摘要：針對兩級式T 型光伏并網逆變器出現(xiàn)開路故障后無法實現(xiàn)裝置并網接入的問題，提出一種七矢量空間矢量脈沖寬度調制（space vector pulse width modulation，SVPWM）策略，并通過最優(yōu)五段式方法簡化了冗余矢量運算，減少了開關損耗，提高了直流母線電壓的利用率。最后，搭建了50 kW 兩級式T 型光伏并網逆變器的電路模型。測試結果表明，七矢量SVPWM 策略保證了光伏逆變器具有較低的并網電流諧波含量以及良好的穩(wěn)態(tài)性能，并在三相光伏逆變器任何一相電路發(fā)生開路故障時仍具備良好的并網接入能力，提高了光伏并網逆變系統(tǒng)的可靠性。

關鍵詞：光伏；并網；逆變；開路故障；SVPWM

中圖分類號：TM464；TN78 文獻標識碼：A

0 引言

并網逆變器作為分布式能源與電網接口之間的核心裝置，其拓撲結構以及控制方式引起了工業(yè)界和學術界的廣泛關注[1-3]。三電平T 型拓撲結構因具有輸出諧波含量低、無源器件少、功率器件所承受電壓應力較小、功率損耗分布均勻、逆變效率高等優(yōu)點，被廣泛應用[1-6]。然而，隨著逆變裝置的電平數(shù)增加以及長時間使用，功率器件發(fā)生短路故障或者開路故障的概率逐漸增大[7]。其中，短路故障會出現(xiàn)大電流，需進行停機保護操作；而開路故障則可以通過容錯控制或調制策略來維持并網逆變裝置的正常運行[2-6]。

張志等[1] 提出一種單載波調制策略，保證了兩級式三相T 型光伏并網逆變器的正常運行，但是不適合存在開路故障的逆變電路。而九矢量空間矢量脈沖寬度調制（space vector pulse width modulation，SVPWM）策略適用于存在開路故障的光伏并網逆變電路，以保證逆變裝置的正常運行，但是其矢量較多，運算相對復雜[2]。周朋飛等[4] 分析了電路中功率器件發(fā)生開路故障后T 型三電平逆變器的拓撲重構以及SVPWM 中存在的冗余矢量，為后續(xù)研究提供了科研分析基礎。張傳金等[5] 提出了一種基于載波調制的容錯控制策略，確保了存在開路故障問題的T 型逆變器可以繼續(xù)正常運行，但是輸出并網電流的諧波含量較大，會出現(xiàn)線路傳輸損耗增加以及威脅電網用戶側設備的運行等問題。CHOI 等[6]同樣提出一種容錯SVPWM 策略以維持開路故障后T 型三電平逆變器的正常運行，但是數(shù)字化的實現(xiàn)相對復雜，控制器的運算負擔較重。因此，為了保證開路故障后T 型三電平逆變器可以正常運行且并網電流諧波含量低、運算簡單，亟須從控制方法或者調制策略著手，以提高并網逆變裝置的可靠性。

本文以a 相開路故障后的T 型光伏并網逆變器為研究對象，提出一種基于最優(yōu)五段式方法的七矢量SVPWM 策略，減少了冗余矢量的使用，簡化了冗余矢量運算，降低了開關損耗，保證了T 型逆變器即使出現(xiàn)任何一相開路故障也具備良好的并網接入能力，并通過50 kW 的光伏并網逆變器電路模型驗證了所提七矢量SVPWM 策略的可行性和有效性。

1 三相T型并網逆變系統(tǒng)及數(shù)學模型

1.1 三相T 型并網逆變系統(tǒng)

