基于Simulink的多電平二極管NPC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)專用SVPWM電流控制技術(shù)

　　摘要

　　現(xiàn)代世界對環(huán)境友好型解決方案的持續(xù)關(guān)注促使多數(shù)公司重新思考其戰(zhàn)略，設(shè)計新型或改進型方法和產(chǎn)品。發(fā)電工業(yè)也不例外，在該領(lǐng)域，太陽能和風(fēng)能一直是用于發(fā)電的綠色能源的排頭兵。鑒于這些綠色能源大都多變不穩(wěn)定，業(yè)界一直在改進利用它們發(fā)電的方法，其中一個基本要點就是提高直流(dc)與交流(ac)之間的能源轉(zhuǎn)換效率，以減少發(fā)電損失。為此，業(yè)界設(shè)計了采用改進型逆變器(尤其是中性點鉗位(NPC)逆變器)的方法，并在太陽能和風(fēng)能發(fā)電廠進行了部署。NPC用于光伏(PV)面板上，相比其他方法擁有多種優(yōu)勢，但在幾個方面還有改進余地。事實表明，增加其電平數(shù)，實施更復(fù)雜的控制方法，采用更快的功率控制環(huán)路，在逆變器的實現(xiàn)中都是有必要的。

　　簡介

　　電能轉(zhuǎn)換是現(xiàn)代世界的一項持續(xù)需求。交流電源需要持續(xù)整流才能驅(qū)動電子設(shè)備和電池，而直流電源(如電池),當(dāng)電網(wǎng)故障時，則必須立即轉(zhuǎn)換成交流電，以便為與其相連的設(shè)備供電。

　　另外，全球持續(xù)關(guān)注環(huán)保型清潔發(fā)電解決方案，發(fā)電資源存在匱乏或周期性問題，以及為呈指數(shù)級增長的人口供電時存在地理制約因素，在這些背景下，人們采用了替代傳統(tǒng)發(fā)電法的綠色能源發(fā)電法，這些綠色能源主要是太陽能和風(fēng)能。這種發(fā)電方法實際上不會耗盡任何資源，而且?guī)缀蹩梢栽谌魏蔚胤讲渴稹?/p>

　　然而，環(huán)境友好型發(fā)電方法依賴于太陽、風(fēng)等多變的資源——因此，一個重要的改進方法就是提高其效率。另外，用電負載的變化以及系統(tǒng)中無功功率的影響(會產(chǎn)生諧波)會降低配電網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和可靠性。結(jié)果，多數(shù)公司不得不重新思考其產(chǎn)品、政策和規(guī)劃，以達到現(xiàn)代世界的預(yù)期和標(biāo)準(zhǔn)。

　　事實上，由于綠色發(fā)電所需資源與自然相關(guān)，不受控制，人們對電網(wǎng)電能的使用也不受控制，因此這些公司始終側(cè)重于改進其技術(shù)，尤其是提高發(fā)電和用電效率。

　　有鑒于此，運用于光伏面板和風(fēng)力渦輪機的新方法和改進型方法都處于不斷變化之中。這一過程的基礎(chǔ)是將產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，使其能成為主要能源。事實上，這一過程是由逆變器實現(xiàn)的，逆變器主要負責(zé)電網(wǎng)同步和能量轉(zhuǎn)換。因此，通過改進該系統(tǒng)，可以提高效率，對客戶來說，提高了性價比。

　　有多種逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，有離網(wǎng)逆變器和連網(wǎng)逆變器，有基于變壓器的逆變器和無變壓器的逆變器，還有開環(huán)型逆變器和閉環(huán)型逆變器。這些拓撲結(jié)構(gòu)也可能有不同的電平數(shù)，結(jié)果會影響到逆變器的分辨率和開關(guān)模式。另外，這些設(shè)置決定著尺寸、重量、價格、復(fù)雜度、工作方式、諧波產(chǎn)生情況、利用率、效率等參數(shù)，對最終產(chǎn)品有著直接的影響。

　　在無變壓器的光伏逆變器中，主要有兩個轉(zhuǎn)換器系列，分別為半橋(或全橋)系列和中性點鉗位(NPC)系列。除了經(jīng)典實現(xiàn)方式以外，這兩個系列在規(guī)格和特性方面都存在若干差異，使其更適合特定應(yīng)用。

