江宏玲， 周 成， 戴新榮， 謝 芳(. 安徽省淮委水利科學研究院， 合肥 0088； . 安徽國際商務職業(yè)學院 信息服務系， 合肥 ；. 安徽大學 工業(yè)節(jié)電與電能質量控制協(xié)同創(chuàng)新中心， 合肥 060)

0 引 言

隨著能源消耗的不斷加劇，太陽能受到關注，而PV逆變器作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關鍵設備承擔著將PV電池輸出的直流電轉化為滿足并網(wǎng)標準的交流電的任務，并要求并網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)近為1，太陽能轉換利用率高，安全可靠。因此，通過不斷改進控制算法和主電路的拓撲結構來提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的整體性能，成為眾多專家的研究熱點。NPC三電平拓撲與傳統(tǒng)的兩電平拓撲相比[1-4]：功率單管承受母線電壓減小一半，系統(tǒng)開關損耗與電磁干擾、輸出電流與電壓的諧波含量、濾波器的體積和成本都得到有效降低。

本文分析和采用的兩級式NPC三電平光伏逆變器較單級式復雜，但其前級DC-DC環(huán)節(jié)的加入使PV輸入范圍大大加寬利于使用擾動觀察法實現(xiàn)MPPT跟蹤，后級分析和采用輸出電壓電流諧波低，電壓利用濾高且有效消除中點電位低頻振蕩的60°坐標系下SVPWM控制策略改善了并網(wǎng)電能質量，系統(tǒng)前后級可分開控制[5-8]。經(jīng)仿真以及搭建兩級式NPC三電平硬件系統(tǒng)進行了驗證，所得結果證明了方案的有效性。

1 兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)結構

圖1顯示了兩級光伏系統(tǒng)的前級和后級控制。PV組件轉換的直流電送入并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，前級完成升壓和MPPT跟蹤，后級DC/AC(NPC三電平)將泵升后的直流電轉換成滿足并網(wǎng)要求的交流電，經(jīng)濾波后并網(wǎng)。

圖1 兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)結構

2 基于擾動觀察法的MPPT跟蹤

外界環(huán)境對PV的轉換效率影響較大[9]。圖2所示為在一定光照和環(huán)境溫度25 ℃下光伏電池的輸出情況，圖中IL、ISC、Uoc、P、UL分別為PV電池的負載與短路電流、開路與輸出電壓以及功率。Uoc與光輻照度對數(shù)成正比列關系，但溫度升高會使其下降(2～3mV/ ℃)。由輸出非特性曲線可知，隨著光照強度的增加，ISC明顯變大，Uoc也略有增大，最大功率點位于曲線的最高點，其對應的電壓與電流為最佳工作點電壓和電流。

圖2 光伏電池IL-UL、P-UL的特性曲線

本文采用擾動觀察法[10-11]實現(xiàn)上述MPPT跟蹤，圖3所示為擾動觀察法控制流程圖。通過周期性地對參考工作電壓施加擾動量來改變輸出功率P的大小，使其無限逼近最大輸出功率并達到動態(tài)平衡，即ΔP/ΔU≈0的系統(tǒng)工作狀態(tài)。

圖3 擾動觀察法控制流程圖

3 基于60°坐標系的SVPWM算法

3.1 NPC三電平拓撲與SVPWM原理

中點箝位型(NPC)三電平并網(wǎng)逆變電路以中點N為零電位點，每項橋臂輸出UDC/2、0、-UDC/2 3種電平，記為1、0和-1，總輸出為33=27，其拓撲結構和開關矢量如圖4和圖5所示。

圖4 NPC三電平逆變電路拓撲

圖5表示不同的開關組合和空間電壓矢量之間的對應關系。有19種有效的開關狀態(tài)，以及相應的19個基本電壓矢量，可分為長、中、短矢量各6個和1個零矢量。SVPWM原理是將上述電壓矢量在一個開關周期T內進行組合，使其均值近似于給定值。該方法具有高電壓利用率和低諧波輸出的優(yōu)點，但它在Uref的扇區(qū)判斷以及作用時間的計算時有大量的計算量，對CPU的負擔大。

圖5 三電平逆變器開關組合矢量圖

3.2 60°坐標系下SVPWM算法

基于60°坐標系的SVPWM優(yōu)化算法[12-15]，電壓矢量所在大扇區(qū)位置僅需簡單的邏輯判斷。以圖5中扇區(qū)I和VI為例，兩相垂直靜止α/β坐標系與60°(g/h)坐標系之間的轉換如圖6扇區(qū)I所示。

圖6 坐標變換與矢量扇區(qū)判斷

根據(jù)

(1)

