蘇家慶

（合肥工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，合肥 230009）

一種新的三電平光伏逆變器中點平衡算法

蘇家慶

（合肥工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，合肥 230009）

文章針對三電平光伏逆變器的中點平衡問題，采用統(tǒng)一中點平衡算法，計算在一個載波周期內(nèi)達到中點平衡所需疊加的零序分量，并采用基于載波實現(xiàn)的方法注入零序分量以實現(xiàn)中點平衡的控制，避免了扇區(qū)判斷及空間矢量作用時間的幾何計算，易于工程應用。實驗結果驗證了上述方案的正確性和有效性。

三電平；中點平衡；零序分量；控制

光伏發(fā)電因其具有綠色無污染，安全可靠等優(yōu)點，成為最有發(fā)展前景的發(fā)電技術之一［1-2］。由于三電平光伏逆變器具有諧波含量小，電壓畸變率低，耐壓等級高等特點，故在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應用［3-4］。

三電平逆變器具特有中點電位的不平衡問題。為了保證其正常運行，常見的平衡中點電位的方法主要分為以下3種：①上下電容電壓取自兩路獨立的直流電源［5-6］；②用額外的變流器向直流側中點注入或抽取電流［7］；③通過軟件改變調制算法來平衡中點電位［8-10］。前兩種方法都在系統(tǒng)中增加了硬件的投入，從而增加了系統(tǒng)的成本；而通過改變調制算法卻不會增加成本，所以更受青睞。文獻［8-9］運用冗余小矢量分配的方法，物理意義清晰，可以對中點平衡控制進行深入分析，但其需要進行復雜的扇區(qū)劃分及矢量分解運算；文獻［10］提出一種基于虛擬矢量的SVPWM方法，可以完全消除中點電位波動，但開關損耗大且共模電壓變化頻率高，同樣需要進行復雜的矢量分解計算。

本文針對三電平逆變器的中點平衡問題，采用統(tǒng)一中點平衡算法，該方法從載波角度出發(fā)，計算在載波周期內(nèi)能達到中點電位平衡所需要疊加的零序分量，采用向調制波注入零序分量的方法來平衡中點電位，這種方法不需要進行復雜的扇區(qū)判斷及矢量作用時間計算，實現(xiàn)簡單，易于在工程中實際應用。最后在三電平逆變器實驗平臺上對文中所用中點平衡控制算法進行實驗驗證，結果證明了該方法的正確性及有效性。

1　三電平逆變器載波調制

圖1為三電平NPC光伏逆變器的結構拓撲，由光伏陣列、電容器，三電平逆變器、濾波器等組成。其中光伏陣列可將太陽能變換為直流電，通過逆變器將直流轉換成交流。三電平逆變器由12個IGBT 和12個反并聯(lián)二極管及6個箝位二極管組成。用開關函數(shù)Sk（Sk=1，0，-1）表示三電平NPC逆變器k（k=a，b，c）相的輸出狀態(tài)。

圖1　三電平NPC非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器拓撲

在三電平逆變器載波調制中，調制波信號與兩個三角載波信號比較，得到需要的PWM信號。具體分析如下：如圖2所示，在調制波信號正半周，正弦調制信號與正半周三角載波信號比較得到的兩路互補PWM信號分配給Sa1、Sa3；同時調制信號與負半周三角載波比較得到的互補信號分配給 Sa2與Sa4。在調制信號的負半周：用正弦調制信號與正半周三角載波信號比較得到的兩路互補PWM信號分配給Sa1、Sa3；同時將調制信號與負半周的三角載波比較得到的互補PWM信號分配給Sa2與Sa4。

圖2　載波調制示意圖

載波調制可以分為同相載波調制和反相載波調制，其開關狀態(tài)分別如圖3所示，根據(jù)三角形相似原理，同相載波和反相載波在0電平的開關狀態(tài)時，其作用時間都可以用表示，其中 vx′（x=a， b，c）為三相調制波。

圖3　同相與反相載波開關狀態(tài)圖

2　統(tǒng)一中點平衡算法

本節(jié)中研究一種統(tǒng)一中點平衡算法，其采用的是注入零序分量的載波層疊 PWM調制。該中點平衡算法的中心思想是：計算在載波周期內(nèi)能實現(xiàn)中點電位平衡所需疊加的零序分量，采用向調制波中注入零序分量的方法從而使得中點平衡。

由圖1可知，npi為開關狀態(tài)為0（即橋臂和直流側中性點相接）時的相電流，例如，當開關狀態(tài)為100的冗余小矢量0-1-1時，當開關狀態(tài)為10-1時，當開關狀態(tài)為100時，則中點電流通用表達式為

根據(jù)第1節(jié)對載波調制的分析，可以得到開關狀態(tài)為 0電平時的作用時間都可以用表示，那么單位開關周期（采樣周期）平均電流inp0av可以表示為

