三電平DPWM光伏逆變器的中點平衡控制

龔仁喜，鐘榕蓉，劉　暢，彭立亮

(廣西大學 電氣工程學院， 南寧　530004)

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三電平DPWM光伏逆變器的中點平衡控制

龔仁喜，鐘榕蓉，劉暢，彭立亮

(廣西大學 電氣工程學院， 南寧530004)

傳統(tǒng)中點平衡控制方法運用在三電平DPWM(discontinuous pulse-width modulation)逆變器中會打亂DPWM的箝位區(qū)域，從而使DPWM策略失效。針對該問題提出了一種新的中點平衡控制方法。此方法在中點電位波動大于正限值時將距離負電平最近的一相箝位于負電平，在小于負限值時將距離正電平最近的一相箝位于正電平，由此推算出調(diào)中點電位時刻應(yīng)注入調(diào)制波的零序電壓分量。搭建Simulink模型及由DSP控制器和Q8構(gòu)成的半實物仿真實驗平臺，對所提算法分別進行了離線仿真及硬件在環(huán)(hardware-in-the-loop,HIL)仿真實驗，證明了所提算法的可行性及有效性。此方法能簡單有效地控制中點電位平衡，無需在每個載波周期都進行復雜的計算即可達到控制目的，同時能確保DPWM低開關(guān)損耗的特性。

中點平衡控制；不連續(xù)脈寬調(diào)制；三電平逆變器；硬件在環(huán)仿真

二極管箝位式電路拓撲(NPC)是運用最為廣泛的多電平并網(wǎng)逆變器拓撲。相比傳統(tǒng)兩電平逆變器，NPC逆變器具備du/dt、總諧波畸變率(THD)小、器件電壓應(yīng)力低的優(yōu)點，所以更適用于中高壓大功率電能變換和交流驅(qū)動場合[1-2]。隨著光伏電站功率的不斷攀升[3]，NPC逆變器將逐漸成為大中型并網(wǎng)光伏逆變器的主流結(jié)構(gòu)。

在電力變換系統(tǒng)中，器件損耗(包括導通損耗和開關(guān)損耗)是影響系統(tǒng)效率至關(guān)重要的一環(huán)，而變換器的開關(guān)損耗與具體的調(diào)制方式有很大關(guān)系，改進調(diào)制方式可以在一定程度上減小開關(guān)損耗。為此，有學者提出了不連續(xù)脈寬調(diào)制(discontinuous pulse width modulation，DPWM),將每個開關(guān)周期的開關(guān)次數(shù)降低到連續(xù)調(diào)制(continuous pulse width modulation， CPWM)時的2/3，大大地降低了開關(guān)損耗。相較于CPWM，在開關(guān)頻率相同情況下，DPWM可使開關(guān)損耗降低1/3[4]。在中高壓功率變換要求開關(guān)頻率較低的場合，若保證與CPWM相同的開關(guān)損耗，DPWM可將開關(guān)頻率提高50%，因而可降低濾波器設(shè)計難度和成本，減小體積，同時提升系統(tǒng)動態(tài)性能。近年來，越來越多的研究將DPWM運用到三電平的功率變換器中[5-10]。

雖然將三電平DPWM運用到NPC光伏逆變器中既能提高系統(tǒng)效率又可改善系統(tǒng)性能，但其固有的中點電位不平衡問題仍然存在，若不加以控制，會對輸出電壓及電流產(chǎn)生較嚴重的負面影響[11]。目前， 基于CPWM的NPC逆變器中點平衡方法主要有2種：載波CPWM逆變器采用向原始調(diào)制波注入零序分量的方法[12-13]；空間矢量CPWM逆變器多使用調(diào)節(jié)平衡因子的方法[14-16]。兩種方法的本質(zhì)相同，即都是通過調(diào)節(jié)每個開關(guān)周期內(nèi)冗余正負小矢量的作用時間以達到中點平衡控制的目的。近年，也陸續(xù)有新方法被提出，例如：文獻[16]提出了變虛擬空間矢量方法，通過正負小矢量作用時間及虛擬中矢量產(chǎn)生的電流控制中點電位；文獻[17]提出了模型預測控制方法，通過優(yōu)化預測電流與參考電流之間的平方差及中點電位的偏差值構(gòu)成的性能指標函數(shù)來控制中點電位，具備較快的動態(tài)響應(yīng)速度。

