NPC三电平光伏逆变器并网控制策略仿真研究*

周　春，　欧阳丽，　古云蛟，　葛兴凯

上海电气集团股份有限公司 中央研究院　上海　200070



NPC三电平光伏逆变器并网控制策略仿真研究*

周春，欧阳丽，古云蛟，葛兴凯

上海电气集团股份有限公司 中央研究院上海200070

摘要：介绍了基于NPC(Neutral Point Clamped)三电平逆变器的光伏发电系统并网控制策略。根据光伏阵列的等效电路，在Matlab/Simulink中建立了光伏阵列模型，利用扰动观察法对光伏发电系统中Boost电路进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking， MPPT)控制，对NPC三电平逆变器采用U-Q控制并网策略，并对系统进行了建模仿真。仿真结果表明，该控制策略能够准确地实现光伏的最大功率点跟踪，并能有效地保证将逆变器直流侧传输的有功功率注入电网。

关键词：光伏； 最大功率点跟踪； 扰动观察法； NPC三电平逆变器； U-Q控制

Abstract：Introduced the control strategy for 3-level PV grid-connected NPC (Neutral-Point-Clamped) inverter. PV array model was established in Matlab / Simulink in accordance with the equivalent circuit of the PV array. Perturbation and observation method was used to control MPPT(Maximum Power Point Tracking) in the Boost circuit of PV generating system while U-Q controlled grid-connection strategy was adopted for 3-level NPC inverter to build the system model for simulation. Simulation results showed that this control strategy could achieve accurate tracking of maximum PV power and could effectively ensure active power transmission at the DC side of the inverter into the power grid.

Key Words：PV； MPPT； Perturbation and Observation Method； 3-level NPC Inverter； U-Q Control

光伏发电系统作为一种十分重要的分布式电源系统，应用越来越广泛。光伏发电是利用光伏电池将太阳能转化为电能的直接发电方式，是太阳能利用的一种非常重要的方式。光伏电池是光伏发电系统中最基本的电能产生单元，具有结构简单、体积小、清洁无污染、可靠性高、寿命长等优点[1][2]。由于光伏电池输出的是直流电，光伏发电并网需要经过逆变器进行直流/交流转换，本文主要介绍光伏阵列的MPPT控制以及光伏NPC三电平逆变器的并网U-Q控制策略。

1光伏阵列模型

光伏电池理想等效电路如图1所示，光伏电池由一个光生电流源Iph和一个二极管D并联组成。其中二极管不是一个在导通和关断两种模式间切换的理想型开关元件，其电压和电流之间存在连续非线性关系。光伏电池单二极管等效电路在理想模型的基础上，考虑内部损耗，通过增加串联电阻Rs和并联电阻Rsh来模拟[3]。

图1　光伏电池单二极管等效电路模型

光伏电池单二极管等效电路模型的输出伏安特性为：

(1)

式中：V为光伏电池输出电压；I为光伏电池输出电流；Iph为光生电流源电流；Is为二极管饱和电流；q为电子电量常量，q=1.602×10-19C；k为玻尔兹曼常数，k=1.831×10-23J/K；T为光伏电池工作绝对温度值，K；A为二极管特性拟合系数，在单二极管模型中无量纲；Rs为光伏电池串联电阻，Ω；Rsh为光伏电池的并联电阻，Ω。

光生电流是光照强度和电池温度的函数，可以表示为：

(2)

式中：S为实际辐照度，W/m2；Sref为标准条件下辐照度；Tref为标准条件下光伏电池工作绝对温度，K；CT为温度系数，K-1；Iph,ref为标准条件下光生电流值，A。

二极管饱和电流随着电池温度的变化而变化，满足关系式：

(3)

式中：Is,ref为标况下二极管饱和电流，A；Eg为禁带宽度，eV，与光伏电池材料有关。

光伏电池经串、并联形成光伏阵列，对应的光伏阵列等效电路如图2所示。

图2　光伏阵列的等效电路

光伏阵列等效电路模型的输出伏安特性为：

(4)

式中：Ns为串联光伏电池数；Np为并联光伏电池数。

2光伏发电系统

由式(4)可知，光伏阵列的输出电压和输出电流具有非线性关系，并且受光照、温度等因素影响。在特定的光照强度和环境温度下，光伏电池输出不同的电压和电流，但其中存在唯一的电压和电流，使此时电池输出功率最大。因此，为了使光伏发电系统的发电效率最高，应控制光伏电池始终运行在最大功率点，即进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking， MPPT)。另外，由于光伏电池发出的是直流电，因此要实现光伏并网，需进行逆变控制。本文研究的光伏发电系统采用两级式并网逆变器拓扑结构，如图3所示，光伏发电系统前级采用Boost变换器进行MPPT控制，后级采用NPC三电平逆变器，并通过U-Q控制策略进行并网。