　　在逆變器以外，必須實現(xiàn)一種調(diào)制技術(shù)以便對逆變器的轉(zhuǎn)換進行調(diào)制。有多種脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)可以用于逆變器和電機驅(qū)動器，包括正弦脈沖調(diào)制(SPWM)、空間矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM)、相移PWM和部分諧波消除PWM。雖然有多種調(diào)制技術(shù)，各有其更適合的特定應(yīng)用，但適合光伏逆變器的通用型調(diào)制策略是SPWM和SVPWM，因為它們具有較寬的開關(guān)頻率范圍，能簡化多電平逆變器的實現(xiàn)過程。然而，由于SVPWM技術(shù)工作時，相當(dāng)于逆變器輸出的三個相位的組合效應(yīng)而非單個相位，因而已成為三相逆變器和多電平逆變器中更受歡迎、更成熟的技術(shù)。

　　 基于Simulink的多電平二極管NPC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)專用SVPWM電流控制技術(shù)

　　此外，連網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的一個基本要求是電網(wǎng)同步。這項要求與轉(zhuǎn)換器的效率直接相關(guān)，有多種實現(xiàn)方法。例如，通常用連網(wǎng)的鎖相環(huán)(PLL)來實現(xiàn)這項要求。

　　本文主要描述一種面向多電平三相NPC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的SVPWM電流控制技術(shù)，側(cè)重討論如何用閉環(huán)矢量控制和正序電壓檢測器實現(xiàn)三級或五級拓撲結(jié)構(gòu)，以平抑電網(wǎng)故障。本文主要分析光伏應(yīng)用，文中提供的所有結(jié)果均是通過在MathWorks?軟件Simulink?中模擬系統(tǒng)獲取的。

　　二極管中性點鉗位拓撲結(jié)構(gòu)

　　二極管NPC拓撲結(jié)構(gòu)是由絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)和二極管組合而成的。從結(jié)構(gòu)上講，NPC在設(shè)計時要考慮以下要求：通過二極管將光伏面板鉗位至直流總線的接地中點，可以實現(xiàn)零電壓。

　　這種逆變器相比半橋拓撲結(jié)構(gòu)有多種優(yōu)勢，使其更適合實現(xiàn)為高效率光伏面板的逆變器。例如，如果在半橋之后實現(xiàn)，則比經(jīng)典全橋?qū)崿F(xiàn)方法有所改進，比如更低的dv/dt和開關(guān)壓力。另外，其通用性使其可以充當(dāng)單相和三相逆變器，因為它可以實現(xiàn)為三相四線轉(zhuǎn)換器。

　　相比其他拓撲結(jié)構(gòu)，這種拓撲結(jié)構(gòu)有多種其他優(yōu)勢，比如，濾波器上的單極性電壓可以降低核心損耗。它還具有很高的效率(高達98%)，因為在零電壓過程中，其輸出電感與其濾波器電容之間不存在無功功率交換，并且還能產(chǎn)生極低漏電流和較低的電磁干擾。

　　然而，這種拓撲結(jié)構(gòu)主要與迷你型中央逆變器一起用于三相光伏逆變器，因為其實現(xiàn)起來比半橋拓撲結(jié)構(gòu)要復(fù)雜些。也更適合高功率應(yīng)用，如中央逆變器。

　　另外，隨著用電需求的增加，逆變器經(jīng)歷改進，以產(chǎn)生更多電壓電平。逆變器擁有的電壓電平越多，其交流輸出質(zhì)量越高，這是因為在輸出電壓中，較高電平導(dǎo)致的失真要低于低電平，從而提高系統(tǒng)的整體效率。此外，電平數(shù)會導(dǎo)致開關(guān)損耗與傳導(dǎo)損耗之間的折衷，其中，后者隨電平增多而增加，開關(guān)損耗則下降。因此，多電平逆變器會降低半導(dǎo)體元件的壓力，減少故障，延長逆變器元件的壽命。事實上，多電平NPC逆變器可以減少總諧振失真(THD)，降低各器件的開關(guān)頻率(降低總功率損耗)，不需要升壓或降壓變壓器，需要較小的交流濾波器，并減少電磁兼容性問題。

　　圖1.三電平二極管NPC拓撲結(jié)構(gòu)

　　圖2.五電平二極管NPC拓撲結(jié)構(gòu)

　　空間矢量脈沖寬度調(diào)制

　　為了使用SVPWM實現(xiàn)方法，可以根據(jù)其相位和幅度，將電壓和電流表示為空間矢量。通過這種方法，可以用高效公式分析其瞬時屬性，這對控制三相系統(tǒng)里的有功和無功功率元件尤其有用。因此，運用SVPWM控制技術(shù)可以更好地控制NPC直流總線電壓的平衡。事實上，在SVPWM技術(shù)下，由一個參考空間矢量充當(dāng)輸入，該空間矢量由逆變器與電網(wǎng)的連接所產(chǎn)生的瞬時線-中性點三相電流或電壓形成。該方法分析電流或電壓的瞬時屬性，從而實現(xiàn)對三相系統(tǒng)中有功和無功功率元件的控制。

