三电平离网式光伏功率变换系统的研究与设计

董 恒，马 标，何 西，，王 辉

（1.湖南工学院 电气与信息工程学院，湖南 衡阳 421002；2.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

0 引 言

随着光伏发电装置的不断发展，传统的两电平功率变换拓扑无法满足高压大功率的场合[1]。两电平直-交功率变换器有以下两个缺点，一是其输出相电压仅有两种状态，输出电压谐波含量高，二是开关管在其关断过程中两端的电压比较大，并且功率器件损耗较大，影响功率变换装置的效率[2]。空间矢量调制对直流电压利用率高，有利于数字控制实现，输出更加逼近正弦波[3]。通过对空间向量的优化组合，大大降低开关器件的损耗[4,5]。

这里提出一种二极管箝位式三电平电路，采用基于DQ解耦双闭环比例积分控制器的三电平SVPWM控制方案，实现功率变换器的无静差调节，解决传统功率变换器因为输入直流电压波动与桥臂控制死区及带非线性负载造成的输出电压波形异化和输出用电质量减弱等困难，使得装置具有输出谐波小、稳态精度高、动态响应快以及整机效率高的特点[6,7]。最后通过仿真与实验，验证了该方案的有效性。

1 系统电路原理分析

1.1 电路结构

二极管箝位式三电平直-交功率变换器主电路如图1所示。

图1 二极管箝位式三电平直-交功率变换器主电路

采用二极管箝位式直-交功率变换电路，以A相为例分析二极管箝位式三电平直-交功率变换电路。Sa1～Sa4为A相的4只IGBT管，通过改变IGBT的开关状态，使其输出电压发生改变。其中，每只IGBT都有开通和关断两种状态，那么每一相4只IGBT则存在16种状态[8]。排除直通短路和无效状态，最后有效的仅有3种。具体分析如下。

一是IGBT管Sa1和Sa2导通，Sa3和Sa4关断。电流从Udc的正极流向负载，输出的正电压为Udc/2，或电流沿着输出负载方向流进Udc的正极，续流二极管Da1和Da2导通，输出的正电压为Udc/2。二是IGBT管Sa2和Sa3导通，Sa1和Sa4关断，电流从直流侧中点通过箝位二极管D1和IGBT管Sa2到达输出端A，输出零电压，或电流从负载进IGBT管Sa3和二极管D2后到达直流侧中点，输出零电压。三是IGBT管Sa3和Sa4导通，Sa1和Sa2关断，电流从电源Udc的负极流向负载，续流二极管Da3和Da4导通，输出负电压-Udc/2，或电流从负载流进Udc的负极，输出负电压-Udc/2（以上分析均不考虑器件正向导通压降）。

2 三电平直-交功率变换器控制系统设计

2.1 三电平SVPWM原理分析

用三相开关电压变量Sa、Sb以及Sc来分别可以表示三相桥臂每个输出供电电压状态，可以表示为：

结合上述分析，从而可以将空间电压矢量定义为：

将三电平直-交功率变换器开关状态组合表示为空间电压矢量，同时部分开关状态的电压矢量相同，在复平面的27组三相开关状态实际上是相当于19个基本空间矢量，构成三电平直-交功率变换装置的空间矢量状态[9]。

2.2 电流环设计

通过坐标变换的方式，可以得到三相直交功率变换器在两相d-q同步旋转坐标系下的数学模型为：

式中，L为输出电感，C为输出电容，id为d-q坐标系电感电流；uod、uoq是d-q坐标系负载对应的电压；iod、ioq是d-q坐标系负载对应的电流；ud、uq是d-q坐标系功率转换器对应的输出电压。基于上述公式可以得到在频域系统采用LC滤波的三相直-交功率变换器在d-q坐标系下的模型如图2所示。

图2 d-q坐标下的功率变换器模型框图

根据直-交功率变换器工作在d-q坐标系下的电流变化方程式（5）和式（6），控制量ud和uq以及电流交叉耦合项ωLiq和ωLid是用来控制d和q轴的电流。为了解决电流耦合问题，添加负载电压前馈、输出滤波电感的电压解耦控制模块[10]。同时为达到无静差控制的效果，电压环电流环都采用PI控制，得到解耦之后的电流环方程组为：

式中，kPi为电流环比例系数，kIi为电流环积分系数，id*和iq*为d-q坐标系电流给定值，可以实现对d-q轴负载电流的解耦控制。

2.3 电压环设计

根据直-交功率变换器工作时在d-q坐标系下的电压变换方程式（7）和式（8）说明id、iq以及电压交叉耦合项ωCuoq。其中，ωCuoq用来控制两相旋转坐标系的负载电压。为了有效解决输出电压的耦合问题，对输出电压的闭环控制采用了负载输出电流的前馈和输出滤波电容电压的解耦控制，得到解耦之后的电压环方程组为：

式中，kPu为电压环比例系数，kIu为电压环积分系数，u*od和u*oq为d-q坐标系负载电压给定值，可实现d-q轴电压的解耦控制。

3 仿真与实验

为了验证理论分析的正确性，搭建了一个硬件实验平台进行实验如图3所示，采用TI公司的TMS320F28335数字芯片作为核心处理器进行控制算法处理，主电路采用三菱IPM模块PM75RLA120，额定电压为1 200 V，额定电流为75 A，母线电容容量为6 000 μF，输出滤波电感为3 mH，额定电流为30 A。实验结果表明，逆变器输出谐波含量低，动态稳定性好，输出电压和电流波形如图4所示，可以验证所设计控制系统的可行性及正确性。

图3 硬件实验平台

图4 逆变器的输出电压电流波形

4 结 论

针对离网式光伏三相直-交功率变换器，提出一种二极管箝位式三电平电路采用基于d-q解耦双闭环比例积分控制器的三电平SVPWM控制方案，实现了功率变换器的无静差调节，使得光伏功率变换装置输出电能质量得到提高。分析提出中点电位控制方法，解决了母线电容中点电压稳定性的问题，通过建立三电平逆变器数学模型，设计了基于d-q解耦的电压电流双闭环控制器，实验结果说明输出总谐波含量THD低，也验证了控制系统的有效性。