三電平光伏并網(wǎng)逆變器共模電壓SVPWM抑制策略研究

目前, 多電平變流器以其突出的優(yōu)點在高壓大功率變流器中得到了日益廣泛的應(yīng)用,它不僅能減少輸出波形的諧波，也易于進行模塊化設(shè)計[1, 2]。二極管中點箝位式(NPC)三電平拓撲結(jié)構(gòu)即是高壓大功率變頻器的主流拓撲結(jié)構(gòu)之一[3] 。然而在三電平變流器的應(yīng)用中, 也出現(xiàn)了一些問題，特別是共模電壓問題。目前，變頻器共模電壓的抑制方法主要有兩種：一是外加無源濾波器等，或有源濾波器[4-6]，這類方法會導(dǎo)致體積和成本顯著增加，且不易應(yīng)用于高壓大容量場合;二是通過控制策略從源頭減小共模電壓，文獻[7]、[8]提出一種SPWM消除共模電壓的調(diào)制方法。該方式是通過異相調(diào)制來消除開關(guān)共模電壓,但是存在直流電壓利用率低、線性調(diào)制區(qū)過小的問題。

針對SPWM調(diào)制的電壓利用率低、不利于運用于各種調(diào)制比工況下的缺點，本文從三電平逆變器共模電壓形成機理出發(fā)，提出了一種基于優(yōu)化電壓空間矢量(SVPWM)方法, 可有效抑制三電平逆變器輸出共模電壓。并通過Matlab/Simulink軟件對該方法進行了仿真驗證, 結(jié)果表明效果良好。

2 光伏三電平逆變器及其共模電壓

本文研究的三電平光伏逆變器系統(tǒng)如圖1所示。其輸入為光伏陣列的直流電壓，逆變器主拓撲為NPC三電平結(jié)構(gòu)。設(shè)直流母線電壓的幅值為Vdc,用開關(guān)狀態(tài)字“1”,“0”和“-1”分別表示逆變器每相輸出為+Vdc/2、0和-Vdc/2的三種狀態(tài),則三相三電平逆變器總共有27種不同的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)幅值和相位可以畫出三電平逆變器的電壓空間矢量圖，具體如圖2所示。

對于三電平逆變器而言, 必須保證輸出電壓的基波分量幅值與輸出頻率成一定的正比關(guān)系變化, 其共模電壓的計算與它們的觸發(fā)方式有關(guān)。設(shè)Ua、Ub、Uc分別為逆變器的三相相電壓。根據(jù)三相三線制的對稱性原理, 推得三相輸出電壓波形的共模電壓為：

(1)

因而，對應(yīng)三相三電平每一種開關(guān)序列的共模電壓大小如表1所示。

通常的空間矢量調(diào)制策略都會使用圖2中所記載的19種有效矢量，以達到直流母線電壓利用率高，輸出諧波小。但是會帶來較大的輸出共模電壓，最高VCM幅值會達到了Vdc/3。圖3顯示的是母線電壓Vdc=600V時，一種普通SVPWM產(chǎn)生的共模電壓最大幅度達到了200V, 這樣大的共模電壓會對系統(tǒng)造成很大的不利影響。

圖3 普通SVPWM下共模電壓波形

3 抑制共模電壓SVPWM原理

從表1中的27種狀態(tài)可以看出, 對于可控的PWM輸出波來講, 其輸出共模電壓的幅值在0Vdc～Vdc/2之間變化。欲減小共模電壓，應(yīng)盡量不使3個輸出端與同一“+”極性端或“-”極性端連接, 避免2個端子一起接到“+”極性端或“-”極性端，而另一個端子接到直流中性點, 如使用表中D類的7個狀態(tài)字, 此時逆變器的輸出共模電壓為0，但不能只選用D類矢量，因為那樣雖能很好的抑制共模干擾，但卻因為少的合成矢量會造成參考電壓過渡不平滑，使得逆變器輸出線線間電壓波形變差，因此需要均衡考慮共模差模問題。本文所研究的SVPWM算法中，就是選擇合理輸出共模電壓較小的矢量來合成參考電壓矢量。由表1可見(111,-1-1-1)，(110,101,011, 0-1-1,-10-1,-1-10)八個開關(guān)狀態(tài)造成了很大的共模干擾，因此，本研究就避開這八個開關(guān)狀態(tài)(即圖2中方框中的矢量)，這樣就能從源頭上降低逆變器的共模輸出電壓。

