基于三电平NPC逆变器的并网控制策略

潘镜元，赵香花，朱大为，陈晋辉，刘文华

(1.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084；2.张家港智电西威变流技术有限公司，江苏 苏州 215600；3.卡尔顿大学，加拿大)

0 引 言

与两电平逆变器相比，NPC三电平逆变器在同样开关频率下输出电压谐波含量大幅降低，使得功率器件开关损耗降低，输出滤波器体积、成本下降。NPC三电平逆变器在交流电机传动、并网光伏与储能逆变器及无功补偿等多个领域得到广泛应用。

三相三线或四线NPC三电平逆变器在应用于光伏、储能及无功补偿领域时，根据运行工况的不同，需要实现恒有功或恒直流电压控制、恒无功或负荷无功补偿控制、不平衡负荷(负荷负序和零序电流)补偿控制。此外，为保证逆变器的安全运行，必须控制中点电位为直流侧电压的一半。文献[1-2]对星接链式STATCOM的并网无功控制及瞬时电流控制策略进行了研究，但对三相三线或四线NPC三电平逆变器并网时的不平衡负荷补偿控制方面的研究论文较少。文献[3]在空间矢量中点电位分析的基础上，分析了中点偏移和波动与三电平变流器有功功率和无功功率的关系，得出了有功功率主要影响中点电位的偏移，无功功率主要影响中点电位的波动的结论。文献[4-5]对通过零序电压注入的中点电位控制方法进行了研究，文献[6]基于简化的SVPWM提出一种混合式的三电平中点平衡控制策略，通过调整小矢量作用时间来实现中点电位的平衡控制。文献[7]在α-β-0坐标系下提出一种基于坐标平移原理的新型三维矢量优化选择调制策略，通过优化选择中点控制度值较高的矢量以合成目标矢量，从而达到最大程度控制直流中点电位偏移的目的。文献[8]中，对于三相三线系统,其控制策略为将均压环输出零序电压叠加到三相调制电压上从而实现了对中点电位的控制，而中点电位给定误差的计算由系统工作模式决定；对于三相四线系统，采用均压外环和电流内环的双闭环控制，通过均压外环调节零序电流给定从而实现了中点电位平衡控制。这些中点电位控制策略都各有优缺点，在实际算法实现时都较为复杂。

本文针对三相三线或四线NPC三电平逆变器在光伏、储能及无功补偿领域的应用，提出了其并网控制策略，包括恒有功/恒直流电压、系统无功闭环、系统负序电流及零序电流闭环控制策略，并通过分析在载波脉宽调制(Carrier-based Pulse Width Modulation，CBPWM)下输出电流方向对中点电位的影响，提出了一种根据上下电容电压差来调整脉冲宽度的中点电位平衡控制策略，并通过仿真和试验进行了验证。

1 并网功率控制策略

为适应不同的并网应用领域，NPC三电平逆变器的并网运行控制功能应包括：①恒直流电压控制；②恒有功功率控制；③恒无功功率控制；④网侧恒功率因数控制或网侧闭环无功控制；⑤不平衡负荷补偿控制(三相三线负荷负序电流补偿控制以及三相四线负荷负序和零序电流补偿控制)。图1给出了三相四线NPC三电平逆变器的并网功率控制策略，图2给出了三相四线NPC三电平逆变器瞬时电流控制策略。

图1中，三相网侧电流被同步转换到dq轴下进行闭环控制，得到逆变器输出参考电流的正序dq轴和负序dq轴分量。恒直流电压闭环控制和恒有功功率控制环节的输出二选一得到正序d轴电流参考分量ipd*，恒无功控制和网侧正序无功闭环控制环节的输出二选一得到正序q轴电流参考分量ipq*，网侧负序电流d轴分量的闭环控制输出得到负序d轴电流参考分量ind*，网侧负序电流q轴分量的闭环控制输出得到负序q轴电流参考分量inq*。对网侧负序电流进行闭环控制可以得到更好的不平衡负荷电流补偿效果。三相网侧电流正负序分量同步转换到dq轴分量的计算如式(1)～式(3)所示，实际应用中需要对转换后的dq轴分量进行低通滤波处理。

