崔燦

(安徽省電力設(shè)計院，安徽 合肥 230601)

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一種新型的級聯(lián)逆變器電容電壓平衡控制方法

崔燦

(安徽省電力設(shè)計院，安徽 合肥 230601)

級聯(lián)逆變器在光伏系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，其控制的一個主要難點就是直流側(cè)電容電壓平衡問題。以5電平級聯(lián)多電平逆變?yōu)檠芯繉ο?，提出一種新型的電容電壓平衡控制方法，并在僅有電壓平衡控制和附加了MPPT控制兩種條件下進(jìn)行了仿真研究。研究結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)條件下，逆變器直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定，各橋之間電容電壓基本一致，逆變器輸出電流電壓穩(wěn)定，并且具有控制簡單、可靠性高、調(diào)節(jié)速度較快等優(yōu)點，具有較高的應(yīng)用價值。

級聯(lián)逆變器；直流電容；電壓平衡；電壓調(diào)制比；最大功率點跟蹤

0 引 言

級聯(lián)多電平逆變器是由若干個基本逆變單元(H橋)通過串聯(lián)連接而成的。通過每一個輸出單元的波形疊加形成多電平的階梯波以逼近逆變器的正弦輸出電壓。其優(yōu)點在于：隨著級聯(lián)數(shù)目的增加，輸出電壓的電平數(shù)增加，從而使得輸出電壓或電流波形的諧波含量減小；電路整體的開關(guān)頻率等于各個逆變單元開關(guān)頻率之和，降低了開關(guān)損耗以及對開關(guān)器件的開關(guān)頻率要求，同時降低了功率器件所承受的電壓應(yīng)力，絕緣要求降低；基于傳統(tǒng)兩電平全橋變換器結(jié)構(gòu)單元，技術(shù)成熟，易于模塊化，便于集成和維護(hù)，具有廣闊的應(yīng)用前景；不需要變壓器就可以與電網(wǎng)直接相連，節(jié)省了空間，也提高了效率[1]。

級聯(lián)逆變器存在直流側(cè)電容電壓不平衡問題，會導(dǎo)致電平數(shù)降低，開關(guān)器件承受的電壓不一致，部分開關(guān)器件會因承受較高電壓應(yīng)力而損壞。因此，研究多電平逆變器的直流輸入電容電壓平衡問題顯得格外有意義。本文以5電平移相SPWM控制的級聯(lián)逆變器為研究對象，提出一種能夠有效平衡直流電容電壓的控制方法。

1 級聯(lián)逆變器模型分析

圖1 級聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

理想的級聯(lián)逆變器由N個H橋電路組成，每個H橋通過串聯(lián)連接在一起。利用載波相位差控制，利用波形疊加原理產(chǎn)生輸出波形。輸出相電壓的電平數(shù)M=2N+1[2]，每個橋都有其獨立的直流輸入電源，輸出電壓為各橋輸出電壓之和Uo=U1+U2+…+UN。

下面僅用2個H橋構(gòu)成的5電平逆變器分析說明。

圖1所示的級聯(lián)逆變器并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖可以簡化成圖2所示的模型[3]。太陽能電池板輸入電壓Ui等效為電流源Ii1、Ii2和輸入電容C，逆變器輸入輸出等效為受控電源，Vg為網(wǎng)側(cè)電壓。

圖2 兩橋電路簡化模型

由圖2可知，輸入端電流電壓關(guān)系為:

逆變器輸入電壓為VC1、VC2，輸入輸出電壓關(guān)系:

V1=d1·VC1

V2=d2·VC2

d1、d2分別為兩逆變橋的電壓調(diào)制比

由逆變器兩端功率平衡關(guān)系得:

V1·I=VC1·I1

V2·I=VC2·I2

輸出端電流電壓關(guān)系:

逆變器系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:

令I(lǐng)=0，

Vg=d1VC1+d2VC2

Vg為固定的電網(wǎng)電壓，所以要達(dá)到上式的臨界平衡，需調(diào)節(jié)VC1、VC2。由于d1、d2不能過大(會造成電平數(shù)的減少和波形的失真)，故VC1、VC2需要在一個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變化。

2 電容電壓分析

為了達(dá)到一個較低的輸出THD，我們需要濾除像5次、7次等低次諧波，另外應(yīng)該盡量使所有開關(guān)的電壓應(yīng)力相等。所以，我們需要保證每個橋的直流側(cè)輸入電容電壓接近或相等。在設(shè)計一種電壓平衡控制方法之前，我們需要首先研究電容電壓與哪些因素有關(guān)。

