三電平光伏逆變器的新型控制策略研究

摘要：光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，對光伏逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)至關(guān)重要，它的效率高低直接影響著整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的效率。從電氣安全的角度考慮，逆變器需要采用三相四線制接線方式。文章針對這種三相四線制三電平光伏逆變器提出一種基于DSP2812的新型的控制方法。
關(guān)鍵詞：光伏逆變器；最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)；三相四線；三電平；DSP2812

0 引言
三電平光伏逆變器技術(shù)經(jīng)歷了一段發(fā)展歷程，首先在1977年，德國學(xué)術(shù)家Holtz第一次提出了三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用兩電平電路作為主電路，將主電路中每相橋臂的一對開關(guān)管作為輔助中點(diǎn)進(jìn)行箝位。1980年，日本長岡科技大學(xué)A，Nabae等人將輔助開關(guān)管替換成一對箝位二極管，并分別和上、下橋臂串聯(lián)的開關(guān)管相連以輔助中點(diǎn)箝位，稱為二極管中點(diǎn)箝位式(Neutral Point Clamped，NPC)三電平變換器。在1983年，Bhagwat和Stefanovic將日本學(xué)家提出的三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推廣到多電平的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步鞏固了NPC結(jié)構(gòu)的多電平模式。而目前三電平逆變器電路結(jié)構(gòu)主要有三種：1)中點(diǎn)箝位三電平逆變器；2)飛跨電容多電平逆變器；3)多單元串聯(lián)多電平逆變器，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在控制策略上的研究都相對成熟。

1 三電平光伏逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
三電平光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種：IGBT直接串聯(lián)電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電流源型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)箝位型三電平PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1．1 IGBT直接串聯(lián)電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)簡單，逆變效率能到到98％，動(dòng)態(tài)性能良好，對電機(jī)絕緣無影響，并且體積小、重量輕。但是這種結(jié)構(gòu)電路在電網(wǎng)側(cè)沒有輸入變壓器，6脈沖整流電路諧波大，在逆變過程中du／dt比較大，需要采取緩沖電路來加以解決。主要運(yùn)用在起重機(jī)械、軋機(jī)、電力機(jī)車牽引、風(fēng)機(jī)、船舶主傳動(dòng)、水泵和壓縮機(jī)等。
1．2 電流源型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
輸出頻率可以到220 Hz；電機(jī)損耗小，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；電路可靠性比較高。但是此電路不適宜在弱磁下運(yùn)行，運(yùn)行過程中也會產(chǎn)生比較大的共模電壓，電動(dòng)機(jī)的絕緣性能受到影響。此電路主要運(yùn)用在鍋爐給水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等場合。
1．3 中性點(diǎn)箝位型三電平PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
這種電路利用二極管箝位開關(guān)實(shí)現(xiàn)直流分壓。在整流器上采用12個(gè)二極管，逆變器采用三電平PWM逆變結(jié)構(gòu)。功率器件采用耐高壓的IG BT或者IGCT。使得電路電器的數(shù)目減少，結(jié)構(gòu)簡化很多，體積縮小很多，降低了成本。其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

此電路結(jié)構(gòu)輸出頻率高、過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、對電機(jī)絕緣無影響、電纜長度無限制、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低、噪聲小；但是采用的GTO或IGCT等大功率器件，必須配置復(fù)雜的緩沖電路，結(jié)構(gòu)變復(fù)雜了，并且不可控的二極管整流器能夠單象限運(yùn)行，但是要實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行必須采取額外的措施，都給電路搭建增加了難度。
這種電路主要應(yīng)用在傳送帶驅(qū)動(dòng)、軋機(jī)、擠壓機(jī)、礦石粉碎機(jī)、風(fēng)機(jī)水泵、窯傳動(dòng)等。

2 三電平光伏逆變器的傳統(tǒng)控制策略
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中采取先進(jìn)的控制技術(shù)能夠有效地改善系統(tǒng)的效率。隨著當(dāng)前電力電子器件的高頻化和微處理器運(yùn)算速度的提高，特別是現(xiàn)在高性能數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn)，使得一些控制策略應(yīng)用到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)成為可能。
傳統(tǒng)的三電平光伏逆變器控制方法有四種：1)電壓源電壓控制；2)電壓源電流控制；3)電流源電壓控制；4)電流源電流控制。
市電系統(tǒng)我們認(rèn)為是一個(gè)無窮大的電容，看成一個(gè)定值交流電壓源，如果光伏逆變器的輸出運(yùn)用電壓控制方法，這時(shí)候就等效為兩個(gè)電壓源并聯(lián)運(yùn)行的情況，要想保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，則需要采用鎖相控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的電壓頻率、相位和電網(wǎng)電壓是同步的，可以通過改變光伏逆變器的電壓大小和相移來控制發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出。但是加入鎖相技術(shù)后就會使得整個(gè)電路回路響應(yīng)變慢、逆變器輸出很難精確控制，算法也很復(fù)雜。因此現(xiàn)階段，大都采用的是電壓源輸入、電流數(shù)輸出的控制方法。當(dāng)逆變器輸出采用電流源控制時(shí)候，我們只需要控制逆變器的輸出電流來跟縱并網(wǎng)系統(tǒng)電壓相位和頻率，就可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。

3 新型的三電平光伏逆變器控制策略
基于數(shù)據(jù)處理精度和對算法的要求，我們采用TI公司生產(chǎn)的性能數(shù)字信號處理器TMS320LF2812A來對三電平光伏逆變器的算法進(jìn)行控制，在傳統(tǒng)的三相三線三電平逆變器上加一條中性線構(gòu)成四線制，達(dá)到更好的效果。

圖1三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖本電路采用雙級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級采用Boost升壓電路，將光伏電池電壓升壓后作為直流母線電壓為后級光伏逆變器提供輸入電壓，同時(shí)完成光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制。從圖1看出，太陽能電池接到正負(fù)極之間，輸入濾波電容Cb采用電解電容。在光伏逆變器部分并聯(lián)兩個(gè)電容，接于直流母線兩端，起均壓作用。每相橋臂都有四個(gè)IGBT，每個(gè)IGBT兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管D。每相橋臂的中點(diǎn)都引出A、B、C三相線，經(jīng)過電阻R和電感L接到電網(wǎng)系統(tǒng)ea、eb、ec，每個(gè)橋臂還各有兩個(gè)箝位二極管串聯(lián)接在上下開關(guān)管之間，箝位二極管的中點(diǎn)與直流母線兩側(cè)的串聯(lián)電容中點(diǎn)相連接在電網(wǎng)的中性點(diǎn)，形成中性線。
從原理圖1，由DSP2812芯片控制器來檢測PV陣列的輸出電壓、電流、電網(wǎng)系統(tǒng)的三相電壓和逆變器輸出的三相電流，并編程進(jìn)行控制算法的計(jì)算，為Boost升壓電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路提供脈沖信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷，控制整個(gè)電路的工作。
圖示為三相四線制的逆變器接線圖，相比三相三線制，多了一條中性線，流過中性線的電流是三倍的零序電流。逆變器輸出既可以接平衡的三相負(fù)載，也可以接單相負(fù)載。有其等效關(guān)系：