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)代世界的預期和標準。

　　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，相當于逆變器輸出的三個相位的組合效應而非單個相位，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)要復雜些。也更適合高功率應用，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)會導致開關(guān)損耗與傳導損耗之間的折衷，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速度，但這些表會對系統(tǒng)形成限制，使其只對可預測事件做出響應。

　　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?，SVPWM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系(d-q-0坐標系)PI控制器中的誤差信號變換成靜止參考坐標系(alpha-beta-0坐標系)。這一步會預測在當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，以進行坐標變換，使系統(tǒng)能適應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?？梢赃\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)標準。

　　因此，為了快速而準確地檢測到電網(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)在擁有了自適應能力，能適應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，能適應電網(wǎng)電壓變化，還能保持標準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。當模擬進行到0.06秒時，這相當于電網(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，但當遇到電網(wǎng)故障條件時，其適應能力于優(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。可以輕松選擇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)故障自適應系統(tǒng)、更復雜的控制方法、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)。