　　通常，作為逆變器，SVPWM可能有多個電平與逆變器相匹配。這種情況下，匹配電平為最簡單的實現(xiàn)方式，因為對SVPWM和逆變器使用不同的電平需要對系統(tǒng)進行全面評估和設(shè)計。

　　盡管多電平SVPWM有著諸多優(yōu)勢，但是，逆變器電平越高，需要控制的開關(guān)就越多，因此，要用這種調(diào)制技術(shù)計算每個開關(guān)的占空比，以及功率轉(zhuǎn)換器最佳性能的開關(guān)序列，整個過程需要更多計算資源。所以，運用查找表可以提高響應(yīng)速度，但這些表會對系統(tǒng)形成限制，使其只對可預(yù)測事件做出響應(yīng)。

　　因此，SVPWM法的工作原理如下：

　　? 從線-中性點三相電壓，決定參考空間矢量

　　? 然后，從一組預(yù)定義的電壓矢量中，定義所有不同的開關(guān)組合，可以用空間矢量圖來表示

　　? 調(diào)制從該參考空間矢量抽取瞬時角和幅度信息

　　? 然后在該圖中繪制旋轉(zhuǎn)參考空間矢量，確定參考空間矢量所在的區(qū)域和扇區(qū)

　　? 基于組成該區(qū)域和扇區(qū)的電壓矢量信息，策略計算開關(guān)的駐留時間

　　? 最后，調(diào)制產(chǎn)生PWM脈沖，用于驅(qū)動逆變器，以生成目標(biāo)電壓。

　　? 該過程循環(huán)進行，在其脈沖產(chǎn)生所需輸出時啟動。

　　事實上，該技術(shù)將空間矢量信息與構(gòu)成空間矢量圖的電壓矢量進行比較，并生成用于調(diào)制逆變器的瞬時開關(guān)狀態(tài)?；诮嵌群头刃畔ⅲ琒VPWM生成一個表示系統(tǒng)實際特性的空間矢量。然后，從相對于附近矢量坐標(biāo)的位置開始，在圖上繪制該空間矢量，并計算開關(guān)模式。系統(tǒng)幾乎能立即計算該開關(guān)模式，并表示出調(diào)制到逆變器的占空比。

　　計算后，需要在圖上表示空間矢量并進行分析。該圖為六邊形，其中，每個交叉點均表示至少一個電壓矢量。這些連接中有一部分可以有一個以上的電壓矢量，稱為冗余矢量，因為位于同一交叉點的所有矢量都表示同一開關(guān)序列。SVPWM的每個電平都會加大圖的復(fù)雜度，結(jié)果會增加交叉點的數(shù)量，所以電壓矢量(如三電平空間矢量圖)有19個交叉點，五電平空間矢量圖有61個交叉點。

　　因此，每個電平都會增加交叉點的數(shù)量，其計算公式為以下多項式：

　　交叉點數(shù)量 = 3 × 電平數(shù)2 – 3 × 電平數(shù) + 1

　　可見，SVPWM的每個電平都會增多交叉點的數(shù)量，電平越高，SVPWM計算就必須越精確，因為扇區(qū)和區(qū)域較小，結(jié)果會加大系統(tǒng)的復(fù)雜性。

　　因此，隨著SVPWM電平的增加，不但電壓矢量、扇區(qū)和區(qū)域的數(shù)量都會大幅增加，結(jié)果加大調(diào)制的復(fù)雜性，同時還會提高系統(tǒng)的性能和效率。

　　圖3.三電平空間矢量圖

　　圖4.五電平空間矢量圖

　　SVPWM廣義閉環(huán)矢量控制和無功功率控制法

　　圖5.面向NPC拓撲結(jié)構(gòu)的廣義SVPWM控制法

　　可以實現(xiàn)多種類型的控制方法，用以操作由多電平SVPWM和NPC構(gòu)成的逆變器系統(tǒng)。因此，由于有多種控制方法可以用于逆變器，所以，必須選擇最適合系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)。

