新式七電平逆變器及其并網(wǎng)控制分析

馬蘭珍，向立文，潘春林，陶 冶

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司安慶電力公司，安徽 安慶 246003；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖北有限公司荊州分公司，湖北 荊州 434000)

新式七電平逆變器及其并網(wǎng)控制分析

馬蘭珍1，向立文2，潘春林1，陶 冶1

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司安慶電力公司，安徽 安慶 246003；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖北有限公司荊州分公司，湖北 荊州 434000)

提出一種單相七電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，根據(jù)伏秒平衡原理，采用T型濾波器，通過(guò)逆變器側(cè)電流反饋控制確保并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，采用比例諧振(PR)控制減小穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)并網(wǎng)，同時(shí)引入電網(wǎng)電壓的前饋控制消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響。仿真結(jié)果表明：該逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

七電平逆變器；并網(wǎng)控制；T型濾波器；PR控制器

0 概述

可再生能源包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、潮汐能以及地?zé)崮艿?，充分利用此?lèi)能源可增加能量供給和減少環(huán)境污染?，F(xiàn)在對(duì)可再生能源的利用主要采用分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)在于采用合理的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和并網(wǎng)控制策略，以便獲得穩(wěn)定的并網(wǎng)系統(tǒng)和高質(zhì)量的并網(wǎng)電流。

相比傳統(tǒng)的兩電平逆變器，多電平逆變器具有輸出電壓諧波小、電磁干擾小及可采用小尺寸濾波器等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)二極管箝位型和飛跨電容型等多電平逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有大量功率開(kāi)關(guān)管，控制較為復(fù)雜，一般用于大功率場(chǎng)合。本文提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新型七電平逆變器拓?fù)?，與傳統(tǒng)拓?fù)湎啾?，大大減少了開(kāi)關(guān)數(shù)目，在控制和節(jié)能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其適用于中小功率的并網(wǎng)系統(tǒng)。

目前，多電平逆變器調(diào)制技術(shù)總體上分為載波脈寬調(diào)制(PWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)2種。傳統(tǒng)單相多電平逆變器多采用載波PWM技術(shù)，而SVPWM技術(shù)因具有物理概念清晰、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)、電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。本文將三相逆變器SVPWM技術(shù)引入到單相七電平逆變器中，提出了一種單相七電平逆變器SVPWM技術(shù)。該技術(shù)具有形式簡(jiǎn)單、易于DSP編程實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

為降低開(kāi)關(guān)頻率引起的電流諧波，T型濾波器可選取較小的電感，以實(shí)現(xiàn)較好的濾波效果，但其欠阻尼特性不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，采用典型的并網(wǎng)電流直接閉環(huán)控制策略，無(wú)法使系統(tǒng)穩(wěn)定。在并網(wǎng)電流直接閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，在濾波器電容支路串聯(lián)電阻，達(dá)到了很好的阻尼效果，且控制簡(jiǎn)單；但串聯(lián)電阻不僅存在損耗，同時(shí)還會(huì)削弱濾波器對(duì)高頻諧波的抑制能力。采用逆變器側(cè)電流、電網(wǎng)側(cè)電流以及濾波器支路電容電流的雙環(huán)或多環(huán)控制策略，均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但其對(duì)調(diào)節(jié)器的依賴(lài)較大，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，增加了系統(tǒng)的成本。綜合考慮各種因素，現(xiàn)采用逆變器側(cè)電流反饋單環(huán)控制策略，無(wú)需增加額外的傳感器，降低系統(tǒng)成本。該策略可有效抑制T型濾波器存在的諧振尖峰，易于系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)可有效保護(hù)功率開(kāi)關(guān)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

針對(duì)傳統(tǒng)PI控制在跟蹤正弦信號(hào)時(shí)存在穩(wěn)態(tài)誤差和相位差等缺陷，本文在電流環(huán)中采用PR控制，有效減小了穩(wěn)態(tài)誤差和實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)并網(wǎng)；同時(shí)為消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響，引入電網(wǎng)電壓的前饋控制。仿真結(jié)果表明：采用SVPWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新型七電平逆變器的七電平電壓輸出。結(jié)合本文采用的閉環(huán)控制策略，該逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)并網(wǎng)效果。

1 并網(wǎng)逆變器的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及模態(tài)分析

新式七電平并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，含有1個(gè)橋式結(jié)構(gòu)和2個(gè)雙向輔助開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。將新能源發(fā)電的前級(jí)直流部分等效成恒定直流電壓源UDC，其大小為E，直流側(cè)電容C1=C2=C3，則逆變器輸出電壓UAB有7個(gè)電平狀態(tài)：±E、±2E/3、±E/3、0，共8種工作狀態(tài)，定義S1S4和S2S3為大矢量，S4S5和S2S6為中矢量，S4S6和S2S5為小矢量，S1S2和S3S4為零矢量。

