sa3和Sa4同時導(dǎo)通、Sa1和Sa2同時關(guān)斷時，這時輸出端A的電位仍等同于N的電位，即-Vdc/2。

根據(jù)以上工作原理分析可知，A相輸出端有3種電平，即Vdc/2、0、-Vdc/2。主開關(guān)管Sa1和Sa4不能同時導(dǎo)通，且Sa1和Sa3、Sa2和Sa4工作在互補狀態(tài)。延伸至A、B、C三相，NPC三電平逆變器每相電壓均有3種輸出狀態(tài)，分別為Vdc/2(P)、0(O)、-Vdc/2(N)，3個橋臂12個開關(guān)管，共有27種開關(guān)狀態(tài)。不同開關(guān)狀態(tài)，三相輸出的相電壓在空間合成4種大小不同的電壓矢量，分別為0矢量(3種開關(guān)狀態(tài))、短矢量(Vdc/2，12種開關(guān)狀態(tài))、中矢量(3Vdc/2，6種開關(guān)狀態(tài))、長矢量(Vdc，6種開關(guān)狀態(tài))。根據(jù)27個電壓矢量在坐標(biāo)平面的位置，可得NPC三電平逆變器電壓空間矢量圖，如圖8所示。

圖8　NPC三電平逆變器空間電壓矢量圖

參考電壓矢量在αβ空間以一定的頻率旋轉(zhuǎn)，當(dāng)參考電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域時，可以選擇該區(qū)域內(nèi)的3個最近的基本電壓矢量，在一定采樣周期內(nèi)各矢量分配作用時間合成參考電壓矢量。在采樣周期Ts內(nèi)，對于一個給定的參考電壓矢量Vref，可以用3個基本電壓矢量來合成，根據(jù)伏秒平衡原理，滿足方程組：

T1V1+T2V2+T3V3=TsVref

(6)

T1+T2+T3=Ts

(7)

式中： T1、T2、T3分別為矢量V1、V2、V3對應(yīng)的作用時間；Ts為采樣周期。

根據(jù)此方程組可以得到各基本矢量的作用時間，然后根據(jù)基本矢量與開關(guān)狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合其它要求，確定所有的對應(yīng)橋臂的開關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動功率管的通斷，并控制各功率管的通斷時間，這樣逆變器就會輸出產(chǎn)生三相互差120°的近似正弦波的階梯電壓。如圖9所示，就是當(dāng)參考電壓矢量落在扇區(qū)I時的電壓矢量合成，運用此種控制NPC三電平逆變器方法就是空間電壓矢量調(diào)制法(SVPWM)，SVPWM是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的脈寬調(diào)制方法，采取這種方法，電壓的利用率高，易于實現(xiàn)數(shù)字化，輸出波形質(zhì)量好。

圖9　扇區(qū)I的參考電壓矢量合成

2.3　U-Q控制算法

采用NPC三電平逆變器進行光伏并網(wǎng)，需要進行并網(wǎng)控制，本文采用U-Q控制方法。U-Q控制本質(zhì)上是一種電流控制方法，其基本原理是將abc坐標(biāo)系的三相電流通過Park變換，轉(zhuǎn)化為d軸和q軸分量進行解耦，可以得到在dq坐標(biāo)系下有功功率P僅與d軸有功電流有關(guān)，而無功功率Q僅與q軸無功電流有關(guān)，計算公式為：

(8)

(9)

由于電網(wǎng)電壓幅值Vd保持不變，因此分別控制id和iq即可實現(xiàn)對逆變器輸出有功和無功的控制，實現(xiàn)有功和無功的解耦。由上述分析可以得到控制框圖如圖10所示，利用Park變換將三相交流電流量轉(zhuǎn)化為d軸和q軸直流分量進行解耦，通過PI控制器實現(xiàn)直流電流分量的無差跟蹤，從而實現(xiàn)逆變器的功率控制[3]。