(1)

(2)

(3)

图1 并网功率控制策略

图2中，功率控制环节输出的逆变器输出参考电流正、负序dq轴分量分别经过dq/abc坐标变换将其转换回到abc坐标系下，并经过正负序向量合成，得到三相abc坐标系下的参考电流，该参考电流即可作为三相三线逆变器的输出参考电流irefa、irefb、irefc，进行瞬时电流控制得到三相三线逆变器的输出参考电压信号vrefa、vrefb、vrefc。而对于三相四线逆变器，为补偿负荷零序电流，需在输出参考电流irefa、irefb、irefc中分别叠加进负荷零序电流信号i0。

(4)

逆变器瞬时电流控制策略是：

(5)

图2 逆变器瞬时电流控制策略

瞬时电流控制原理就是使输出的交流电流波形紧密跟踪参考电流波形，具有较快的电流控制响应速度。瞬时电流控制虽存在一定误差，但因为采用了网侧正序无功和负序电流闭环PI控制，补偿精度可以得到保证。在实际控制器设计中逆变输出电流采样速度要较快，典型的采样步长是50 μs。

2 PWM调制及中点电压平衡控制

三电平NPC逆变器电路原理见图3，其PWM控制采用CBPWM控制策略。图4给出了A相桥臂输出电流、输出电压以及四只功率开关器件G1～G4的PWM脉冲、G1～G4的电流、反并联二极管D1～D4电流及钳位二极管DB1和DB2的电流波形，输出电流流出桥臂方向为正。

图3 三电平NPC逆变器电路原理图

图4 A相桥臂PWM脉冲与电流波形

桥臂电流方向及脉冲对上下电容电压平衡的影响分析如下。

2.1 输出电流大于0情况电路分析

G1～G4脉冲信号为1100时，DB1、DB2都截止，C1和C2同时放电或都不充电、不放电。

G1～G4脉冲信号由1100变为0110时，G1关断，G2、G3开通，DB1开通，此时C1充电或C2放电，使得C1电压上升而C2电压下降。此工况下的中点电位控制策略是：如果UC1>UC2，则使G2、G3上升沿后移，减少G2、G3开通时间，减少C1充电或C2放电时间；如果UC1

G1～G4脉冲信号由0110变为0011时，G1、G2关断，G3、G4开通，DB1、DB2都截止，C1和C2同时充电或都不充电、不放电。

2.2 输出电流小于0情况电路分析

G1～G4脉冲信号为1100时，DB1、DB2都截止，C1和C2同时充电或都不充电、不放电。

G1～G4脉冲信号由1100变为0110时，G1关断，G2、G3开通，DB2开通，此时C1放电或C2充电，使得C2电压上升而C1电压下降。此工况下的中点电位控制策略是：如果UC1>UC2，则使G2下降沿(由0110变回0011)和G3下降沿(由0110变回1100)后移，增加C1放电或C2充电时间；如果UC1

G1～G4脉冲信号由0110变为0011时，G1、G2关断，G3、G4开通，DB1、DB2都截止，C1和C2同时放电或都不充电、不放电。

由以上两小节分析可以得到中点电位平衡控制策略是：

(1)如果桥臂输出电流大于0且UC1>UC2，则使G2和G3脉冲上升沿后移时间t，t=k×(UC1-UC2)；

(2)如果桥臂输出电流大于0且UC1

(3)如果桥臂输出电流小于0且UC1>UC2，则使G2和G3脉冲下降沿后移时间t，t=k×(UC1-UC2)；

(4)如果桥臂输出电流小于0且UC1

在FPGA脉冲发生程序内对CBPWM输出的G2、G3脉冲进行上升沿或下降沿的延时处理，即可实现中点电位平衡控制。G1、G4脉冲分别由处理后的G2、G3脉冲反相加死区得到。