圖1 并網(wǎng)逆變器主電路

輸出電壓模態(tài)和開(kāi)關(guān)管通斷情況如表1所示。

表1 輸出電壓和開(kāi)關(guān)管通斷情況對(duì)應(yīng)表

2 控制原理分析

2.1 單相七電平逆變器調(diào)制方法

2.1.1 單相七電平逆變器SVPWM圖

SVPWM技術(shù)最初應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，后擴(kuò)展為一種在整流/逆變領(lǐng)域的PWM策略，在三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中得到了大量應(yīng)用。本文根據(jù)電壓矢量的模長(zhǎng)大小，將單相七電平空間矢量圖分為6個(gè)區(qū)間，參考電壓矢量V以角頻率ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，根據(jù)其所在區(qū)間，選擇該區(qū)間內(nèi)的2個(gè)電壓矢量合成。逆變器輸出電壓UAB為矢量V在x軸上的投影，如圖2所示。

2.1.2 輸出矢量的作用順序

當(dāng)參考電壓矢量位于區(qū)間1時(shí)，矢量由S4S5和S1S4合成；當(dāng)參考矢量位于區(qū)間2時(shí)，矢量由S4S6和S4S5合成；當(dāng)參考矢量位于區(qū)間3時(shí)，矢量由S3S4(S1S2)和S4S6合成，剩余區(qū)間依次類(lèi)推。表2為輸出電壓矢量的作用順序，由此可知：每次工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，都有1個(gè)開(kāi)關(guān)保持原狀態(tài)不變，有效減少了開(kāi)關(guān)損耗。

圖2 單相七電平逆變器空間電壓矢量

表2 輸出電壓矢量作用順序

2.1.3 輸出電壓矢量的作用時(shí)間

根據(jù)伏秒平衡原理，即式(1)，可求得每個(gè)輸出矢量(T1、T2)的作用時(shí)間，如表3所示。其中：Ts為開(kāi)關(guān)周期，V1、V2為參與合成的2個(gè)電壓矢量。

表3 輸出電壓矢量的作用時(shí)間

2.2 并網(wǎng)控制策略分析

2.2.1 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1的主電路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，基于T型濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，忽略其等效串聯(lián)電阻，可得到復(fù)頻域下的電流電壓方程組為

式中：L1-T型濾波器左側(cè)電感；I1-流過(guò)L1的電流；L2-T型濾波器右側(cè)電感；I2-流過(guò)L2的電流；Cf-T型濾波器電容；Vi-AB兩點(diǎn)輸出電壓；Vc-T型濾波器電容兩端電壓；Vg-交流電流電壓。

T型濾波器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中電網(wǎng)電壓為系統(tǒng)的擾動(dòng)量。則逆變器輸出電壓到電網(wǎng)電流的傳遞函數(shù)，即系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(S)為式(3)。

圖3 T型濾波器結(jié)構(gòu)示意

為便于分析，在此給出系統(tǒng)參數(shù)：直流側(cè)電壓UDC=400 V，L1=5 mH，L2=1mH，Cf=1 μF。G(s)的伯德圖如圖4所示，同時(shí)給出單電感濾波器伯德圖，其電感值為6 mH。由此可知：T型濾波器較之于單電感濾波器在高頻段有更好的諧波衰減效果，但是在諧振頻率處存在幅值尖峰，并造成相位巨變，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。

2.2.2 電流閉環(huán)控制策略

采用典型的并網(wǎng)電流直接閉環(huán)控制，作出系統(tǒng)的閉環(huán)控制框圖，如圖5所示。其中：GC(s)為調(diào)節(jié)器，為便于穩(wěn)定性分析，此處采用比例調(diào)節(jié)器。本文選擇開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，K為逆變橋部分的等效增益環(huán)節(jié)，取K=40。由此可得：并網(wǎng)電流的傳遞函數(shù)為式(4)，閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為式(5)。圖6(a)是其根軌跡曲線(xiàn)，從圖中可知：根軌跡落入復(fù)平面右半平面，系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以采用典型的并網(wǎng)電流直接閉環(huán)控制無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。

圖4 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖

本文采用逆變器直接輸出電流i1間接控制并網(wǎng)輸出電流i2。由于T型濾波器選擇較小的電容，近似認(rèn)為不會(huì)造成網(wǎng)測(cè)電流滯后于逆變器測(cè)電流，其仿真結(jié)果也證實(shí)了該處理方法的合理性。同時(shí)，為消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響，引入電網(wǎng)電壓的前饋控制，由于該前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制，在閉環(huán)分析中，可直接略去電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。本文采用的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖7所示，等效的線(xiàn)性控制結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。并網(wǎng)電流的傳遞函數(shù)為式(6)，其根軌跡曲線(xiàn)如圖6(b)所示。從圖6(b)中可知：選擇合適的調(diào)節(jié)器GC(s)，可使系統(tǒng)的根軌跡進(jìn)入復(fù)平面左側(cè)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 并網(wǎng)電流直接閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 調(diào)節(jié)器的選擇

