准Z源级联多电平逆变器单元间功率平衡控制
2019-10-31杜春水刘强郭文君陈阿莲
杜春水 刘强 郭文君 陈阿莲
摘要：针对准z源级联H桥多电平逆变器单元间功率不平衡带来的系统稳定性差、电能质量低等不足，提出了一种单元間输入功率不平衡工况下系统稳定控制策略。建立了准z源级联逆变单元数学模型以及系统功率模型，阐述了不平衡功率输入时单元间相互作用机理，通过构造虚拟平均功率单元及其调制信号因子，计算出各单元输出功率与虚拟单元平均功率的偏差，调整各自调制信号因子，采用融合z源逆变单元升压直通占空比的载波移相脉冲宽度调制技术，实现了逆变器单元间有功功率均衡控制和直流母线电压稳定，仿真实验和样机测试结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。
关键词：H桥级联多电平逆变器;光伏并网发电;准z源;虚拟平均功率单元;功率平衡
DoI：10.15938/j.eme.2019.08.003
中图分类号：TM464文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2019）08-0019-09
0引言
近年来，级联型多电平逆变器因其对功率器件耐压要求低、开关应力小、输出电压谐波含量低等明显优势，在有源电力滤波器、静止同步补偿器、光伏发电系统等诸多领域应用前景广阔，另外，电气化铁路的高速发展，使得级联型拓扑在电气化牵引供电系统中备受青睐。准z源H桥级联型多电平逆变器（quasi-Z-source cascaded multilevel invert-er，QZSCMI）是在经典H桥级联多电平逆变器基础上提出和发展起来的，由于级联单元的直流环节包含准z源网络，其电源性质发生了根本性变化，既不同于电压源逆变器，也不同于电流逆变器，较经典级联H桥逆变器优越性显著：（1）单元H桥功率开关器件允许有“直通”状态，可靠性高;（2）单级升降压功率变换功能，允许输入电压波动范围大，适应能力强。
为充分发挥新一代QZSCMI优势和潜能，国内外学者在控制方法、调制策略、系统效率分析和输出电能质量等方面取得了诸多研究成果。然而在级联型多电平光伏并网逆变器中，光照、温度以及各级光伏阵列输出特性不匹配，易造成各级直流母线电压漂移，降低并网性能和系统可靠性，可见功率平衡控制是级联型多电平逆变器控制策略的关键环节。目前针对级联型多电平逆变器功率平衡控制问题，已有一些解决方案。文献[7]针对级联型拓扑结构采用了一种对子模块按电容电压排序，以子模块问最大电压偏差为判断依据的电压均衡控制算法，但适用于半桥式单元级联结构，且排序运算量较大。文献[11]利用多组PI控制器得到相内各级联单元偏差功率实现相内功率平衡的控制;文献[12]通过调节各级联单元直流电压实现单元问功率平衡，通过无功功率计算电压调节相角，运用P控制器得出电压调节幅值;文献[11-12]均采用移相SPWM调制方法，不适用于准z源H桥级联型拓扑。文献[13]提出了系统基本控制思路和改进型级联移相PWM调制方法（cascade phase shift pulsewidth modulation，CPS-PWM），但不能直接用于单元输入功率不平衡情况下的稳定控制。文献[14-15]根据各功率单元有功功率与总功率的比值关系，按比例分配调制比因子;文献[18-19]通过改变第一个功率单元调制波信号的相位与幅值信息，而使其他功率单元调制波相位与电网电压相位一致，即系统无功功率由1个单元提供，其他功率单元只提供有功功率以控制系统稳定运行;文献[20]采用改变载波旋转周期的方法维持控制系统稳定;这3种功率平衡控制方法调节范围较小，功率不平衡适应性差;文献[22]运用多组PT控制器，提出了一种基于有功功率修正的功率平衡控制方法，具有较大的功率不平衡适应范围，但引入了较多的PT控制器，控制系统复杂，参数调整繁琐。本文考虑到准z源H桥级联型多电平逆变器的系统结构复杂、控制量多等特点，有必要为该拓扑形式逆变器寻求一种简洁有效的功率平衡控制方法以及总体控制策略。本文在改进的CPS-PWM基础上设计了一种基于构造虚拟平均功率单元的单元问功率平衡控制策略。下面仅以单相准z源H桥级联多电平逆变器为例分析。