本文具體采用CDE三類矢量，這樣，理論上即可以把逆變器輸出共模電壓幅值降為Vdc/6。然而可用矢量的減少使得無法采用傳統(tǒng)的七段式脈沖觸發(fā)序列，因此，本策略采用五段式脈沖觸發(fā)序列。

基于以上分析，可依據(jù)下列步驟實現(xiàn)SVPWM算法：

① 確定當(dāng)前矢量的幅值和角度;

② 判斷參考矢量所處的扇區(qū)及區(qū)域;

③ 確定構(gòu)成該矢量的實際開關(guān)矢量;

④ 確定開關(guān)矢量的作用時間及工作順序。

具體矢量計算方法見文獻[3]，本文以圖4Ⅰ扇區(qū)F區(qū)為例，在F區(qū)中各矢量持續(xù)時間為：

(2)

式2中：ta，tb，tc分別表示矢量V1、V8、V7在一個PWM周期內(nèi)的持續(xù)時間; ;A為輸出電壓調(diào)制比;Ts為開關(guān)周期。開關(guān)變換次序為(100，10-1，1-1-1，10-1，100)，考慮共模電壓抑制后的輸出矢量時序如圖5所示。對于該扇區(qū)的其它小三角形，按照以上過程，確定矢量作用順序，計算三角形頂點開關(guān)矢量作用時間。同理，可以計算出其他扇區(qū)內(nèi)各三角形頂點開關(guān)矢量作用時間。

4 仿真驗證和分析

根據(jù)三電平NPC逆變器數(shù)學(xué)模型和控制策略，驗證本文提出的三電平空間矢量調(diào)制算法及其共模電壓抑制策略的有效性，針對三相電網(wǎng)負載進行了仿真研究，使用的是MATLAB7.0。以Simulink為平臺，SimPower System工具箱為輔助?？紤]到用最短的時間得到結(jié)論，模塊中的控制算法用基于解釋的S文件實現(xiàn)。

三電平五段法在每個采樣周期內(nèi)有一相開關(guān)不動作，比三電平七段法減少了每個采樣周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)，從而減小了開關(guān)損耗，提高了效率。由于在一個開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)減少了，逆變輸出電壓(電流)的THD有所增大，這就對控制器參數(shù)和輸出濾波器的設(shè)計有了更高的要求。

圖6為NPC三電平逆變器的總體結(jié)構(gòu)框圖，其中Three-level Bridge為NPC逆變器主拓撲，Three-phase V-I Measurement為主測量模塊，SVPWM模塊負責(zé)產(chǎn)生PWM波。

圖6 NPC三電平仿真模型

仿真參數(shù)和試驗波形如下：電網(wǎng)參數(shù)：Em=200V，f=50Hz;濾波電感：LS=1.28mH。直流母線電壓Vdc=600v。開關(guān)頻率fS=10kHz，采樣頻率fN=10kHz。圖7至圖10為仿真試驗結(jié)果波形圖。對三相輸出的相電壓和線電壓的頻譜進行分析，線電壓的THD為1.25%，經(jīng)輸出電感濾波后得到正弦波幅值為311.4V, THD下降到0.27%，如圖8所示。相電壓的THD為23.96%，主要表現(xiàn)為3次諧波，與普通SVPWM/控制策略下輸出相電壓(圖9)相比較可知，諧波含量還略有下降。

圖10為采用優(yōu)化SVPWM 算法后的共模電壓仿真波形。從圖中可以明顯看出，該方法可將共模電壓完全抑制到直流電壓的1/6，為100V。

圖10 輸出共模電壓波形

5 結(jié)束語

本文提出了一種簡略矢量選擇的SVPWM 方法，通過特定的矢量合成算法，將共模電壓抑制到其直流母線電壓的1/6。分析和仿真表明, 該方法可以將共模電壓幅值抑制到普通SVPWM算法的1/2，即Vdc/6，克服了目前一些SPWM方法的缺陷。此外, 本方法用軟件實現(xiàn), 無需增加硬件成本, 不僅對其它領(lǐng)域三電平逆變器控制設(shè)計有良好參考意義，也具有廣闊的應(yīng)用價值。