一种新的三电平光伏逆变器中点平衡算法

苏家庆

（合肥工业大学电气工程与自动化学院，合肥 230009）

一种新的三电平光伏逆变器中点平衡算法

苏家庆

（合肥工业大学电气工程与自动化学院，合肥 230009）

文章针对三电平光伏逆变器的中点平衡问题，采用统一中点平衡算法，计算在一个载波周期内达到中点平衡所需叠加的零序分量，并采用基于载波实现的方法注入零序分量以实现中点平衡的控制，避免了扇区判断及空间矢量作用时间的几何计算，易于工程应用。实验结果验证了上述方案的正确性和有效性。

三电平；中点平衡；零序分量；控制

光伏发电因其具有绿色无污染，安全可靠等优点，成为最有发展前景的发电技术之一［1-2］。由于三电平光伏逆变器具有谐波含量小，电压畸变率低，耐压等级高等特点，故在光伏发电系统中得到广泛应用［3-4］。

三电平逆变器具特有中点电位的不平衡问题。为了保证其正常运行，常见的平衡中点电位的方法主要分为以下3种：①上下电容电压取自两路独立的直流电源［5-6］；②用额外的变流器向直流侧中点注入或抽取电流［7］；③通过软件改变调制算法来平衡中点电位［8-10］。前两种方法都在系统中增加了硬件的投入，从而增加了系统的成本；而通过改变调制算法却不会增加成本，所以更受青睐。文献［8-9］运用冗余小矢量分配的方法，物理意义清晰，可以对中点平衡控制进行深入分析，但其需要进行复杂的扇区划分及矢量分解运算；文献［10］提出一种基于虚拟矢量的SVPWM方法，可以完全消除中点电位波动，但开关损耗大且共模电压变化频率高，同样需要进行复杂的矢量分解计算。

本文针对三电平逆变器的中点平衡问题，采用统一中点平衡算法，该方法从载波角度出发，计算在载波周期内能达到中点电位平衡所需要叠加的零序分量，采用向调制波注入零序分量的方法来平衡中点电位，这种方法不需要进行复杂的扇区判断及矢量作用时间计算，实现简单，易于在工程中实际应用。最后在三电平逆变器实验平台上对文中所用中点平衡控制算法进行实验验证，结果证明了该方法的正确性及有效性。

1　三电平逆变器载波调制

图1为三电平NPC光伏逆变器的结构拓扑，由光伏阵列、电容器，三电平逆变器、滤波器等组成。其中光伏阵列可将太阳能变换为直流电，通过逆变器将直流转换成交流。三电平逆变器由12个IGBT 和12个反并联二极管及6个箝位二极管组成。用开关函数Sk（Sk=1，0，-1）表示三电平NPC逆变器k（k=a，b，c）相的输出状态。

图1　三电平NPC非隔离型光伏并网逆变器拓扑

在三电平逆变器载波调制中，调制波信号与两个三角载波信号比较，得到需要的PWM信号。具体分析如下：如图2所示，在调制波信号正半周，正弦调制信号与正半周三角载波信号比较得到的两路互补PWM信号分配给Sa1、Sa3；同时调制信号与负半周三角载波比较得到的互补信号分配给 Sa2与Sa4。在调制信号的负半周：用正弦调制信号与正半周三角载波信号比较得到的两路互补PWM信号分配给Sa1、Sa3；同时将调制信号与负半周的三角载波比较得到的互补PWM信号分配给Sa2与Sa4。

图2　载波调制示意图

载波调制可以分为同相载波调制和反相载波调制，其开关状态分别如图3所示，根据三角形相似原理，同相载波和反相载波在0电平的开关状态时，其作用时间都可以用表示，其中 vx′（x=a， b，c）为三相调制波。