然而，上述方法都是在CPWM基礎(chǔ)上提出的，若將方法移植到DPWM中，由于DPWM的箝位特性，并不能取得好的效果，甚至會打亂其箝位特性，從而導致DPWM失去其開關(guān)損耗低的優(yōu)勢。針對DPWM變換器的中點電位平衡控制，文獻[3]指出：某些扇區(qū)內(nèi)相電流很小，因而開關(guān)損耗很小，可采用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)正負小矢量作用時間的方法調(diào)節(jié)中點電位，而余下扇區(qū)則可采用DPWM策略且不對中點電位進行控制，但并未提及基于DPWM特性的有效中點平衡控制方案。文獻[7]提出：在每個開關(guān)周期交替注入兩路對中點電位影響相反的零序電壓的辦法，但該方法本質(zhì)上仍采用兩電平的DPWM策略，且在調(diào)節(jié)中點電位期間增加了開關(guān)動作，并不能很好地發(fā)揮DPWM低損耗的特性。總體而言，迄今為止基于DPWM的中點電位平衡控制方法鮮有研究成果呈現(xiàn)。

1　三電平NPC逆變器的不連續(xù)脈寬調(diào)制

1.1三電平DPWM

本文將三電平NPC光伏逆變器作為研究對象，電路拓撲如圖1所示。在光伏逆變器中，通常要求運行在單位功率因數(shù)，因此本文的分析基于功率角為0，且假設(shè)輸出濾波電感足夠小，以使逆變器的并網(wǎng)電壓電流同相。三電平逆變器每相輸出Udc/2，0，-Udc/2這3種電平，分別用1，0，-1共3個狀態(tài)表示，三相的開關(guān)狀態(tài)組合構(gòu)成了27個空間矢量，如圖2所示。

圖1　三電平NPC光伏逆變器主電路拓撲

圖2　三電平空間矢量

圖3　DPWMA箝位區(qū)域(1XX表示A相箝位于正電平)

A相原始調(diào)制波添加Vz后波形如圖4所示。任意相在每個基波周期內(nèi)都存在箝1，0，-1的區(qū)域，每一時刻只有其中一相箝位，隨著調(diào)制度M的變化，1，0，-1所占比例也會發(fā)生變化。

圖4　DPWMA的調(diào)制波(M=0.9)

1.2DPWM下的中點電位不平衡問題分析

Udc2,Udc1,vo,io分別為直流側(cè)上下電容電壓、中點電位及中點電流，并定義流出O點的電流方向為正方向，如圖1所示，且

(2)

分析圖5和表1可知：零矢量、大矢量不產(chǎn)生流過中點O的電流，不影響中點電位vo；正小矢量產(chǎn)生流入O點的電流，導致vo升高；負小矢量產(chǎn)生流出O點的電流，導致vo降低；中矢量產(chǎn)生的電流等于某相電流，此電流既可能流入也可能流出O點，所以vo既可能升高也可能降低，視合成參考矢量所處扇區(qū)而定。

與CPWM不同，DPWMA在每個載波周期內(nèi)僅采用冗余小矢量對中的1個(表1帶下標的小矢量為DPWMA策略下摒棄的小矢量)。

圖5　不同開關(guān)狀態(tài)對中點電位的影響

矢量幅值開關(guān)狀態(tài)中點電流io0矢量0[000][111][-1-1-1]0小矢量Udc3正負正負[100][0-1-1]-iaia[110][00-1]ic-ic[010][-10-1]-ibib[011][-100]ia-ia[001][-1-10]-icic[101][0-10]ib-ib中矢量3Udc3[10-1][-101]ib[01-1][0-11]ia[-110][1-10]ic大矢量2Udc3[1-1-1][11-1][-11-1][-111][-1-11][1-11]0

接下來分析DPWMA策略下的vo波動情況。以圖3的第I扇區(qū)為例，將其劃分為4個小扇區(qū)。在1、2扇區(qū)(0°～30°)，正小矢量[100]和中矢量[10-1]作用產(chǎn)生的中點電流io分別為-ia和ib(ia>0，ib<0)，則每個載波周期內(nèi)io平均效果為負，即電流流入中點O，從而使vo升高；在3、4扇區(qū)(30°～60°)，負小矢量[00-1]和中矢量[10-1]作用產(chǎn)生的io分別為-ic和ib(ic<0，ib>0)，則扇區(qū)內(nèi)的每個載波周期內(nèi)io平均效果為正，即電流流出中點O，從而使vo降低。

合成參考矢量進入第II扇區(qū)后，情況類似。當參考矢量旋轉(zhuǎn)1個基波周期后，vo形成了頻率3倍于基頻的振蕩，如圖6所示。當6個大扇區(qū)的平均電流絕對值不相等時，會產(chǎn)生vo偏移。隨著時間的推移偏移量變大。長時間的持續(xù)偏移將導致直流側(cè)上下電容的嚴重不均壓，如圖7所示。