圖1 展示了傳統(tǒng)兩級式T 型光伏并網逆變器發(fā)生a 相開路故障后的主電路拓撲結構及其控制，前級為傳統(tǒng)Boost 電路，主要是為了實現(xiàn)光伏側的最大功率跟蹤輸出（maximum power point tracking，MPPT），因此采用了基于擾動觀測法的MPPT 控制方法，將光伏可再生能源轉換為電能，并將電能傳輸給后級逆變側；后級為a 相開路故障的三電平T 型并網逆變器，主要功能是將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姴㈦娔芩腿氪箅娋W。針對后級a 相開路故障后的三電平T 型并網逆變器，采用了直流母線電壓外環(huán)以及電流解耦內環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，并通過基于最優(yōu)五段式方法的七矢量SVPWM 策略使T 型逆變器的開關器件工作順序最優(yōu)化，簡化了運算，減少了開關損耗，確保了T 型逆變器在出現(xiàn)任何一相開路故障時仍具備良好的并網接入能力。其中，PI 為比例—積分控制器；PWM 為脈沖寬度調制；Lb 為升壓電感；C1 和C2 為直流母線濾波電容；Lg 為并網濾波電感；ea ～ ec 為三相并網電壓；Qb、Qb1 ～ Qb4 和Qc1 ～ Qc4 為絕緣柵雙極晶體管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）功率開關器件；直流母線參考電壓Udc_ref 設置為1 200 V，以保證參考電壓矢量在調制度內正常運行，實際直流母線電壓Udc 會跟隨參考電壓的設定值；q 軸坐標系下的并網無功參考電流iq_ref 設置為零，以保證逆變器接入電網時有功功率最大，減少逆變過程中的無功損耗，提高電能轉換效率。

1.2 三電平并網逆變器數(shù)學模型

由于電網通常為對稱的三相三線制，在主電路結構中三電平T 型并網逆變器被視為電壓交流源，理想狀態(tài)下三相電路的瞬時電壓以及電流之和為零。因此，根據基爾霍夫電流定理，可得出a 相開路故障后T 型并網逆變器在三相靜止abc 坐標系下的數(shù)學模型：

式中，ij 為輸出并網電流（j=a、b、c）；t 為時間；rL 為并網側電感等效內阻；ujo 為各相橋臂輸出電壓；ej 為各相并網電壓。

為了便于反饋閉環(huán)控制環(huán)路的設計，故將三相abc 坐標系轉換到兩相旋轉dq 坐標系下，可得其數(shù)學模型：

式中，id 和iq 為dq 坐標系下的并網電流；ud 和uq為dq 坐標系下的T 型逆變器輸出電壓；ω 為逆變器角頻率，ω=100π；ed 和eq 為dq 坐標系下的電網電壓。

2 七矢量SVPWM算法原理

2.1 開關狀態(tài)及七矢量SVPWM 圖

在三相電路中，假設a 相橋臂存在開路故障，則a 相橋臂此時為開路狀態(tài)，即開關狀態(tài)所對應的矢量全部為O，可忽略a 相矢量以簡化最終的七矢量名稱。故僅需考慮b 相和c 相橋臂的開關狀態(tài)，而同一個橋臂中開關器件的驅動信號兩兩互補（Qb1 和Qb3 互補、Qb2 和Qb4 互補、Qc1 和Qc3 互補、Qc2 和Qc4 互補）?；诖?，可推導出a 相開路故障后的三相T 型并網逆變器具有9 種工作狀態(tài)[2]。然而，為了簡化矢量作用時間的運算，從而減輕控制器運算負擔，可直接忽略矢量PN 和NP，明確本文所提的七矢量調制策略。因此，可構建7 種開關狀態(tài)（表1），其中，Sb 與Sc 分別為b 相和c 相電路中IGBT 功率開關管對應的工作狀態(tài)；uao、ubo、uco 分別為圖1 中點a、b、c 到中心點o 的電壓。

根據表1 所示的7 種開關狀態(tài)，可以繪制出七矢量空間電壓矢量圖（圖2），區(qū)域Ⅰ～Ⅵ表示參考電壓矢量Ur 在兩相靜止αβ 坐標系下可能坐落的6 個三角形區(qū)域，每個三角形區(qū)域由3 個鄰近的矢量構成，即表明參考電壓矢量可由最近3 個電壓矢量合成且均包含零矢量OO。