那么當調制波為xv′時，在一個開關周期內(nèi)流入中點的電荷可表示為

倘若在上述調制波xv′的基礎上，再疊加一個零序分量vΔ后所得到的調制波為xv′′，那么就有

當調制波xv′符號保持不變時，在調制波中注入零序分量vΔ，那么對應的單位時間內(nèi)所引起的流入中點電荷的變化量可表示如下：

上式中定義

期望注入零序分量vΔ 后的中點電位為0，即

將式（3）、式（5）代入式（6）解得

為了得到加入中點平衡后的調制波xv′，我們可將計算后的vΔ 經(jīng)限幅后代入式（4）即可。

由于調制波的范圍在-1～1之間，當疊加的零序分量超過該范圍時，則對中點電位無調節(jié)作用，因此采用疊加零序分量的方法存在一定的不可控區(qū)域，隨功率因數(shù)φ和調制度m的變化其中點平衡可控區(qū)域如圖4所示，在可控區(qū)域內(nèi)中點電位可以實現(xiàn)無偏差無波動。不可控區(qū)域內(nèi)，雖然不能保證在每個周期內(nèi)的中點電位為 0，但對中點漂移和中點波動都起到了一定的抑制作用。

圖4　NPC逆變器中點電位完全可控區(qū)域示意圖

3　實驗驗證

為了驗證三電平逆變器采用各中不同的調制策略下，采用統(tǒng)一中點電位平衡控制算法的控制效果到底如何，本文進行了實驗驗證來說明。實驗具體參數(shù)如下：直流電壓Vdc=280V；輸出電流I=10A；頻率fs=10kHz；直流側電容：C1=C2=1680μF；濾波電感 L=1mH；負載電阻：R=12Ω；示波器為GEKTRONIX DPO3034；CPLD：EPM12707144C5；DSP：TMS320F28335。

圖5所示為當三電平逆變器采用SPWM調制時中點平衡控制前后的直流電壓與相電流的實驗波形，圖6所示為采用SVPWM調制時中點平衡控制前后的直流電壓與相電流的實驗波形，由圖5和圖6可知，在控制中點電位前，中點電位存在一定的偏移，當使用統(tǒng)一中點平衡算法后，中點電位的偏移被抑制，且波動量有所減小，相電流波形質量得到提高。

圖5　SPWM調制中點平衡控制前后直流電壓與相電流波形

圖6　SVPWM調制中點平衡控制前后直流電壓與相電流波形

4　結論

本文針對三電平逆變器的中點平衡問題，采用統(tǒng)一中點平衡算法，該算法從載波角度出發(fā)，計算每個載波周期為了實現(xiàn)中點平衡而需要疊加的零序分量，從而有效地控制了中點電位。與以往的從矢量算法相比，統(tǒng)一中點平衡算法計算量明顯減小，更易于在工程實踐中應用。最后，實驗結果證明了本算法的有效性與正確性。

［1］ 張曦， 康重慶， 張寧， 等. 太陽能光伏發(fā)電的中長期隨機特性分析［J］. 電力系統(tǒng)自動化， 2014（6）： 6-13.

［2］ 丁明， 王偉勝， 王秀麗， 等. 大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述［J］. 中國電機工程學報， 2014（1）： 1-14.

［3］ Shen J， Schroder S， Duro B， et al. A Neutral-Point balancing controller for a Three-Level inverter with full Power-Factor range and low distortion industry applications， IEEE transactions on［J］. 148， Jan.-Feb，2013， 49（1）： 138.

［4］ Ui-Min Choi； June-Seok Lee； Kyo-Beum Lee. New modulation strategy to balance the neutral-point voltage for three-level neutral-clamped inverter systems. Energy Conversion， IEEE Transactions on，2014， 29（1）： 91-100.

［5］ Yazdani A， Iravani R. A generalized state-space averaged model of the three-level NPC converter for systematic DC-voltage-balancer and current-controller design［J］. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005，20（2， 1）： 1105-1114.

［6］ Sommer R， Mertens A， Brunotte C， Trauth G， Medium voltage drive system with NPC three-level inverter using IGBTs. in Proc. IEEE PWM Medium Voltage Drives Semin.， May 11， 2000， 3： 1-5.

［7］ Mishra MK， Joshi A， Ghosh A. Control schemes for equalization of capacitor voltages in neutral clamped shunt compensator［J］. IEEE Transactions on Power Delivery， 2003， 18（2）： 538-544.

［8］ Lewicki A， Krzeminski Z， Abu-Rub H. Space-Vector pulsewidth modulation for Three-Level NPC converter with the neutral point voltage control. industrial electronics， IEEE transactions on［J］. 5086， Nov， 2011，58（11）： 5076.

［9］ Lee J S， Lee K B. New modulation techniques for a leakage current reduction and a Neutral-Point voltage balance in transformerless photovoltaic systems using a Three-Level inverter［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2014， 29（4）： 1720-1732.

［10］ 宋文祥， 陳國呈， 陳陳. 基于矢量合成的三電平空間電壓矢量調制方法［J］. 電工技術學報， 2007，22（10）： 91-96.

The New Neutral Point Balance Algorithm for Three-Level Photovoltaic Converter

Su Jiaqing
（School of Electrical and Automation Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009）

A new neutral point balance algorithm for three-level photovoltaic converter is adopted in this paper. The algorithm is realized in carrier wave form. The zero-sequence component needed in a carrier period is calculated for neutral point balance is calculated. The zero-sequence component is added to the modulation wave to control neutral point voltage. This method does not need sector judgment and complex geometry processing， it is simple and easy to implement in project. The experiment results verify the correctness and validity of the algorithm.

three-level； neutral point voltage balance； zero-sequence component； control

蘇家慶（1987-），男，安徽省安慶市人，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電技術。