圖3 單個H橋電路

圖4 單個H橋電壓電流矢量圖

取單一H橋做電路分析，如圖3所示。

設(shè)網(wǎng)側(cè)電壓為:

Ugi為網(wǎng)側(cè)電壓幅值。

根據(jù)圖4所示矢量圖，則逆變器輸出電壓可表示為:

Vi=diUCisin(ωt-φi)

di為電壓調(diào)制比，UCi為輸入電容電壓幅值。

令Xi=ωLi，根據(jù)文獻(xiàn)[4-5] ，逆變器輸出側(cè)有功無功功率分別為:

逆變器模塊與交流電網(wǎng)間傳輸?shù)墓β蕿?

假設(shè)所有開關(guān)器件和功率器件都是理想器件，他們沒有有功消耗，故系統(tǒng)穩(wěn)定時有:

Pi=0

由于Ugi是常量，由此我們知道，通過調(diào)節(jié)di和φi可以達(dá)到調(diào)節(jié)電容電壓的目的。

3 直流電容電壓控制方法

本文采用電壓雙環(huán)加電流環(huán)的控制方法[6-7]，其中電壓雙環(huán)控制又分為電壓內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制，通過多個誤差信號的疊加，與當(dāng)前電容電壓比較，得到逆變器的輸入輸出調(diào)制比信號，從而改變電容電壓?？刂撇呗匀鐖D5所示。

電壓內(nèi)環(huán)控制如圖6所示，VCi是第i個橋的直流側(cè)輸入電容電壓，Vavr為直流側(cè)所有電容電壓的平均值，Vref是參考電壓，由MPPT功能輸出，為兩路MPPT輸出的平均值。參考電壓Vref與平均電壓Vavr的差作為電容電壓VCi的微調(diào)信號，與VCi作差后得到內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)電容電壓的目標(biāo)信號VCi*，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，經(jīng)過余弦函數(shù)轉(zhuǎn)化為交流信號，最終轉(zhuǎn)化為調(diào)制比信號，送入SPWM發(fā)生器，控制相對應(yīng)逆變器的輸出電壓。內(nèi)環(huán)控制主要用于控制電容電壓值的大小，并使各個橋的電容電壓，逼近參考電壓，即最大功率點電壓，在平衡電容電壓的同時，輔助完成最大功率點跟蹤。

電壓外環(huán)控制如圖7所示，Vi和Ii是第i個橋直流側(cè)輸出的電容電壓和電流，P為各個橋輸出總功率，Vg為電網(wǎng)側(cè)交流電壓。Vi和Ii相乘，結(jié)果是第i個橋的輸出功率，與P作比后得到該橋輸出占總功率中的比重KPi。通過KPi將各個橋的輸出電壓重新分配，乘以電網(wǎng)電壓Vg后得到該橋的輸出電壓目標(biāo)值，除以該橋的直流側(cè)電容電壓值，就得到了需要調(diào)節(jié)的PWM占空比。該環(huán)將各個逆變橋的輸出電壓按當(dāng)前功率重新分配，使直流、交流兩側(cè)不斷交換能量，實現(xiàn)電容充放電控制，均衡各個橋的電容電壓。

負(fù)載電流環(huán)控制如圖8所示，逆變器的輸出決定了負(fù)載電流的大小，負(fù)載電流通過電感和電阻的壓降，影響逆變器的輸出，進(jìn)而影響電容電壓的大小。電容平均電壓Vavr與參考電壓Vref的差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為一個誤差電流信號，與逆變器系統(tǒng)計算出的有功電流疊加得到實際需求電流量大小，經(jīng)sin變換后與交流輸出側(cè)實際的電網(wǎng)電流作差，得到需要補償?shù)碾娏髁?，再通過PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的電壓信號，與直流電容作比后得到所需疊加的占空比信號di。電流環(huán)主要作用是保持電容電壓和補償系統(tǒng)的功率損耗。

