T型光伏并網(wǎng)逆變器的七矢量SVPWM策略研究

摘要：針對(duì)兩級(jí)式T 型光伏并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)開路故障后無法實(shí)現(xiàn)裝置并網(wǎng)接入的問題，提出一種七矢量空間矢量脈沖寬度調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）策略，并通過最優(yōu)五段式方法簡(jiǎn)化了冗余矢量運(yùn)算，減少了開關(guān)損耗，提高了直流母線電壓的利用率。最后，搭建了50 kW 兩級(jí)式T 型光伏并網(wǎng)逆變器的電路模型。測(cè)試結(jié)果表明，七矢量SVPWM 策略保證了光伏逆變器具有較低的并網(wǎng)電流諧波含量以及良好的穩(wěn)態(tài)性能，并在三相光伏逆變器任何一相電路發(fā)生開路故障時(shí)仍具備良好的并網(wǎng)接入能力，提高了光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：光伏；并網(wǎng)；逆變；開路故障；SVPWM

中圖分類號(hào)：TM464；TN78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

并網(wǎng)逆變器作為分布式能源與電網(wǎng)接口之間的核心裝置，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制方式引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1-3]。三電平T 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因具有輸出諧波含量低、無源器件少、功率器件所承受電壓應(yīng)力較小、功率損耗分布均勻、逆變效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[1-6]。然而，隨著逆變裝置的電平數(shù)增加以及長(zhǎng)時(shí)間使用，功率器件發(fā)生短路故障或者開路故障的概率逐漸增大[7]。其中，短路故障會(huì)出現(xiàn)大電流，需進(jìn)行停機(jī)保護(hù)操作；而開路故障則可以通過容錯(cuò)控制或調(diào)制策略來維持并網(wǎng)逆變裝置的正常運(yùn)行[2-6]。

張志等[1] 提出一種單載波調(diào)制策略，保證了兩級(jí)式三相T 型光伏并網(wǎng)逆變器的正常運(yùn)行，但是不適合存在開路故障的逆變電路。而九矢量空間矢量脈沖寬度調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）策略適用于存在開路故障的光伏并網(wǎng)逆變電路，以保證逆變裝置的正常運(yùn)行，但是其矢量較多，運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜[2]。周朋飛等[4] 分析了電路中功率器件發(fā)生開路故障后T 型三電平逆變器的拓?fù)渲貥?gòu)以及SVPWM 中存在的冗余矢量，為后續(xù)研究提供了科研分析基礎(chǔ)。張傳金等[5] 提出了一種基于載波調(diào)制的容錯(cuò)控制策略，確保了存在開路故障問題的T 型逆變器可以繼續(xù)正常運(yùn)行，但是輸出并網(wǎng)電流的諧波含量較大，會(huì)出現(xiàn)線路傳輸損耗增加以及威脅電網(wǎng)用戶側(cè)設(shè)備的運(yùn)行等問題。CHOI 等[6]同樣提出一種容錯(cuò)SVPWM 策略以維持開路故障后T 型三電平逆變器的正常運(yùn)行，但是數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，控制器的運(yùn)算負(fù)擔(dān)較重。因此，為了保證開路故障后T 型三電平逆變器可以正常運(yùn)行且并網(wǎng)電流諧波含量低、運(yùn)算簡(jiǎn)單，亟須從控制方法或者調(diào)制策略著手，以提高并網(wǎng)逆變裝置的可靠性。

本文以a 相開路故障后的T 型光伏并網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象，提出一種基于最優(yōu)五段式方法的七矢量SVPWM 策略，減少了冗余矢量的使用，簡(jiǎn)化了冗余矢量運(yùn)算，降低了開關(guān)損耗，保證了T 型逆變器即使出現(xiàn)任何一相開路故障也具備良好的并網(wǎng)接入能力，并通過50 kW 的光伏并網(wǎng)逆變器電路模型驗(yàn)證了所提七矢量SVPWM 策略的可行性和有效性。

1 三相T型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型

1.1 三相T 型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)