　　無功功率控制法在光伏系統(tǒng)發(fā)電并將電能注入電網(wǎng)方面展現(xiàn)出更勝一籌的電網(wǎng)參數(shù)，非常適合三相連網(wǎng)光伏逆變器。這種控制法允許系統(tǒng)控制光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電能，將該電能輸入電網(wǎng)，并能控制有功和無功功率，從而減小系統(tǒng)無功部分的損失。另外，由于電機驅(qū)動控制與逆變器的控制相類似，所以，可以改動交流電感電機驅(qū)動器使用的技術(shù)，使其適用于光伏逆變器。這樣一來，就能改動通過控制電機驅(qū)動的頻率、幅度和相位進行工作的磁場定向控制(FOC)技術(shù)(或稱矢量控制)，將其應(yīng)用到與配電網(wǎng)絡(luò)相連的光伏轉(zhuǎn)換器中。這種方法對產(chǎn)生的電流的頻率、幅度和相位角進行控制，這些信息則用于生成控制功率逆變器的SVPWM脈沖。它還有多種其他優(yōu)勢——比如，更低的功耗、更高的效率、更低的運營成本和組件成本。

　　因此，可以將兩種方法結(jié)合起來，與多電平SVPWM一起應(yīng)用到光伏多電平二極管NPC逆變器中，以最大限度地提高系統(tǒng)的性能。這樣，用這種方法控制處于閉環(huán)形式且與電網(wǎng)相連的三相多電平二極管NPC逆變器的具體實現(xiàn)方式如下：

　　? 首先，矢量控制法以三相電網(wǎng)相位電壓和A相相位角為輸入。

　　? 然后通過alpha-beta-0變換，將這些三相電壓轉(zhuǎn)換到一個二軸系統(tǒng)中。

　　? 通過在d-q-0變換中運用實測相位角，該二軸坐標(biāo)系發(fā)生旋轉(zhuǎn)并與該角度信息對齊。

　　? 與此同時，該控制法也會使用三相電壓用alpha-beta-0和d-q-0變換產(chǎn)生的電流，alpha-beta-0和d-q-0變換則是用參考角信息來變換這些電流的。

　　? 在產(chǎn)生的信號和參考信號完成變換之后，該技術(shù)會從一個信號中減去另一個信號，從而產(chǎn)生誤差信號。另外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，誤差信號必須通過經(jīng)典比例積分(PI)控制環(huán)路。

　　? 從此點起，系統(tǒng)將始于同步參考坐標(biāo)系(d-q-0坐標(biāo)系)PI控制器中的誤差信號變換成靜止參考坐標(biāo)系(alpha-beta-0坐標(biāo)系)。這一步會預(yù)測在當(dāng)前電壓矢量與下一個電壓矢量之間產(chǎn)生的誤差量。

　　? 前面的兩步會消除或控制來自d-q-0變換的正交電壓(q分量)，該電壓代表著系統(tǒng)里的無功功率分量。

　　? 然后，來自alpha-beta-0變換的alpha和beta分量通過笛卡爾-極性變換，產(chǎn)生幅度和角度。

　　? 最后，利用該幅度和角度信息，SVPWM計算參考矢量、該矢量所在區(qū)域和扇區(qū)、構(gòu)成該數(shù)據(jù)的電壓矢量、開關(guān)駐留時間以及逆變器的最佳開關(guān)序列。這些信息以脈沖發(fā)射，用以驅(qū)動轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生系統(tǒng)所需電壓和電流值。

　　可以用鎖相環(huán)(PLL)從A相抽取角度信息，以進行坐標(biāo)變換，使系統(tǒng)能適應(yīng)輸入信號頻率的變化。

　　以正序電壓檢測器實現(xiàn)控制法

　　除了實現(xiàn)上述頻率自適應(yīng)控制方法以外，還可以運用與電網(wǎng)相連的正序電壓檢測器(PSD)來改進該方法。可以運用這種方式檢測其他電網(wǎng)故障條件，比如，不平衡和失真的電網(wǎng)條件，并使系統(tǒng)能適應(yīng)其需要——從而減少損耗，提高系統(tǒng)效率。

　　此外，一項基本要求是控制逆變器與電網(wǎng)之間的功率交換而不觸發(fā)轉(zhuǎn)換器的保護機制，防止瞬態(tài)故障造成脫網(wǎng)，使系統(tǒng)維持連網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

　　因此，為了快速而準(zhǔn)確地檢測到電網(wǎng)的不平衡、失真和不穩(wěn)定條件，必須將兩個其他模塊添加到系統(tǒng)中：一是用二階廣義積分器(SOGI)實現(xiàn)的正交信號發(fā)生器(QSG)，該積分器可以給系統(tǒng)帶來諧波阻止功能;二是正序計算器(PSC)。該系統(tǒng)通常與PLL聯(lián)合實現(xiàn)。然而，由于PLL已經(jīng)用于d-q-0變換，所以系統(tǒng)不需要再用一個PLL，可以使用現(xiàn)有PLL的信息。