圖5 電容電壓平衡控制框圖

圖6 電壓內(nèi)環(huán)控制框圖

圖7 電壓外環(huán)控制框圖

圖8 負(fù)載電流環(huán)控制框圖

4 仿真實驗

根據(jù)上文所述控制方法，采用Simulink進(jìn)行仿真實驗。

電網(wǎng)電壓Vg=300 V，電網(wǎng)頻率f=50 Hz，輸出電感L=4 mH，電阻R=1 Ω，輸入端電容均為C=4 mF。

在只有電容電壓平衡的系統(tǒng)中，令電容初始電壓為250 V和200 V，電容參考電壓設(shè)為200 V，仿真結(jié)果如下：

由圖9可以看出，兩個電容電壓達(dá)到了平衡，用時較短并穩(wěn)定在參考電壓(200 V)附近波動。電壓調(diào)制比數(shù)值位于正負(fù)1以內(nèi)，達(dá)到了上文分析的標(biāo)準(zhǔn)。

在上面研究的基礎(chǔ)上加入MPPT功能，將MPPT的輸出作為電容電壓的參考電壓。

圖9 兩個H橋電容電壓波形

圖10 添加MPPT功能后的電容電壓波形

圖11 帶MPPT功能的逆變器輸出電壓電流波形

從圖10、圖11可以看出，電容電壓參考信號在250 V附近波動，從而導(dǎo)致電容電壓幅值在250 V附近波動。由于電容電壓幅值的波動，穩(wěn)態(tài)時電壓調(diào)制比幅值也在0.75～0.8之間波動。

5 結(jié)束語

本文通過對級聯(lián)逆變器直流側(cè)電容電壓平衡問題作了分析，提出了通過電流環(huán)和電壓雙環(huán)對信號進(jìn)行處理，后與電容電壓比較而產(chǎn)生電壓調(diào)制比信號送入PWM發(fā)生器，然后控制H橋的觸發(fā)來實現(xiàn)電容電壓的平衡功能。仿真實驗驗證了其可行性。該種方法的缺點在于對電容電壓差很大的情況容易失控，且控制初始電容電壓不能和參考電壓差別太大。但其有控制簡單，可靠性高，調(diào)節(jié)速度較快等優(yōu)點，具有較高的應(yīng)用價值。

[1] 雷霄,肖湘寧,徐永海,等. 并聯(lián)型級聯(lián)多電平逆變器直流電容電壓控制方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,54(7):30-35.

[2] YANG XINGWU, JIANG JIANGUO, LIU SHICHAO. A novel design approach of DC voltage balancing controller for cascaded H-bridge converter-based STATCOM[C].Power Electronics and Motion Control Conference,2009:2359-2364.

[3] O ALONSO, P SANCHIS, E GUBIA, et al. Cascaded H-bridge multilevel converter for grid connected photovoltaic generators with independent maximum power point tracking of each solar array[C].Power Electronics Specialist Conference,2003:731-735.

[4] ZHA XIAOMING, ZHANG MAOSONG, WANG BIFANG. A novel control strategy for DC voltage stability and balancing in cascade STATCOM based on droop characteristic[C].Power Electronics and Motion Control Confenrence, 2009:1130-1135.

[5] N N VSURENDRA BADU, D APPA RAO, B G FERNANDES. Asymmetrical DC link voltage balance of a cascaded two level inverter based STATCOM[C]. Tencon 2010-2010 IEEE Region 10 Conference,2010;483-488.

[6] BARRENA J A, MARROYO L, VIDAL M A R, et al. Individual voltage balancing strategy for PWM cascaded H-bridge converter-based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008,55(1):21-29.

[7] YANG XIANGZHEN, SU JIANHUI, DU YAN, et al. Research on master-slave control strategy of capacitor voltage for cascade STATCOM[C]. The Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies,2008:1620-1624.

A New Method for Balancing Capacitor Voltage of Cascaded Inverter

Cui Can

(Anhui Electric Power Design Institute, Hefei Anhui 230601, China)

Cascaded inverters are now widely used in the photovoltaic systems. One of the main difficulties of controlling it is balancing the voltage of the DC capacitors. This paper puts forward a new control method for DC voltage balance based on 5-level cascaded inverter. We do simulations in the condition of the system with voltage balancing control and then added by MPPT. It is indicated in the result that the strategy is performing well during the steady state. Due to that the values of the H bridge voltage are steady and almost the same, the output of the inverter is stable. Better is that the method is simple, reliable and can quickly response, which may lead to high application value.

cascaded inverter; DC capacitor; voltage balance; voltage modulation index; MPPT

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.007

TM722

A

1000-3886(2016)04-0021-03

崔燦(1988-)，男，安徽合肥人，碩士生，從事電網(wǎng)設(shè)計工作。

定稿日期: 2016-01-29