圖1 展示了傳統(tǒng)兩級(jí)式T 型光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)生a 相開路故障后的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制，前級(jí)為傳統(tǒng)Boost 電路，主要是為了實(shí)現(xiàn)光伏側(cè)的最大功率跟蹤輸出（maximum power point tracking，MPPT），因此采用了基于擾動(dòng)觀測(cè)法的MPPT 控制方法，將光伏可再生能源轉(zhuǎn)換為電能，并將電能傳輸給后級(jí)逆變側(cè)；后級(jí)為a 相開路故障的三電平T 型并網(wǎng)逆變器，主要功能是將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姴㈦娔芩腿氪箅娋W(wǎng)。針對(duì)后級(jí)a 相開路故障后的三電平T 型并網(wǎng)逆變器，采用了直流母線電壓外環(huán)以及電流解耦內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，并通過基于最優(yōu)五段式方法的七矢量SVPWM 策略使T 型逆變器的開關(guān)器件工作順序最優(yōu)化，簡(jiǎn)化了運(yùn)算，減少了開關(guān)損耗，確保了T 型逆變器在出現(xiàn)任何一相開路故障時(shí)仍具備良好的并網(wǎng)接入能力。其中，PI 為比例—積分控制器；PWM 為脈沖寬度調(diào)制；Lb 為升壓電感；C1 和C2 為直流母線濾波電容；Lg 為并網(wǎng)濾波電感；ea ～ ec 為三相并網(wǎng)電壓；Qb、Qb1 ～ Qb4 和Qc1 ～ Qc4 為絕緣柵雙極晶體管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）功率開關(guān)器件；直流母線參考電壓Udc_ref 設(shè)置為1 200 V，以保證參考電壓矢量在調(diào)制度內(nèi)正常運(yùn)行，實(shí)際直流母線電壓Udc 會(huì)跟隨參考電壓的設(shè)定值；q 軸坐標(biāo)系下的并網(wǎng)無功參考電流iq_ref 設(shè)置為零，以保證逆變器接入電網(wǎng)時(shí)有功功率最大，減少逆變過程中的無功損耗，提高電能轉(zhuǎn)換效率。

1.2 三電平并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

由于電網(wǎng)通常為對(duì)稱的三相三線制，在主電路結(jié)構(gòu)中三電平T 型并網(wǎng)逆變器被視為電壓交流源，理想狀態(tài)下三相電路的瞬時(shí)電壓以及電流之和為零。因此，根據(jù)基爾霍夫電流定理，可得出a 相開路故障后T 型并網(wǎng)逆變器在三相靜止abc 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

式中，ij 為輸出并網(wǎng)電流（j=a、b、c）；t 為時(shí)間；rL 為并網(wǎng)側(cè)電感等效內(nèi)阻；ujo 為各相橋臂輸出電壓；ej 為各相并網(wǎng)電壓。

為了便于反饋閉環(huán)控制環(huán)路的設(shè)計(jì)，故將三相abc 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系下，可得其數(shù)學(xué)模型：

式中，id 和iq 為dq 坐標(biāo)系下的并網(wǎng)電流；ud 和uq為dq 坐標(biāo)系下的T 型逆變器輸出電壓；ω 為逆變器角頻率，ω=100π；ed 和eq 為dq 坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓。

2 七矢量SVPWM算法原理

2.1 開關(guān)狀態(tài)及七矢量SVPWM 圖

在三相電路中，假設(shè)a 相橋臂存在開路故障，則a 相橋臂此時(shí)為開路狀態(tài)，即開關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的矢量全部為O，可忽略a 相矢量以簡(jiǎn)化最終的七矢量名稱。故僅需考慮b 相和c 相橋臂的開關(guān)狀態(tài)，而同一個(gè)橋臂中開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)兩兩互補(bǔ)（Qb1 和Qb3 互補(bǔ)、Qb2 和Qb4 互補(bǔ)、Qc1 和Qc3 互補(bǔ)、Qc2 和Qc4 互補(bǔ)）?；诖?，可推導(dǎo)出a 相開路故障后的三相T 型并網(wǎng)逆變器具有9 種工作狀態(tài)[2]。然而，為了簡(jiǎn)化矢量作用時(shí)間的運(yùn)算，從而減輕控制器運(yùn)算負(fù)擔(dān)，可直接忽略矢量PN 和NP，明確本文所提的七矢量調(diào)制策略。因此，可構(gòu)建7 種開關(guān)狀態(tài)（表1），其中，Sb 與Sc 分別為b 相和c 相電路中IGBT 功率開關(guān)管對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)；uao、ubo、uco 分別為圖1 中點(diǎn)a、b、c 到中心點(diǎn)o 的電壓。

根據(jù)表1 所示的7 種開關(guān)狀態(tài)，可以繪制出七矢量空間電壓矢量圖（圖2），區(qū)域Ⅰ～Ⅵ表示參考電壓矢量Ur 在兩相靜止αβ 坐標(biāo)系下可能坐落的6 個(gè)三角形區(qū)域，每個(gè)三角形區(qū)域由3 個(gè)鄰近的矢量構(gòu)成，即表明參考電壓矢量可由最近3 個(gè)電壓矢量合成且均包含零矢量OO。