2.2 最優(yōu)輸出電壓矢量的作用順序

由于電壓矢量可由鄰近的3 個電壓矢量合成，根據圖2 可推導出如表2 所示的最優(yōu)輸出電壓矢量作用順序。從表2 可以發(fā)現(xiàn)，僅有一相電路中的2 個互補IGBT 功率開關管的開關狀態(tài)發(fā)生一次變化，這樣可有效避免冗余矢量在6 個區(qū)域之間切換的突變，達到減少開關損耗的目的，從而提高整個并網逆變裝置的效率。因此，以區(qū)域Ⅰ為示例，繪制了如圖3 所示的最優(yōu)五段式輸出電壓矢量時序圖。

2.3 輸出電壓矢量的作用時間

在伏秒平衡原理的支撐下，根據式（3）可推導出區(qū)域Ⅰ中鄰近的3 個合成電壓矢量的作用時間。此外，同理可以推導出其他5 個區(qū)域內（區(qū)域Ⅱ～Ⅵ）的合成電壓矢量作用時間。

式中，Ur 為參考電壓矢量；V1 為電壓矢量OO；V2為電壓矢量ON；V3 為電壓矢量NN；Ts 為開關周期，Ts=1/fs，fs 為開關頻率；T0 為電壓矢量OO 作用時間；T1 為電壓矢量ON 作用時間；T2 為電壓矢量NN 作用時間。

通過綜合分析并且利用式（4）推導，可構建如表3 所示的6 個三角形區(qū)域內輸出電壓矢量作用時間，其中，Udc 為直流母線電壓。

式中，θ 為Ur 與橫坐標軸α 之間的夾角，且θ 的取值范圍為[0，2π]；Uα 為Ur 在橫坐標軸α 上的映射；Uβ 為Ur 在縱坐標軸β 上的映射。

3 實驗結果與分析

為了驗證所提七矢量SVPWM 策略的可行性和有效性，搭建了額定功率為50 kW 的三相兩級式T型光伏并網逆變器仿真模型測試樣機，T 型光伏并網逆變器的關鍵參數(shù)如表4 所示。

圖4 為a 相并網電壓與三相并網電流波形，其中電網電壓的有效值為220 V、頻率為50 Hz。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，三相逆變器并網電流的正弦化程度較高，且依次相差120°，進一步表明了T 型逆變器的輸出三相電流對稱，并入大電網后不會造成電網電流的不對稱或者不平衡且不會對其造成沖擊。

當光伏T 型逆變器以額定功率工作時，a 相并網電壓電流波形及a 相電流快速傅里葉變換（fastFourier transform，F(xiàn)FT）分析結果如圖5 所示。從測試波形結果可以看出，a 相的輸出并網電流與電網電壓同頻同相，此時輸出并網電流ia 的峰值為107.2 A，表明此時三相T 型光伏逆變器向大電網傳輸功率，且傳輸功率為50 kW。此外，在七矢量SVPWM 策略的作用下，a 相并網電流總諧波失真（total harmonic distortion，THD）僅為1.71%，有效地控制了并網電流的諧波含量，并確保了三相T 型光伏逆變器在任何一相開路故障時仍具備良好的并網接入能力，不會威脅電網的安全、穩(wěn)定運行。

4 結語

本文圍繞a 相開路故障的三相兩級式T 型光伏并網逆變器展開一種基于最優(yōu)五段式方法的七矢量SVPWM 策略研究，僅需利用7 個冗余矢量，即可實現(xiàn)逆變以及并網接入的功能。測試結果驗證了所提七矢量SVPWM 策略的可行性和有效性，其不僅有效簡化了矢量運算，還確保了光伏并網逆變器具有低諧波含量和良好的穩(wěn)態(tài)性能，極大地提高了光伏并網逆變裝置的可靠性。

參考文獻

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基金項目：50 kW 工商業(yè)儲能系統(tǒng)項目（FLS-RD-001）；智能戶用型混合儲能系統(tǒng)關鍵技術研究與應用項目（FLSRD-001/2/3）。