图3　同相与反相载波开关状态图

2　统一中点平衡算法

本节中研究一种统一中点平衡算法，其采用的是注入零序分量的载波层叠 PWM调制。该中点平衡算法的中心思想是：计算在载波周期内能实现中点电位平衡所需叠加的零序分量，采用向调制波中注入零序分量的方法从而使得中点平衡。

由图1可知，npi为开关状态为0（即桥臂和直流侧中性点相接）时的相电流，例如，当开关状态为100的冗余小矢量0-1-1时，当开关状态为10-1时，当开关状态为100时，则中点电流通用表达式为

根据第1节对载波调制的分析，可以得到开关状态为 0电平时的作用时间都可以用表示，那么单位开关周期（采样周期）平均电流inp0av可以表示为

那么当调制波为xv′时，在一个开关周期内流入中点的电荷可表示为

倘若在上述调制波xv′的基础上，再叠加一个零序分量vΔ后所得到的调制波为xv′′，那么就有

当调制波xv′符号保持不变时，在调制波中注入零序分量vΔ，那么对应的单位时间内所引起的流入中点电荷的变化量可表示如下：

上式中定义

期望注入零序分量vΔ 后的中点电位为0，即

将式（3）、式（5）代入式（6）解得

为了得到加入中点平衡后的调制波xv′，我们可将计算后的vΔ 经限幅后代入式（4）即可。

由于调制波的范围在-1～1之间，当叠加的零序分量超过该范围时，则对中点电位无调节作用，因此采用叠加零序分量的方法存在一定的不可控区域，随功率因数φ和调制度m的变化其中点平衡可控区域如图4所示，在可控区域内中点电位可以实现无偏差无波动。不可控区域内，虽然不能保证在每个周期内的中点电位为 0，但对中点漂移和中点波动都起到了一定的抑制作用。

图4　NPC逆变器中点电位完全可控区域示意图

3　实验验证

为了验证三电平逆变器采用各中不同的调制策略下，采用统一中点电位平衡控制算法的控制效果到底如何，本文进行了实验验证来说明。实验具体参数如下：直流电压Vdc=280V；输出电流I=10A；频率fs=10kHz；直流侧电容：C1=C2=1680μF；滤波电感 L=1mH；负载电阻：R=12Ω；示波器为GEKTRONIX DPO3034；CPLD：EPM12707144C5；DSP：TMS320F28335。

图5所示为当三电平逆变器采用SPWM调制时中点平衡控制前后的直流电压与相电流的实验波形，图6所示为采用SVPWM调制时中点平衡控制前后的直流电压与相电流的实验波形，由图5和图6可知，在控制中点电位前，中点电位存在一定的偏移，当使用统一中点平衡算法后，中点电位的偏移被抑制，且波动量有所减小，相电流波形质量得到提高。

图5　SPWM调制中点平衡控制前后直流电压与相电流波形

图6　SVPWM调制中点平衡控制前后直流电压与相电流波形

4　结论

本文针对三电平逆变器的中点平衡问题，采用统一中点平衡算法，该算法从载波角度出发，计算每个载波周期为了实现中点平衡而需要叠加的零序分量，从而有效地控制了中点电位。与以往的从矢量算法相比，统一中点平衡算法计算量明显减小，更易于在工程实践中应用。最后，实验结果证明了本算法的有效性与正确性。

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The New Neutral Point Balance Algorithm for Three-Level Photovoltaic Converter

Su Jiaqing
（School of Electrical and Automation Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009）

A new neutral point balance algorithm for three-level photovoltaic converter is adopted in this paper. The algorithm is realized in carrier wave form. The zero-sequence component needed in a carrier period is calculated for neutral point balance is calculated. The zero-sequence component is added to the modulation wave to control neutral point voltage. This method does not need sector judgment and complex geometry processing， it is simple and easy to implement in project. The experiment results verify the correctness and validity of the algorithm.

three-level； neutral point voltage balance； zero-sequence component； control

苏家庆（1987-），男，安徽省安庆市人，硕士研究生，研究方向为新能源发电技术。