2.2 最優(yōu)輸出電壓矢量的作用順序

由于電壓矢量可由鄰近的3 個(gè)電壓矢量合成，根據(jù)圖2 可推導(dǎo)出如表2 所示的最優(yōu)輸出電壓矢量作用順序。從表2 可以發(fā)現(xiàn)，僅有一相電路中的2 個(gè)互補(bǔ)IGBT 功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生一次變化，這樣可有效避免冗余矢量在6 個(gè)區(qū)域之間切換的突變，達(dá)到減少開關(guān)損耗的目的，從而提高整個(gè)并網(wǎng)逆變裝置的效率。因此，以區(qū)域Ⅰ為示例，繪制了如圖3 所示的最優(yōu)五段式輸出電壓矢量時(shí)序圖。

2.3 輸出電壓矢量的作用時(shí)間

在伏秒平衡原理的支撐下，根據(jù)式（3）可推導(dǎo)出區(qū)域Ⅰ中鄰近的3 個(gè)合成電壓矢量的作用時(shí)間。此外，同理可以推導(dǎo)出其他5 個(gè)區(qū)域內(nèi)（區(qū)域Ⅱ～Ⅵ）的合成電壓矢量作用時(shí)間。

式中，Ur 為參考電壓矢量；V1 為電壓矢量OO；V2為電壓矢量ON；V3 為電壓矢量NN；Ts 為開關(guān)周期，Ts=1/fs，fs 為開關(guān)頻率；T0 為電壓矢量OO 作用時(shí)間；T1 為電壓矢量ON 作用時(shí)間；T2 為電壓矢量NN 作用時(shí)間。

通過綜合分析并且利用式（4）推導(dǎo)，可構(gòu)建如表3 所示的6 個(gè)三角形區(qū)域內(nèi)輸出電壓矢量作用時(shí)間，其中，Udc 為直流母線電壓。

式中，θ 為Ur 與橫坐標(biāo)軸α 之間的夾角，且θ 的取值范圍為[0，2π]；Uα 為Ur 在橫坐標(biāo)軸α 上的映射；Uβ 為Ur 在縱坐標(biāo)軸β 上的映射。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提七矢量SVPWM 策略的可行性和有效性，搭建了額定功率為50 kW 的三相兩級(jí)式T型光伏并網(wǎng)逆變器仿真模型測(cè)試樣機(jī)，T 型光伏并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵參數(shù)如表4 所示。

圖4 為a 相并網(wǎng)電壓與三相并網(wǎng)電流波形，其中電網(wǎng)電壓的有效值為220 V、頻率為50 Hz。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，三相逆變器并網(wǎng)電流的正弦化程度較高，且依次相差120°，進(jìn)一步表明了T 型逆變器的輸出三相電流對(duì)稱，并入大電網(wǎng)后不會(huì)造成電網(wǎng)電流的不對(duì)稱或者不平衡且不會(huì)對(duì)其造成沖擊。

當(dāng)光伏T 型逆變器以額定功率工作時(shí)，a 相并網(wǎng)電壓電流波形及a 相電流快速傅里葉變換（fastFourier transform，F(xiàn)FT）分析結(jié)果如圖5 所示。從測(cè)試波形結(jié)果可以看出，a 相的輸出并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，此時(shí)輸出并網(wǎng)電流ia 的峰值為107.2 A，表明此時(shí)三相T 型光伏逆變器向大電網(wǎng)傳輸功率，且傳輸功率為50 kW。此外，在七矢量SVPWM 策略的作用下，a 相并網(wǎng)電流總諧波失真（total harmonic distortion，THD）僅為1.71%，有效地控制了并網(wǎng)電流的諧波含量，并確保了三相T 型光伏逆變器在任何一相開路故障時(shí)仍具備良好的并網(wǎng)接入能力，不會(huì)威脅電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞a 相開路故障的三相兩級(jí)式T 型光伏并網(wǎng)逆變器展開一種基于最優(yōu)五段式方法的七矢量SVPWM 策略研究，僅需利用7 個(gè)冗余矢量，即可實(shí)現(xiàn)逆變以及并網(wǎng)接入的功能。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提七矢量SVPWM 策略的可行性和有效性，其不僅有效簡(jiǎn)化了矢量運(yùn)算，還確保了光伏并網(wǎng)逆變器具有低諧波含量和良好的穩(wěn)態(tài)性能，極大地提高了光伏并網(wǎng)逆變裝置的可靠性。

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