简化的SVPWM算法在三电平光伏系统中的应用*

薛家祥，马前进，郑照红，廖天发

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

在光伏发电技术日趋成熟的今天，三电平逆变电路已经成为逆变设备的首选结构。与传统的两电平逆变电路相比，主要有能够承受高电压、电压电流上升率低等优点[1]。在众多的控制策略中，SVPWM（空间矢量脉宽调制）具有调制比大、能够优化输出电压波形、易于数字实现、母线电压利用率高等特点，因而SVPWM控制方式受到了人们的普遍关注[2]。但传统三电平SVPWM算法是把电压矢量空间等分成6个大扇区，每个扇区又分成4个小三角形扇区，利用基本矢量在小扇区中计算出矢量作用时间，根据矢量切换点的切换条件在24个小三角形之间进行切换，计算较为复杂。本文寻找到一种新的简化的SVPWM，把每个大扇区分成2个直角三角形[3]，这样就极大减少了计算量，并将该算法在已有的10 kW的三电平光伏逆变器上实现，得到很好的并网电流波形。

1 三电平逆变器

二极管中点箝位式三电平逆变器主电路如图1所示。通过对三电平逆变器拓扑分析可知，三相三电平输出电路可以得到33=27种开关组合，对应27组不同的电压状态组合。定义电压空间矢量为：

图1 二极管中点箝位式三电平逆变器主电路

开关变量Sa、Sb、Sc代表各相桥臂的输出状态。在 α-β平面上，三电平逆变器27组开关状态所对应的19个空间矢量如图2所示，其中pon表示a、b、c三相输出对应的开关状态为正、零、负。按照基本矢量幅值可分为大矢量(2Vdc/3)、中矢量Vdc/3)、小矢量(Vdc/3)、零矢量(0)。

图2 三电平基本空间矢量图

2 三电平逆变器空间矢量的简化算法

三电平逆变器的SVPWM控制的实现步骤在每个采样周期内，可以按以下3步进行[4]：

(1)参考矢量所在区域的判断：目的是找出合成期望电压空间矢量的3个基本电压空间矢量，包括期望矢量所在大区和小区的判断。

(2)基本矢量作用时间的计算：确定3个基本矢量在一个采样周期内的作用时间，即每个矢量对应的占空比。

(3)基本矢量开关顺序的分配：确定各个基本空间矢量所对应的开关状态和作用次序，将基本空间矢量所对应的作用时间分别分配给相应的开关状态，最终完成对开关器件的控制。

本文的SVPWM算法与传统法不同之处在于小区域的划分：把每个大扇区分成两个小的直角三角形区域。例如把图2中的大扇区I分成V0V7V13组成的直角三角形1和V0V7V14组成的直角三角形2。

所期望的电压空间矢量可有其所在的直角三角形的3个顶点来合成，例如当空间电压矢量落在直角三角形 1中时，期望开关矢量由零矢量 V0、中矢量 V7、大矢量V13合成，由伏秒平衡原理得：

可得：

式中：

同理可得当参考电压矢量落在直角三角形区域2时有：

根据空间电压矢量作用顺序所遵守的原则[5]，为了进一步减少开关次数，本文采用五段式SVPWM，相应的开关顺序在直角三角形1中为V0-V7-V13，在直角三角形 2中为 V0-V7-V14。

由三电平逆变器空间电压矢量分布图可知，其有6个扇区，每个扇区之间相差60°。根据归一化的思想，将每个扇区都顺时针旋转与第一个扇区重合便可得到相应的矢量分配时间和作用顺序。

分析中点电位的波动原理可知[6]，中点电位的偏移是由小矢量和中矢量引起的。在一个扇区内，小矢量的不对称出现会引起中点电位偏移；中矢量对中点电位的影响比较复杂，在一般的电机控制中存在功率因素角，在电网和电机之间存在能量双向流动，负载不对称，致使中矢量引起中点电位偏移。而在光伏逆变器要求功率因素为1，不存在与电网之间的能量双向流动，所以在三电平并网逆变器中采用中矢量不会影响中点电位平衡。这就省去了对中点平衡的控制，有利于软件的编程。

3 简化算法的实验及结论

为了验证以上所提出的算法，首先在MATLAB环境下用S函数建立了此三电平逆变器的闭环仿真模型[7]，得到闭环输出的电流波形如图3所示，从上到下依次为R相、S相、T相。可以看出在此算法下能产生平滑的电流波形，验证了算法里的可行性。

图3 仿真输出的的并网电流波形

图4 并网电流波形

图5 中点电压波形

图6 电感之前的三相电压细节波形

在实验室已有的三电平逆变器上实现该算法。此三电平逆变器主电路采用两级变流结构[8]，前级是双BOOST升压电路，后级为二极管中点箝位式三电平逆变电路，采用LC滤波，控制电路以TMS320F2808和CPLD EPM-1270T144C5N为核心的。其中母线支撑电容总大小为620μF，逆变电感为 0.8 mH，滤波电容为 10μF。

以Topcon的太阳能光伏模拟器作为输入源，输入最大功率为5 kW，测得实际的实验并网电流波形如图4所示。测得的中点电压波动如图5所示，从上到下依次为母线电压、中点电压和T相电流，母线电压稳定在有效值721.27 V，中点电压稳定在有效值 358.66 V，中点电位波动很小。测得的逆变电感之前的三相电压波形细节图如图6所示，从上到依次为T相电压、S相电压和R相电压，从图中分析可知开关变化为000→-101→-111→-101→000，由此可以确认本文使用的是五段式，并且起始矢量都是从000开始。

经以上分析可见，采用简化的SVPWM后，光伏逆变器输出较为理想的并网电流波形且中点电位波动很小，从理论和实际上都验证了该算法的可行性。

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