3 数字仿真验证

在380 V/33 kVA三电平NPC并网逆变器的PSCAD模型下进行了数字仿真验证，仿真模型主电路参数如表1所示。

表1 NPC三电平逆变器主电路参数

3.1 三相四线负载负序和零序电流补偿控制

如图5所示，对三相四线负载下A相50 A电阻负载以及A、B相各50 A电阻负载的工况进行了负序和零序电流补偿仿真。A相50 A电阻负载时，正序无功电流为0，负序和零序电流有效值都为16.67 A，A相补偿参考电流为33.34 A，B、C相补偿参考电流为16.67 A。可以看到，补偿后网侧A、B、C相电流均为16.67 A，零线电流为0。

图5 A相50 A电阻负载补偿前后系统电流和补偿电流波形

如图6所示，A、B相各50 A电阻负载时，正序无功电流为0，负序和零序电流有效值都为16.67 A，C相补偿参考电流为33.34 A，A、B相补偿参考电流为16.67 A。可以看到，补偿后网侧A、B、C相电流均为33.34 A，零线电流为0。

图6 A、B相50 A电阻负载补偿前后系统电流和补偿电流波形

3.2 中点电位平衡控制

逆变器输出有功太小时，逆变器上下直流电压无明显差异，只有在大功率下差异才比较明显。

在恒直流电压控制模式下，逆变器输出有功17 kW到电网，此时直流电容C1电压为406 V，C2电容电压为314 V，在0.5 s时投入中点电位平衡控制，0.05 s后上下直流电压趋于平衡，如图7所示。

图7 中点电位平衡控制效果图

图8 33 kVA 三电平NPC逆变器样机

4 试验验证

为了验证并网控制策略的有效性，在380 V/33 kVA的三电平NPC逆变器样机上进行了并网控制试验。样机的外观如图8所示，主电路的参数如表1所示。

图9 A相50 A电阻负载补偿前后系统电流波形

图10 A相50 A电阻负载补偿前后补偿电流波形

图11 A、B相50 A电阻负载补偿前后系统电流波形

图12 A、B相50 A电阻负载补偿前后补偿电流波形

4.1 三相四线负载负序和零序电流补偿控制

如图9～图12所示，对三相四线负载下A相50 A电阻负载以及A、B相各50 A电阻负载的工况进行了负序和零序电流补偿试验。A相50 A电阻负载时，补偿前负序和零序电流有效值都约为16.67 A，补偿后网侧A、B、C相电流有效值分别为20.8 A、14.7 A、14.6 A，均约为16.67 A。A、B相各50 A电阻负载时，补偿前负序和零序电流有效值都约为16.67 A，补偿后网侧A、B、C相电流有效值分别为32.1 A、35.8 A、27.3 A，均约为33.34 A。

4.2 中点电位平衡控制

如图13所示，在恒直流电压控制模式下，开始时逆变器输出有功2 kW到电网，此时直流电容C1稳态电压为374 V，C2电容电压为334 V，在1 s时投入中点电位平衡控制，之后上下直流电压趋于平衡。

图13 中点电位平衡控制效果图

5 结束语

三相三线或四线三电平NPC逆变器在应用于光伏、储能及无功补偿领域时，根据运行工况的不同，需要实现恒有功或恒直流电压控制、恒无功或负荷无功补偿控制、不平衡负荷(负荷负序和零序电流)补偿控制。本文提出了三相三线和三相四线三电平NPC逆变器的并网控制策略，包括恒有功/恒直流电压、系统无功闭环、系统负序电流及零序电流闭环控制策略，以及中点电位平衡控制策略，EMTDC数字仿真和物理样机试验结果验证了所提出控制策略的有效性。