1系统结构与工作原理
单相准z源H桥级联型多电平逆变器系统结构图如图1所示，该系统由n个电流连续型准z源H桥（quasi-Z-source H-bridge，QZSHB）单元级联构成，通过输出滤波电感Ls直接并网。
以QZSCMI系统级联逆变单元k（k=1，2，……）为例简要说明其工作原理，其等效电路如图2所示，它包含直通和非直通两种工作状态。直通状态如图2（a）所示，二极管关断，电容UCk1向电感Lk2充电，电压源Ucfk和电容Uck2共同向Lk1充电，电感电流上升。该状态工作于传统调制的零矢量，级联单元不输出功率。
各级联单元输出电流is相同，由式（12）可知，若各单元的直流链电压udc和调制系数msk相同，则每个单元输出功率相等。为满足各个级联的光伏发电单元最大功率点跟踪需求，不同级联单元的输入功率也应该不同，因此，需要保持系统直流链电压稳定，对每个单元输出功率独立控制，而并网逆变器功率调节的实现是通过对并网电流幅值的改变完成的。
2.1.2功率平衡控制方法
根据各单元输入有功功率对总调制因子再分配的功率平衡控制方法。
本文以单相并网型QzscMI为例，提出的功率平衡控制结构如图3所示。图中，usp为电网峰值电压，cos（ωt）为锁相信息，首先根据各单元与虚拟平均单元的偏差功率，然后计算出与并网电流相对应的偏差量，接着将该偏差量与锁相环输出的相位信息相乘获得偏差调制信号因子△msk，最后将各偏差调制信号因子与总调制信号因子线性叠加获得各单元调制信号因子msk，也即调节了各单元的实际输出电压，从而改变了其输出功率。这种前馈补偿方法能够确保各单元输出有功功率独立调节且可保证直流母线电压稳定。
3融合直通占空比的载波移相调制
载波移相SPWM调制是级联型多电平逆变器经典调制方式，其融合了sPwM技术与阶梯波合成技术的优势，且具有独特的消谐波优势，但无法直接用于准z源级联逆变器的控制，尚需考虑如何将z源网络直通占空比融入载波移相调制方式中去，又不会对输出电能质量产生不良影响。为此，采用在CPS-PWM零电压输出脉冲期间插入直通占空比的方法。QZSHB单元驱动信号生成方法如图5所示，可以看出直通驱动信号在逆变器输出零电压状态中有效，调节准z源网络直通占空比因子实现升压;改变调制信号因子（调制比）完成SPWM调制功能。同时为防止并网电流过调制情况下引起波形畸变，直通占空比因子与逆变器调制因子应满足
4QZSCnI系统仿真
为验证本文提出的准z源H桥级联各单元输入功率对总调制因子再分配的功率平衡控制策略的正确性，在Matlab/SIMULINK中建立了单相准z源级联型多电平逆变器的仿真模型，系统仿真参数如表1所示。
仿真过程中，控制滤波电容Cfk以及准z源网络电容Ck1电压值跟随给定值，输入侧滤波电容电压给定值为90V，准z源网络电容电压给定值为120V。设定升压倍率为1.67在非直通状态下的直流母线峰值为150V左右。系统仿真过程为：第一阶段时间为0～0.5s，在该阶段系统启动，并进入稳定运行状态;第二阶段时间为0.5～1.2s，0.5s时单元1输入功率由560w突降为430w;第三阶段时间为1.2～1.9s，1.2s时单元2输入功率由560w突降为400w;第四阶段时间为1.9～2.5s，1.9s时单元1与单元2功率又恢复为560w，而单元3的功率保持560W不变。
单相QZSCMI系统仿真工作波形如下，图6（a）所示为各单元的输入功率变化和输出电流情况，可以看出各单元功率单独可控，系统响应速度快。由图6（b）可知0.5s时刻，虽然第一单元输入功率突降，但是输出并网电流减小过程平滑，波形质量高。