在并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是PI調(diào)節(jié)，但其在跟蹤正弦信號(hào)時(shí)存在穩(wěn)態(tài)誤差和相位差，本文采用PR控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。PI控制器和PR控制器的傳遞函數(shù)如式(7)、(8)所示。

圖6 系統(tǒng)閉環(huán)根軌跡曲線(xiàn)

在并網(wǎng)電流基波頻率處，PI調(diào)節(jié)器的增益(K2P+(Ki/ωo)2)1/2為有限值，PR控制器在電流基波頻率處增益(K2P+(Ki/(-ω2o+ω2o))2)1/2為無(wú)窮大，該無(wú)窮大增益可有效提高并網(wǎng)電流跟蹤參考電流和抵抗電網(wǎng)擾動(dòng)的能力。由于實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)精度有限，理想的PR控制器不可能實(shí)現(xiàn)，通常采用一種易實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)PR控制器，其傳遞函數(shù)為：

3 仿真分析

應(yīng)用MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證理論分析，系統(tǒng)的輸出功率為1 kW，參考電流峰值為6.40 A，電路參數(shù)設(shè)置參照理論分析。

圖9為新型七電平并網(wǎng)逆變器輸出的七電平電壓波形。為驗(yàn)證系統(tǒng)的靜態(tài)性能，分別采用PI控制、無(wú)網(wǎng)壓前饋的準(zhǔn)PR控制和有網(wǎng)壓前饋的準(zhǔn)PR控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)對(duì)PR控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)參數(shù)為：Kp=0.9，Ki=300，ωc=3.5，且PI參數(shù)已調(diào)整為最佳。

在理想電網(wǎng)情況下，采用PI控制時(shí)參考電流與并網(wǎng)電流波形如圖10(a)所示，其并網(wǎng)電流基波峰值為6.50 A，諧波總畸變率(THD)為1.12 %；采用準(zhǔn)PR控制時(shí)參考電流與并網(wǎng)電流波形如圖10(b)所示，其并網(wǎng)電流基波峰值為6.36 A，THD為0.34 %。由此可見(jiàn)：在跟蹤參考電流信號(hào)時(shí)，PI控制存在明顯相位滯后，且穩(wěn)態(tài)誤差較大；準(zhǔn)PR控制實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，且穩(wěn)態(tài)誤差較小。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖8 等效線(xiàn)性控制結(jié)構(gòu)示意

在非理想電網(wǎng)情況下，假設(shè)電網(wǎng)電壓畸變率為16.51 %，圖11(a)為無(wú)網(wǎng)壓前饋時(shí)參考電流與并網(wǎng)電流波形，其并網(wǎng)電流基波峰值為6.32 A，THD為3.69 %；圖11(b)為有網(wǎng)壓前饋時(shí)參考電流與并網(wǎng)電流波形，其并網(wǎng)電流基波峰值為6.35 A，THD為0.67 %。

由此可見(jiàn)：網(wǎng)壓前饋可有效抑制電網(wǎng)電壓畸變給并網(wǎng)電流帶來(lái)的影響。

圖9 逆變器輸出的七電平電壓波形

圖10 理想電網(wǎng)條件下不同控制器并網(wǎng)電流仿真波形

圖12 為非理想電網(wǎng)情況下采用準(zhǔn)PR控制器時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性仿真圖，并網(wǎng)功率分別在0.085 s時(shí)減半和加倍。

從波形可知：系統(tǒng)在功率突變情況下依然能穩(wěn)定運(yùn)行，且具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

圖11 非理想電網(wǎng)條件下并網(wǎng)電流仿真波形

圖12 并網(wǎng)功率突變時(shí)的動(dòng)態(tài)仿真波形

4 總結(jié)

基于新式七電平并網(wǎng)逆變器，本文提出了一種單相七電平逆變器SVPWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多電平電壓輸出；采用逆變器側(cè)電流反饋控制使并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定；在電流環(huán)中采用PR控制，有效減小了穩(wěn)態(tài)誤差和實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)并網(wǎng)；同時(shí)為了消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響，引入電網(wǎng)電壓的前饋控制。本系統(tǒng)控制方法簡(jiǎn)單可靠，具有很好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，理論分析和仿真結(jié)果均證實(shí)了將該拓?fù)渑c所用控制策略相結(jié)合的優(yōu)越性。

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2015-05-19。

馬蘭珍(1986-)，女，工程師，主要研究新能源發(fā)電及其并網(wǎng)控制技術(shù)，email：mlanzhen1024@163.com。

向立文(1987-)，男，工程師，主要從事通信工程建設(shè)管理工作。

潘春林(1981-)，男，工程師，主要從事高壓技術(shù)試驗(yàn)工作。

陶 冶(1980-)，男，工程師，主要從事高壓技術(shù)試驗(yàn)工作。