T型三电平并网逆变器的控制方法研究

范谱林，张立炎

（武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉430070）

0 引 言

太阳、风力发电等新能源系统需要并网逆变器作为与电网的接口，大功率无变压器拓扑结构可以考虑多电平逆变器。与传统的两电平全桥电路相比，中性点钳位（NPC）拓扑具有较低的电压上升率，更低的开关损耗，从而提高逆变器的效率［1］。

本文首先针对T型三电平逆变器独特的中性点钳位方式，提出了将改进后的SPWM调制方式应用于三相T型并网逆变器中，设计了电流前馈解耦控制器以及功率闭环控制器，实现了并网时有功功率和无功功率的单独控制。最后使用simulink仿真验证控制方法，在有电网扰动的情况下具有一定的鲁棒性。

1 T型三电平拓扑

1．1 拓扑介绍

T型三电平NPC拓扑也称为Conergy三电平拓扑，在电容分压得到的中性点与输出点之间加入了双向的功率开关，实现中性点的钳位。这种拓扑单独一只桥臂形似旋转过的字母‘T’，因此称为T型三电平。

T型三电平的工作原理［2］在于，通过双向的功率器件将输出点与中性点钳位，这种双向的功率器件可以使用反并联或者反串联的IGBT，或者单只逆阻型IGBT。

1．2 工作状态分析

以单桥臂为例分析T型三电平逆变器的工作方式，定义从输出点A流向电感的方向为正，根据相电流与相电压的极性，电路分为4种工作状态。

图1所示的拓扑是三相T型三电平逆变器的A相桥臂，开关状态如表1所示。在输出等效正弦电压的正半周期，Sa2保持导通，Sa4保持关断，Sa1和Sa3导通信号保持互补；在输出等效电压的负半周期，Sa3保持导通，Sa1保持关断，Sa2和Sa4导通信号保持互补。

图1 单相Conergy Npc拓扑结构

1．3 三相拓扑

Conergy三电平拓扑增加了钳位电路，可以使用双向IGBT，两只反向并联的IGBT或者两只反向串联的IGBT，利用晶体管内部的体二极管实现电流的续流。如图2所示，描述了三相三桥臂的T型三电平NPC逆变器拓扑，直流母线P和N分别接入直流电源的正负极，通过两只相同容量的电容分压，得到中性点，或者成为电压的“中点”［3］。

表1 Conergy三电平NPC的半桥开关状态

图2 三相Conergy NPC并网拓扑

正弦波脉宽调制（SPWM）的调制波是正弦波，通过与三角载波比较输出控制脉冲。为了将SPWM应用于三电平T型逆变器，需要在控制脉冲的产生上做一定的修改。在脉宽调制方式的基础上，可以使用双极性三角载波与正弦波比较得到脉冲序列［4］。

2 数学模型

在三相静止对称坐标系中建立逆变器的一般数学模型，通过坐标变换将三相静止的abc坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系，交流量可以转化为直流量，便于控制系统的设计［5］。

假设电网是三相平衡的，逆变器通过滤波电感L以及电阻R与电网相连，dq坐标系下的数学模型如下：

其中ed、eq是电网电动势E的分量，ud、uq是逆变器交流侧SPWM调制波电压的d、q分量，id、iq是电网流向逆变器的电流矢量I的d、q轴分量。

3 使用前馈解耦控制的电流闭环

并网逆变器的功率控制是以瞬时功率理论为基础的，这种功率控制通常以网侧电压为基础，基于dq坐标系，是与电压向量旋转角速度ω相同的两相旋转坐标系［6］。使用前馈解耦控制策略，可以实现电流dq分量的解耦，电流调节器使用比例积分控制器，控制方程如下：

其中kiP、kiI分别是电流内环的比例增益和积分增益。iq，ref、id，ref分别是d轴和q轴的电流指令。将所设计的电流调节器代入坐标系模型中得到：

以上结果表明，使用前馈控制方法后，电流d轴分量的表达式不再含有q轴分量，两者实现了解耦，从而可以实现电流内环dq轴分量的单独控制，如图3。

图3 dq坐标系下的电流闭环解耦控制

在dq坐标下进行的电流闭环控制是功率控制的最直接形式，将该方法进行改进，引入功率闭环，将有功功率和无功功率参考值指令转化为dq坐标下电流的指令，形成功率闭环控制。图中的PQ计算模块如公式（4）所示。

在此基础上，可以改变控制环节进行功率的闭环控制。

如图4所示，有功功率和无功功率经过计算输入控制器，与设定值作比较后经过PI控制器输出dq坐标下电流的参考值。功率闭环控制器的优点在于，可以在电网侧电压发生扰动的时候提供良好的动态性能，实现功率的精确输出。

4 仿真结果

图4 PQ闭环参考电流控制器

为了验证所设计的并网控制方法的有效性，在simulink环境中搭建了conergy NPC三电平逆变器的仿真电路，系统参数如表2所示。

表2 仿真参数

实验1：单位功率因数并网电压和电流的波形。从图5中可以得出，经过滤波电容之前逆变器的线间电压有±800 V和±400 V和0，线电压Ua－b体现出其三电平的特性。输出电流为正弦波，并且与线对地电压相位相同，功率因数保持在1。

图5 单位功率因数并网的电压电流波形

实验2：电网电压三相平衡，幅值、频率和相角不改变。0．22 s给出改变输出无功和有功调整的指令，有功指令从0．8 p．u．跳变到0．5 p．u．，无功功率指令从0跳变到0．62 p．u．，功率因数从1变到0．627。

图6是电网电压和逆变器输出实际电流的波形。图7是dq坐标系下电流的改变。从图中可以看出，发出指令之后输出电流迅速地跟随指令值改变，电流波形保持正弦波。

图6 功率变化时电网电压和输出电流的波形

图7 dq坐标系下的电流波形

5 结 论

本文提出了改进型SPWM在T型三电平并网逆变器中的应用，结合电流闭环解耦控制器实现了功率解耦控制。

使用前馈控制的策略，基于坐标系的变换，可以实现电流分量的解耦，从而可以单独控制电流分量，达到有功功率和无功功率精确控制的目的。同时，可以在电网侧电压发生扰动时提供良好的动态性能，在实际应用中具有一定的鲁棒性。

［1］ 李 宁，王 跃，雷万钧，等．NPC三电平变换器中点电压控制方法综述［J］．电力电子技术，2011，45（10）：78－80．

［2］ 童鸣庭．三相T型三电平非隔离并网逆变器的研究［D］．合肥：合肥工业大学，2013．

［3］ 肖华锋，杨 晨，谢少军．NPC三电平并网逆变器共模电流抑制技术研究［J］．中国电机工程学报，2010，（33）：23－29．

［4］ 王 勇，高 宁，罗悦华，等．三相三电平并网逆变器无死区SPWM控制研究［J］．中国电机工程学报，2011，31（21）：70－75．

［5］ 李玉军．三电平逆变器控制方法及其在矢量控制中的应用研究［D］．重庆：重庆大学，2008．

［6］ 黄守道，陈继华，张铁军．电压型PWM整流器负载电流前馈控制策略研究［J］．电力电子技术，2005，39（4）：53－55．