圖10　U-Q控制算法

如圖10所示，以電網(wǎng)側(cè)電壓作電壓定向，將電網(wǎng)電壓分解到αβ坐標(biāo)系下，求出電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)矢量與α軸的夾角，用于坐標(biāo)變換，使并網(wǎng)輸出電流分解到dq軸下。外環(huán)為U-Q控制環(huán)，由直流母線電壓參考值Udcref與實際值比較，經(jīng)PI控制器生成有功電流id的參考idref，無功參考Qref與實際值比較生成無功電流iq的參考iqref。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，使逆變器輸出電流快速跟蹤參考值，電流誤差信號經(jīng)PI控制器輸出逆變器dq軸電壓參考信號，經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)到αβ坐標(biāo)系下進入SVPWM調(diào)制。在電流控制內(nèi)環(huán)加入交叉耦合項和電壓前饋項，是為了實現(xiàn)有功和無功的完全解耦，對于逆變器輸出電壓，有如下關(guān)系成立：

(10)

因此，id電流PI控制器輸出側(cè)加上一個ωLiq，iq電流控制器輸出側(cè)減去一個ωLid，可以實現(xiàn)僅用id控制ed和僅用iq控制eq，實現(xiàn)了控制的解耦。內(nèi)環(huán)中加入電網(wǎng)電壓ud、uq的電壓前饋是為了加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，給ed和eq一個較大的初值，保證控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)。

3仿真分析

根據(jù)上述研究，分別對光伏電池、NPC三電平逆變器及其控制算法進行建模，形成光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，如圖11所示，光伏陣列輸出經(jīng)過Boost變換器進行DC/DC升壓，對Boost變換器采用MPPT控制，輸出接入NPC三電平DC/AC逆變器，逆變器采用U-Q控制，光伏發(fā)出功率經(jīng)逆變器變換及LCL濾波器接入大電網(wǎng)。

圖11　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

3.1　MPPT控制算法驗證

仿真中設(shè)定光伏電池接受的實際輻照度S為1500W/m2，光伏電池工作溫度T為300K，光伏電池陣列的輸出功率與輸出電壓的特性關(guān)系如圖12所示，從圖中可以看出，當(dāng)電池輸出電壓為454V時，對應(yīng)最大功率點Pmax為16kW左右。因此，如果要保證光伏電池按最大功率輸出，則需要保證其輸出電壓控制穩(wěn)定在454V左右(如圖13所示)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型進入穩(wěn)態(tài)之后，電池的輸出電壓約為454V，輸出電流為36A左右(如圖14所示)，則輸出功率約為16kW，這表明MPPT控制算法有效地實現(xiàn)了最大功率點跟蹤。

圖12　輸入光伏功率P-V曲線

圖13　光伏輸出電壓

圖14　光伏輸出電流

3.2　三電平驗證

光伏電池陣列的輸出電壓經(jīng)過Boost變換器升壓后的電壓輸出曲線如圖15所示，該直流電壓經(jīng)過NPC三電平逆變器輸出的三電平相電壓如圖16所示。經(jīng)過LCL濾波后，輸出電壓和電流分別如圖17與圖18所示。

圖15　NPC輸出直流電壓

圖16　三電平NPC輸出側(cè)電壓

3.3　U-Q算法驗證

圖19與圖20所示分別為NPC三電平逆變器在U-Q控制的作用下輸出的有功功率與無功功率的波形，其中有功功率為16kW左右，無功功率控制為0。因此，U-Q控制算法有效實現(xiàn)了將光伏發(fā)出的有功功率注入電網(wǎng)。

圖17　并網(wǎng)電壓

圖18　并網(wǎng)電流

圖19　有功功率輸出

圖20　無功功率輸出

4結(jié)論

本文首先對光伏電池陣列進行了建模仿真，并對相應(yīng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行了建模，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由Boost變換器和NPC三電平DC/AC逆變器組成，模型中對Boost變換器采用MPPT控制，對NPC三電平逆變器采用U-Q控制，并對NPC三電平逆變器采用空間向量調(diào)制(SVPWM)控制。仿真結(jié)果表明，MPPT控制算法可以很好地實現(xiàn)光伏電池的最大功率點跟蹤，U-Q控制算法可以有效保證光伏電池輸出的有功功率注入電網(wǎng)，充分驗證了控制算法的有效性，為進一步的系統(tǒng)開發(fā)提供了很好的數(shù)據(jù)參考和驗證方法，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

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中圖分類號：TM615+.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-540X(2015)02-041-07

作者簡介：第一 周春(1973-)，男，在職碩士，工程師.主要從事分布式能源系統(tǒng)集成應(yīng)用，E-mail： zhouchun@shanghai-electric.com

收稿日期：2015年2月

*上海市科委科技攻關(guān)計劃項目(編號： 13dz1200401)