图3　光伏并网系统

2.1　MPPT控制算法

常用的MPPT算法有扰动观察法、增量电导法、爬山法、神经网络控制法等[4-5]。如图4所示，在特定环境条件下，光伏电池输出最大功率点对应一个唯一的最大功率点电压Vm，因此只要控制光伏电池的工作电压为Vm，即可实现最大功率的输出。本文采用扰动观察算法的原理就是周期性地对光伏阵列电压施加一个小的增量ΔV，并观察输出功率的变化方向，进而决定下一步的控制信号。如果输出功率增加，则继续朝着相同的方向改变工作电压，否则朝着相反的方向改变工作电压。

图4　光伏输出功率与电压特性关系

扰动观察算法的流程如图5所示，检测光伏电池输出电压Vpv和输出电流Ipv，图中Vk、Ik分别为光伏电池k时刻检测到的输出电压和电流值，Vk-1、Ik-1分别为k-1采样时刻的光伏电池的输出电压和电流值，两者相乘等于光伏电池的输出功率Pk。利用扰动观察法，将当前时刻功率和电压与前一采样时刻功率和电压相减分别得到Pk-Pk-1与Vk-Vk-1，并利用式(5)判断扰动量ΔV，以此来调整输出参考电压的值，其中a为调整系数，取值为0.2。

(5)

图5　扰动观察法算法流程图

① 当Pk>Pk-1，Vk>Vk-1时，

② 当Pk>Pk-1，Vk

③ 当PkVk-1时，

④ 当Pk

令Vk=Vk-1+ΔV，即可实现最大输出功率跟踪。

采用扰动观察法MPPT控制方式控制前级的Boost电路，只需要利用MPPT控制得到光伏电池输出工作电压的参考值Vref，当控制Boost电路前级输入电压Vpv等于参考电压值Vref时，便可以实现光伏电池的最大功率输出[8]。图6所示为采用MPPT控制的Boost电路控制回路。

图6　Boost电路闭环控制

2.2　NPC三电平光伏逆变器

NPC(Neutral-Point-Clamped)三电平逆变器即中点钳位式逆变器，其拓扑结构如图7所示，该拓扑直流侧有2个分压电容，每相桥臂有4个开关管，并且每相分别有2个钳位二极管串联后跨接在正负半桥臂对应的开关器件之间。NPC三电平逆变器比较适合大容量、高电压变频场合，由于开关器件在较低的工作频率下可以获得较好的波形，因此开关损耗低，效率高，电路的电磁干扰(EMI)问题大大减轻[6][7]。

图7　NPC三电平逆变器

如图7所示，每一相都需要4个主开关器件、4个续流二极管、2个钳位二极管，以A相桥臂为例，分析稳态工作情况如下。

当开关管Sa1和Sa2同时导通、Sa3和Sa4同时关断时，若电流从逆变电路流向负载，即从P点经由Sa1和Sa2到达输出端A，忽略开关器件的正向导通压降，输出端A的电位等同于P的电位，即Vdc/2；若电流从负载流向逆变电路，这时电流从A分别经过续流二极管Da2、Da1流进P点，这时输出端A的电位仍等同于P的电位。当开关管Sa2和Sa3同时导通、Sa1和Sa4同时关断时，输出端A的电位仍等同于O点的电位。当开关管Sa3和Sa4同时导通、Sa1和Sa2同时关断时，这时输出端A的电位仍等同于N的电位，即-Vdc/2。

根据以上工作原理分析可知，A相输出端有3种电平，即Vdc/2、0、-Vdc/2。主开关管Sa1和Sa4不能同时导通，且Sa1和Sa3、Sa2和Sa4工作在互补状态。延伸至A、B、C三相，NPC三电平逆变器每相电压均有3种输出状态，分别为Vdc/2(P)、0(O)、-Vdc/2(N)，3个桥臂12个开关管，共有27种开关状态。不同开关状态，三相输出的相电压在空间合成4种大小不同的电压矢量，分别为0矢量(3种开关状态)、短矢量(Vdc/2，12种开关状态)、中矢量(3Vdc/2，6种开关状态)、长矢量(Vdc，6种开关状态)。根据27个电压矢量在坐标平面的位置，可得NPC三电平逆变器电压空间矢量图，如图8所示。

图8　NPC三电平逆变器空间电压矢量图

参考电压矢量在αβ空间以一定的频率旋转，当参考电压矢量旋转到某个区域时，可以选择该区域内的3个最近的基本电压矢量，在一定采样周期内各矢量分配作用时间合成参考电压矢量。在采样周期Ts内，对于一个给定的参考电压矢量Vref，可以用3个基本电压矢量来合成，根据伏秒平衡原理，满足方程组：

T1V1+T2V2+T3V3=TsVref

(6)

T1+T2+T3=Ts

(7)

式中： T1、T2、T3分别为矢量V1、V2、V3对应的作用时间；Ts为采样周期。

根据此方程组可以得到各基本矢量的作用时间，然后根据基本矢量与开关状态的对应关系，结合其它要求，确定所有的对应桥臂的开关状态，驱动功率管的通断，并控制各功率管的通断时间，这样逆变器就会输出产生三相互差120°的近似正弦波的阶梯电压。如图9所示，就是当参考电压矢量落在扇区I时的电压矢量合成，运用此种控制NPC三电平逆变器方法就是空间电压矢量调制法(SVPWM)，SVPWM是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制方法，采取这种方法，电压的利用率高，易于实现数字化，输出波形质量好。