中點平衡的控制目標即消除圖7的直流偏移，并盡量減小圖6的3倍頻波動幅值。

2　DPWM下的中點電位平衡控制

2.1傳統(tǒng)中點平衡控制方法在DPWM中的局限

在CPWM逆變器中，通過注入零序分量Vz的方法調(diào)節(jié)中點電位。注入Vz后會改變正負小矢量的作用時間，如圖8所示。若中點電位vo過大，則可向調(diào)制波中注入負的零序電壓Vz。注入Vz后，正小矢量[110]作用時間減小，負小矢量[00-1]的作用時間增大，可達到降低vo的控制目的。

圖6　vo的3倍基頻振蕩

圖7　vo的直流偏移

若將傳統(tǒng)中點平衡方法移植到DPWM中，假設(shè)某一時刻B相箝位在0電平時(圖3中第I大扇區(qū)的第2小扇區(qū))，vo超出正限值，此時需要注入負的Vz以降低vo。注入Vz后，開關(guān)序列將從DPWM的5段式退化為CPWM的7段式，失去了DPWM的低損耗特性。

由于DPWM中每個載波周期只使用一對冗余小矢量當中的1個，而無法像傳統(tǒng)CPWM那樣通過調(diào)節(jié)1個載波周期內(nèi)的正負小矢量作用時間來達到調(diào)節(jié)中點平衡的目的，因此傳統(tǒng)的中點平衡控制方法不適用于DPWM逆變器。

2.2基于DPWM的中點電位平衡策略

通過上文分析可知：正小矢量令vo增大，負小矢量令vo降低。為此，本文提出一種可稱為箝位法的中點電位調(diào)節(jié)方法：若vo大于正限值，將某相箝位于-1電平使負小矢量作用時間增加，從而降低vo；若vo小于負限值，將某相箝位于+1電平使正小矢量作用時間增加，從而提高vo。原理如圖9所示，vo會在合成參考矢量從第I大扇區(qū)的小扇區(qū)2過渡到小扇區(qū)3時達到正向峰值。若期間vo大于系統(tǒng)允許的最大中點電位值時，可將C相(從圖9可知，此時C相是距離-1電平最近的相)箝位在-1電平，開關(guān)序列由[10-1] [100] [000] [100] [10-1]變?yōu)閇1-1-1] [10-1] [00-1] [10-1] [1-1-1])，負小矢量[00-1]的占空比較大，可以有效地在短時間內(nèi)降低vo且不增加開關(guān)動作次數(shù)，確保了DPWM的低損耗特性。相反，當某個時刻vo的值小于系統(tǒng)允許的最小中點電位值時，可將三相中距離+1電平最近的一相箝位在+1電平，以增加正小矢量的作用時間。

圖8　傳統(tǒng)中點電位平衡策略原理

上述中點電位平衡方法是在空間矢量的基礎(chǔ)上進行的分析，為通過載波實現(xiàn)所提算法，將各扇區(qū)的中點平衡控制作對比發(fā)現(xiàn)，僅需向三相調(diào)制波中注入式(3)的零序分量：

(3)

Δ為根據(jù)直流母線電壓及其他逆變器性能指標所設(shè)定的中點電位閾值。

算法的流程如圖10所示。

圖9　箝位法調(diào)節(jié)中點電位原理

圖10　箝位法調(diào)節(jié)中點電位流程

算法步驟：

1) 按式(2)檢測中點電位vo；

2) 若vo<-Δ或vo>Δ，按式(3)計算Vz；

3) 若-Δ≤vo≤Δ，按DPWMA規(guī)則計算Vz；

3　離線及硬件在環(huán)仿真驗證

3.1離線仿真

為了驗證所提方法的準確性及有效性，搭建單級式三電平NPC光伏逆變系統(tǒng)的Simulink仿真模型，及由Q8和DSP控制器構(gòu)成的硬件在環(huán)仿真實驗平臺分別進行離線仿真及硬件在環(huán)仿真驗證，所涉及的主要參數(shù)見表2。

表2　相關(guān)參數(shù)

圖11是未進行中點電位平衡調(diào)節(jié)的相關(guān)波形?？梢娚舷码娙蓦妷浩鹗紩r刻存在40 V電壓差(即vo=-40 V)，且經(jīng)過長時間后此電壓差并未消除。