仿真过程中4个阶段输出网侧电流THD如图7所示，可以看出在单元1和单元2输入功率突变时，网侧电流值会相应减小，但电流THD仍满足并网要求（≤5%）。
相应地，各个单元直流母线电压随功率变化的工作波形情况如图8所示，可以看出电压控制响应速度快，虽然直流母线电压在功率突变时发生小幅波动，但三单元叠加后的直流母线电压能够稳定在设定值（450V），暂态过程时间短，稳定性好。
根据以上分析可知，所提功率平衡控制方法能够较好的适应输入功率不平衡变化，即使功率突变，系统也能够稳定运行。
5实验验证
为验证控制策略的可行性和有效性，搭建了三相准z源H桥单元级联的多电平逆变器样机，系统整机图如图9（a）所示，系统设计功率为10kW，逆变桥开关管为英飞凌公司的IKW30N60T单管IG-BT，开关频率为5kHz，其主电路参数与仿真参数一致。该实验系统的实验模拟直流电源、功率电路及其信号调理电路、主控系统电路，如图9（b）所示，控制系统采用TI DSP TMS320F28335和Altera FPGAEP4CE15F17C8相结合的双控制器架构。QZSHB各个功率单元的直流输入电源由单相隔离变压器、不可控整流器、可调功率电阻和滤波电容组成。实验时采用单相逆变器功率降额测试，通过调节各单元的功率电阻，可以使得3个级联单元的输入功率不相等，并设定输入电源滤波电容电压Ucf参考值为28V，准z源网络电容Ck1电压参考值为35V，直通占空比因子限幅值0.25。
图10（a）为滤波电容电压实验波形图，ucf1、Ucf2、ucf3平均值分别为28.0V、29.4V、27.9V。图10（b）为输入电流波形，各单元输入电流分别为434mA、552mA、453mA，输入功率由逆变桥的输入电压和输入电流共同决定，三单元逆变桥输入滤波电容电压和输入电流的不同反映了输入功率不平衡性，其中单元二输入功率最大。以虚拟功率单元为基准，各单元偏移平均功率的百分比分别为11.12%、18.69%、7.56%。图10（c）为准z源网络电容ck1电压实验波形图，uc11、uc21、uc31、平均值分别为34.6V、35.1V、34.2V，考虑电路参数误差，均稳定在给定值附近。图10（d）、10（e）、10（f）为三单元直流链电压波形，其幅值由输入电压28V输入升高到44V，升压倍数约为1.57，验证了准z源网络升压功能、各单元母线电压稳定性能和功率平衡控制策略有效性。
图11（a）为级联H桥级联单元输出电流;。波形，其幅值为1.5A，可以看出输出电流具有较好的正弦度。图11（b）为系统输出电压波形，由于负载较轻，系统调制度较小，输出电压波形呈五电平阶梯波。如图11（c）所示，随着输出负载电流变大，调制度增加，系统输出电压将呈现图11（d）所示七电平阶梯波状态，可以看出输出电压为七阶梯波时，输出电流波形质量高。
综上可知，由级联逆变器输出电压、输出电流实验波形，可知系统在各单元输入功率不平衡条件下，不同负载下的运行情况，其输出电流波形质量高，实验平臺运行稳定。
6结论
本文针对不同单元输入功率不平衡情况下准z源级联型多电平逆变器的功率平衡控制问题，提出了虚拟平均功率逆变单元的思路，根据各单元与虚拟单元功率偏差调节调制系数，根据升压需要调节直通占空比，合成最终调制因子，通过载波移相脉冲宽度调制方法，实现了单元问功率分配。
所提控制方案非常适合光伏发电系统，由于自然条件影响或光伏组件特性不匹配，其逆变单元输入功率经常是不平衡的，新型控制策略能够有效控制直流母线电压稳定，改善输出电能质量，有利于提高系统发电量。
所提系统控制方案不仅适合于单相准z源级联多电平逆变器系统，也可以推广应用到三相系统。
随着电动汽车的普及，该方案也适用于分布式储能或动力电池的梯度利用，应用前景广阔。