图9　扇区I的参考电压矢量合成

2.3　U-Q控制算法

采用NPC三电平逆变器进行光伏并网，需要进行并网控制，本文采用U-Q控制方法。U-Q控制本质上是一种电流控制方法，其基本原理是将abc坐标系的三相电流通过Park变换，转化为d轴和q轴分量进行解耦，可以得到在dq坐标系下有功功率P仅与d轴有功电流有关，而无功功率Q仅与q轴无功电流有关，计算公式为：

(8)

(9)

由于电网电压幅值Vd保持不变，因此分别控制id和iq即可实现对逆变器输出有功和无功的控制，实现有功和无功的解耦。由上述分析可以得到控制框图如图10所示，利用Park变换将三相交流电流量转化为d轴和q轴直流分量进行解耦，通过PI控制器实现直流电流分量的无差跟踪，从而实现逆变器的功率控制[3]。

图10　U-Q控制算法

如图10所示，以电网侧电压作电压定向，将电网电压分解到αβ坐标系下，求出电网电压旋转矢量与α轴的夹角，用于坐标变换，使并网输出电流分解到dq轴下。外环为U-Q控制环，由直流母线电压参考值Udcref与实际值比较，经PI控制器生成有功电流id的参考idref，无功参考Qref与实际值比较生成无功电流iq的参考iqref。内环为电流环，使逆变器输出电流快速跟踪参考值，电流误差信号经PI控制器输出逆变器dq轴电压参考信号，经坐标变换转到αβ坐标系下进入SVPWM调制。在电流控制内环加入交叉耦合项和电压前馈项，是为了实现有功和无功的完全解耦，对于逆变器输出电压，有如下关系成立：

(10)

因此，id电流PI控制器输出侧加上一个ωLiq，iq电流控制器输出侧减去一个ωLid，可以实现仅用id控制ed和仅用iq控制eq，实现了控制的解耦。内环中加入电网电压ud、uq的电压前馈是为了加快控制系统的响应速度，给ed和eq一个较大的初值，保证控制系统的快速响应。

3仿真分析

根据上述研究，分别对光伏电池、NPC三电平逆变器及其控制算法进行建模，形成光伏并网系统的仿真模型，如图11所示，光伏阵列输出经过Boost变换器进行DC/DC升压，对Boost变换器采用MPPT控制，输出接入NPC三电平DC/AC逆变器，逆变器采用U-Q控制，光伏发出功率经逆变器变换及LCL滤波器接入大电网。

图11　并网光伏发电系统仿真模型

3.1　MPPT控制算法验证

仿真中设定光伏电池接受的实际辐照度S为1500W/m2，光伏电池工作温度T为300K，光伏电池阵列的输出功率与输出电压的特性关系如图12所示，从图中可以看出，当电池输出电压为454V时，对应最大功率点Pmax为16kW左右。因此，如果要保证光伏电池按最大功率输出，则需要保证其输出电压控制稳定在454V左右(如图13所示)，并网光伏发电系统仿真模型进入稳态之后，电池的输出电压约为454V，输出电流为36A左右(如图14所示)，则输出功率约为16kW，这表明MPPT控制算法有效地实现了最大功率点跟踪。

图12　输入光伏功率P-V曲线

图13　光伏输出电压

图14　光伏输出电流

3.2　三电平验证

光伏电池阵列的输出电压经过Boost变换器升压后的电压输出曲线如图15所示，该直流电压经过NPC三电平逆变器输出的三电平相电压如图16所示。经过LCL滤波后，输出电压和电流分别如图17与图18所示。

图15　NPC输出直流电压

图16　三电平NPC输出侧电压

3.3　U-Q算法验证

图19与图20所示分别为NPC三电平逆变器在U-Q控制的作用下输出的有功功率与无功功率的波形，其中有功功率为16kW左右，无功功率控制为0。因此，U-Q控制算法有效实现了将光伏发出的有功功率注入电网。

图17　并网电压

图18　并网电流

图19　有功功率输出

图20　无功功率输出

4结论

本文首先对光伏电池阵列进行了建模仿真，并对相应的光伏并网系统进行了建模，光伏并网发电系统由Boost变换器和NPC三电平DC/AC逆变器组成，模型中对Boost变换器采用MPPT控制，对NPC三电平逆变器采用U-Q控制，并对NPC三电平逆变器采用空间向量调制(SVPWM)控制。仿真结果表明，MPPT控制算法可以很好地实现光伏电池的最大功率点跟踪，U-Q控制算法可以有效保证光伏电池输出的有功功率注入电网，充分验证了控制算法的有效性，为进一步的系统开发提供了很好的数据参考和验证方法，缩短了开发周期，降低了开发成本。

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中图分类号：TM615+.2

文献标识码：A

文章编号：1674-540X(2015)02-041-07

作者简介：第一 周春(1973-)，男，在职硕士，工程师.主要从事分布式能源系统集成应用，E-mail： zhouchun@shanghai-electric.com

收稿日期：2015年2月

*上海市科委科技攻关计划项目(编号： 13dz1200401)