　　這樣，QSG對alpha-beta參考坐標(biāo)系上的三相電網(wǎng)電壓進行濾波，產(chǎn)生原始alpha-beta電壓的90°相移分量。然后，這些信號通過PSC，后者用瞬時對稱分量成功檢測到alpha-beta-0電壓上的正序分量。具體地，變換后的正序分量通過d-q-0變換，產(chǎn)生d-q-0分量，d-q-0變換則利用前次迭代中使用的PLL角度信息使系統(tǒng)頻率和相位維持適應(yīng)能力。

　　從電網(wǎng)電壓獲取和變換正序分量的整個過程完成之后，系統(tǒng)繼續(xù)按前述方式運行。這些分量被從產(chǎn)生的電流中減去，并依據(jù)前述方法通過PI控制環(huán)路。

　　因此，盡管系統(tǒng)實施的步驟與前述控制方法相同，但系統(tǒng)現(xiàn)在擁有了自適應(yīng)能力，能適應(yīng)不平衡和失真的電網(wǎng)條件。

　　在Simulink環(huán)境下進行模擬

　　可以在Simulink環(huán)境下成功模擬該系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由連網(wǎng)多電平二極管NPC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)成，由一種多電平SVPWM技術(shù)和一種被轉(zhuǎn)變成FOC技術(shù)的閉環(huán)無功功率控制方法進行控制，以正序檢測器實現(xiàn)。

　　模擬顯示，系統(tǒng)在電網(wǎng)阻抗大幅變化情況下表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性，能在電網(wǎng)電壓干擾條件下不脫網(wǎng)運行，能適應(yīng)電網(wǎng)電壓變化，還能保持標(biāo)準(zhǔn)要求的單位功率因素。

　　在設(shè)計系統(tǒng)時，必須從調(diào)制策略的角度，慎重考慮開關(guān)頻率、失真、損耗、諧波生成、響應(yīng)速度等額外參數(shù)。

　　圖6.以PSD實現(xiàn)的多電平二極管NPC和SVPWM全面控制方法

　　下面的圖示展示了系統(tǒng)的性能。模擬過程中，0.0秒時，打開系統(tǒng)，電網(wǎng)一切正常。當(dāng)模擬進行到0.06秒時，這相當(dāng)于電網(wǎng)電壓的三個完整周期，系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定下來，每個電網(wǎng)電壓均有下降，這種情況持續(xù)了0.04秒，在模擬0.1秒之后，恢復(fù)正常。

　　因此，未采用PSD實現(xiàn)方法時，模擬結(jié)果在發(fā)生電網(wǎng)故障之前展現(xiàn)出良好的性能;這里的電網(wǎng)故障是指系統(tǒng)電壓大幅下降，產(chǎn)生的電流不平衡。在采用PSD方法的圖中，穩(wěn)定大約花了一個周期的時間，即0.02秒，但當(dāng)遇到電網(wǎng)故障條件時，其適應(yīng)能力于優(yōu)于不采用PSD的系統(tǒng)，產(chǎn)生的電流完全平衡。另外，當(dāng)系統(tǒng)運行到0.18秒時，必須關(guān)閉系統(tǒng)，所以，二極管NPC中間的開關(guān)斷開，使電流產(chǎn)生過程中斷，當(dāng)電容和電感放電時，出現(xiàn)了短時例外。

　　圖7.三相電網(wǎng)電壓

　　圖8.在未采用PSD方法的條件下三相、五電平產(chǎn)生的電流

　　圖9.在采用PSD方法的條件下三相、五電平產(chǎn)生的電流

　　調(diào)制逆變器A相的SVPWM脈沖如下所示;NPC的開關(guān)頻率為100 kHz?？梢暂p松選擇NPC的開關(guān)頻率，系統(tǒng)可以在20 kHz至300 kHz的超寬頻率范圍內(nèi)正常工作。

　　圖10.五電平A相開關(guān)脈沖

　　可見，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)相比其他方法有多種優(yōu)勢，并且可以用多種方式實現(xiàn)，比如增加電平數(shù)量，采用電網(wǎng)故障自適應(yīng)系統(tǒng)、更復(fù)雜的控制方法、更快的功率控制環(huán)路等;從而為現(xiàn)代世界打造出效率更高、成本更低、尺寸更小、智能化程度更高的系統(tǒng)。