每個基本電壓矢量均轉化為二維整數(shù)形式，則Uref所在扇區(qū)如表1所示。

表1 Uref區(qū)判斷

在60°坐標系下，基本電壓矢量為整數(shù)，其取值范圍為(-2，-1,0,1,2)，參考電壓可由離其最近的4個基本整數(shù)矢量來合成，對g/h坐標系下任意的給定Uref，可以從上下平移獲得4個最接近的基本矢量，可得圖6中Uref對應的4個矢量為：

(2)

由Uref所確定的3個最近基本電壓矢量的作用時間可根據(jù)：

(3)

式中，U1、U2、U3為3個基本電壓矢量；T1、T2、T3為其對應的作用時間；Ts為PWM采樣周期。

當式(3)中U3=UUU或者U3=UDD時，在g/h坐標系下求解式(3)可分別得到：

(4)

(5)

為了優(yōu)化開關順序，將每個扇區(qū)分為6個小區(qū)域，以第I、VI扇區(qū)為例，如圖7所示。以區(qū)域I-1、VI-1為例，矢量作用的PWM開關順序如圖7(b)所示。

(a) 扇區(qū)I與扇區(qū)VI區(qū)域劃分 區(qū)域Ⅰ-1 PWM開關順序圖 區(qū)域Ⅵ-1 PWM開關順序圖(b) 區(qū)域I-1與VI-1 PWM開關順序圖

4 仿真與實驗驗證

4.1 仿真結果與分析

完成兩極NPC三電平光伏逆變器控制，仿真框圖如圖8所示。其中，PV模型以某公司光伏電池為例，相關技術參數(shù)為峰值電壓17.6 V，峰值電流為3.65 A，開路電壓為22.6 V，短路電流為3.8 A，輸出最大功率約為60 W。仿真得到圖9(a)所示的在1.2 kW/m2光照度，環(huán)溫不同下電池的U-I、U-P特性曲線，圖9(b)所示為環(huán)溫均在25 ℃，光照度不同下電池的U-I、U-P特性曲線。

圖8 兩級式光伏并網(wǎng)仿真模型框圖

(a) 相同光照強度，不同溫度下，光伏電池的U-I、U-P特性曲線

MPPT仿真的采樣周期為0.000 01，步長為0.001。運行仿真后得到電池的輸出的電流Ipv、輸出的電壓Upv、輸出的功率Ppv和Boost電路的輸出的電壓Uo的波形，如圖10所示。

仿真設置的逆變器模型直流側電壓Udc=600 V，電容C1=C2=800 μF，PWM開關頻率為5 kHz，采樣時間設為0.5 μs，仿真時間設為0.04 s，仿真結果如圖11所示。

從圖9的仿真結果可以看出，仿真所得與廠家所給的參數(shù)基本吻合，PV輸出具有非線性。隨著PV的電壓及其電流的增加，輸出功率將逐漸增加到最大的功率點，然后降低到零。從圖10的MPPT波形能夠看出，前級電路對光伏輸出有電壓泵的作用，并且該模塊可以完成跟蹤最大功率點。從圖11仿真結果可以看出，NPC三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出端線電壓為五電平階梯波，能很好地跟蹤電網(wǎng)電壓，且有較快的響應速度，該并網(wǎng)THD的輸出僅為2.57%，并網(wǎng)側輸出電流波形良好。

圖10 MPPT仿真波形

圖11 NPC三電平逆變器的仿真波形

4.2 實驗結果與分析

基于以上分析與仿真，設計了雙CPU控制的NPC三電平并網(wǎng)逆變器實驗平臺，系統(tǒng)框圖如圖12所示。DSP主要進行信號采樣、光伏陣列輸出功率計算,SVPWM算法實現(xiàn)等，F(xiàn)PGA主要調節(jié)PWM脈沖占空比調節(jié)Boost輸出電壓以及驅動波形輸出和故障處理等。系統(tǒng)設計輸出功率為10 kW，輸出線電壓為380 V，直流側電壓約為600 V，選用英飛凌公司的IGBT(型號FF100R12RT4)搭建逆變橋，額定工作電壓和電流分別為1.2 kV及100 A。

圖12 雙CPU系統(tǒng)控制結構框圖

圖13是平臺在并網(wǎng)的情況下輸出a相并網(wǎng)電壓及電流波形，從波形可知并網(wǎng)電流可保持與電網(wǎng)電壓同頻同相，并網(wǎng)電流經(jīng)過LCL濾波器濾波后正弦波形良好，實測功率因數(shù)約為0.96，諧波含量為3.44%，滿足國家標準，實現(xiàn)了高性能并網(wǎng)功能。

圖13 a相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流

5 結 語

系統(tǒng)的仿真及實驗的結果表明該系統(tǒng)采用60°(g/h)坐標系下的SVPWM控制方案的有效性及可行性。該方案系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的跟蹤性能良好，且其動態(tài)響應快，并網(wǎng)輸出電流波形正弦度好，THD較低并實現(xiàn)了單位功率因數(shù)下運行，并網(wǎng)性能高。

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