圖11　未調(diào)節(jié)中點電位

圖12是將論文[8]所提的傳統(tǒng)中點平衡方法用到DPWMA中的仿真結(jié)果。與圖4相比，調(diào)制波的箝位特性遭到破壞，增加了大量的開關(guān)動作。此外，逆變器的共模電壓增大、輸出諧波含量增加，系統(tǒng)的控制性能下降。由此驗證了傳統(tǒng)中點平衡控制方法不適用于DPWM逆變器的結(jié)論。

圖12　采用傳統(tǒng)中點平衡控制方法

圖13是采用所提中點電位平衡策略后的相關(guān)波形，設(shè)置閾值Δ=12 V。對比圖11，圖13(a)的三相調(diào)制波起始的幾個周期中存在短暫的調(diào)節(jié)中點電位區(qū)域，0.07 s后，vo穩(wěn)定；圖13(b)中的上下電容電壓不再有直流偏差。

圖13　采用所提中點平衡控制方法

3.2硬件在環(huán)仿真

為了進一步驗證算法的實用性，本文搭建了Q8+DSP的硬件在環(huán)實驗平臺。Q8全稱為Quanser8 Hardware in the Loop Board，通過識別光伏逆變系統(tǒng)的主電路Simulink模型作為虛擬的被控對象。DSP作為控制器采集Q8輸出的相關(guān)電壓電流信號進行計算，并向Q8輸出12路DPWM波信號控制功率管的通斷。DSP控制器的型號為TMS320F28335。HIL仿真實驗平臺的系統(tǒng)框圖如圖14所示。

圖14　Q8+DSP硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)框圖

用示波器觀測到的實驗波形如圖15所示。

圖15　中點電位vo的調(diào)節(jié)效果

由圖15可知：在調(diào)節(jié)中點電位前，vo不穩(wěn)定，存在與圖7仿真結(jié)果相似的直流偏移及較大的峰峰值(最大達32 V)；調(diào)節(jié)中點電位后(設(shè)置閾值Δ=8 V)，vo的直流偏移得以消除，峰峰值為16 V左右。

4　結(jié)束語

本文所提方法能簡單有效地調(diào)節(jié)中點電位平衡，不影響DPWM的低開關(guān)損耗優(yōu)勢。理論上可將閾值設(shè)置得盡量小，以減小vo的低頻(3次)波動幅值，但如此會造成中點電位調(diào)節(jié)時間在一個基波周期內(nèi)的比重過大，從而增加共模電壓。因此，采用DPWM無法做到完全消除中點電位的低頻波動。但在工程運用中，只需消除vo的直流偏移，同時將低頻波動的幅值限制在直流母線電壓的5%以內(nèi)即可滿足工程需求。本文所提方法能滿足此要求。

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(責任編輯楊黎麗)

Neutral-Point Potential Balancing Control of Three-Level Discontinuous PWM PV-Inverters

GONG Ren-xi, ZHONG Rong-rong, LIU Chang, PENG Li-liang

(College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

To solve the problem that the DPWM’s advantage of low switching losses will be destroyed when traditional neutral-point potential balancing methods are applied in DPWM inverters, a new balancing method was developed. The proposed method was implemented by clamping one phase-leg to negative DC-bus when the potential is higher than the positive limit, or positive DC-bus when the potential is lower than the negative limit, according to which the zero-sequence voltage was calculated to balance the neutral-point potential. Then, a Simulink model and a hardware-in-the-loop (HIL) testing platfrom composed of a Q8 model and a DSP controller were built, whose simulation and experiment results were verified the validity and feasibility of the proposed method. This method maintains low switching losses of DPWM and balances the neutral-point potential effectively and more simply, without extra complex calculations in every period of carrier-wave like the traditional method.

neutral-point potential balancing; DPWM; three-level inverters; HIL simulation

2016-03-28

國家自然科學基金資助項目(61561007)

龔仁喜(1962—)，男，廣西桂林人，教授，博士生導師，主要從事電力電子技術(shù)及應(yīng)用、智能檢測技術(shù)研究，E-mail:rxgong@gxu.edu.cn；鐘榕蓉(1987—)，女，廣西南寧人，碩士研究生，主要從事新能源電力變換研究。

format：GONG Ren-xi, ZHONG Rong-rong, LIU Chang, et al.Neutral-Point Potential Balancing Control of Three-Level Discontinuous PWM PV-Inverters[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):87-94.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.014

TP23

A

1674-8425(2016)09-0087-08

引用格式：龔仁喜，鐘榕蓉，劉暢，等.三電平DPWM光伏逆變器的中點平衡控制[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(9):87-94.