基于五电平控制的中点箝位单相逆变器的研究

徐 杰，徐天乐

(南京南瑞继保电气有限公司，南京 211100)

0 引言

传统的两电平中点箝位(neutral point clamped，NPC)单相逆变器在光伏发电领域得到了广泛应用。但由于光伏阵列的输出功率具有随机性、波动性的特征，且逆变器的开关损耗和发热量会随着开关频率的提高而增大，因此，受限于逆变器的开关频率，应用于光伏阵列的逆变器输出的电流含有大量谐波成分。为此，有研究学者提出了三电平单相逆变器拓扑结构，相较于传统的两电平单相逆变器拓扑结构，其可使逆变器的开关频率成倍减小，降低了开关损耗，提升了逆变器效率；并且在相同载波条件下，三电平单相逆变器输出电流中的谐波含量大幅降低，有利于减小交流侧滤波器的功率容量。

为了进一步减小逆变器输出电流中的谐波含量，本文在三电平中点箝位单相逆变器拓扑结构的研究基础上，提出一种五电平中点箝位单相逆变器拓扑结构，以期进一步减小逆变器输出电流中的谐波含量，改善电流的波形质量，并减小逆变器的开关损耗。

1 三电平中点箝位单相逆变器的工作原理

三电平中点箝位单相逆变器的电路拓扑图如图1所示。图中，E1为上半桥臂直流电压；E2为下半桥臂直流电压。

图1 三电平中点箝位单相逆变器的电路拓扑图Fig. 1 Circuit topology graph of NPC single-phase inverter based on three-level

从图1可以看到，逆变器的输出经电感L接到负载Load上。逆变桥左侧桥臂是由绝缘栅双极型晶体管IGBT(下文简称为“T”)和续流二极管D组成的组件1、组件2、组件3、组件4，以及中点箝位二极管Dp1、Dn1组成。当T1、T2导通时，a点的输出电压为“+”电平；当T2、T3导通时，a点的输出电压为“0”电平；当T3、T4导通时，a点的输出电压为“-”电平。同理，逆变桥右侧桥臂的b点输出电压同样为三电平。因此，无论逆变器是作为变频器向交流电动机供电，还是用于并网光伏发电系统，都能做到省去滤波器或减小滤波器的功率容量，对节能减排具有重要意义。

在三电平中点箝位单相逆变器拓扑结构的基础上，本文提出了一种控制逆变器输出电压为五电平的实现方式，其控制图如图2所示。图中：T1～T8的波形均为同步信号正弦正半波；Ua为a点的电压；Ub为b点的电压；Uab为a点与b点间的电压；t为时间；E为直流电压；θ为输出电压和输出电流之间的相位角。

图2 中点箝位单相逆变器的输出电压为五电平时的控制图Fig. 2 Control diagram of NPC single-phase inverter with output voltage of five-level

结合图1和图2，假设E1=E2=E，则同步信号正弦正半波T1、T2导通，此时a点的输出电压为“+”电平；而在0～θ和180°-θ～180°区间内，当T6、T7导通时，b点的输出电压为“0”电平；其余情况为T7、T8导通，b点的输出电压为“-”电平。对同步信号正弦负半波做类似控制，最后可以得到Uab的波形为五电平(即+2E、+E、0、-E、-2E)方波。

利用脉冲宽度调制(PWM)可以控制Uab为正弦波。通过正半波对T1、负半波对T4做正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制，或正半波对T5、负半波对T8做SPWM控制均可实现Uab为正弦波。当正半波对T1、负半波对T4仅做PWM控制时，T1、T4的开关损耗会远大于其他T，发热严重，因此也可考虑正半波对T1、负半波对T4和正半波对T5、负半波对T8轮流做PWM控制，从而实现Uab为正弦波。为使所有元件的损耗、发热均匀，可采用正半波对T2、负半波对T3和正半波对T6、负半波对T7轮流进行PWM控制的方式来实现Uab为正弦波，但此时需要用到中点活箝位(active neutral point clamped，ANPC)逆变器控制方法[1-3]。

2 五电平中点箝位单相逆变器的仿真模型

五电平中点箝位单相逆变器的电路系统仿真图[4]如图3所示。图中：Drv-Sgnl为逆变器的T的驱动模块；ga为输入信号；sch为输出控制信号；Refa为参考电压；ia为逆变器的输出电流；Usa为调制波；OCCa为单周控制模块；RMS为有效值；Ref为参考值；5LHBI为五电平中点箝位单相逆变器；Scope1～Scope10均为示波器；Display为显示器；i为电流表；v为电压表；C为滤波电容；Port为接口；signal rms为单相有效值。

图3 五电平中点箝位单相逆变器的电路系统仿真图Fig. 3 Simulation diagram of circuit system of NPC single-phase inverter based on five-level

五电平中点箝位单相逆变器的拓扑结构仿真模型如图4所示。图中：Ap为T1、T2所在上半桥臂的拓扑结构模块；Bp为T5、T6所在上半桥臂的拓扑结构模块；An为T3、T4所在下半桥臂的拓扑结构模块；Bn为T7、T8所在下半桥臂的拓扑结构模块。

图4 五电平中点箝位单相逆变器的拓扑结构仿真模型Fig. 4 Simulation model of topological structure of NPC single-phase inverter based on five-level

图4中的An模块和Ap模块展开的拓扑结构如图5所示，图3中的Drv-Sgnl模块展开的拓扑结构如图6所示。

图5 An模块和Ap模块展开的拓扑结构Fig. 5 Topological structure of An module and Ap module expansion

图6 Drv-Sgnl模块展开的拓扑结构Fig. 6 Topological structure of Drv-Sgnl module expansion

本文采用如前文图2所示的五电平控制方案，即正半波对T1、负半波对T4仅做PWM控制，图6中的“0.5”对应的是图2中θ=30°时的情况。同步信号Usa取自正弦波发生器，在正半波时，对T1作 PWM控制，T2恒导通，由于滤波电感L的作用，当PWM数值变为“0”时，输出电流流通路径由“+电平→T1、T2→a→L→Load→电平为0”转变为续流途径“电平为0→Dp1、T2→a→L→Load→电平为0”。

Drv-Sgnl模块中第2个输入信号ga由图3中的单周控制[5]模块OCCa产生，为脉冲控制信号。

OCCa模块的仿真模型如图7所示。其中，调制波为逆变器的输出电流ia，载波Refa为正弦波信号，Refa的大小受Ref控制(见图3)；S、R均为RS触发器的输入信号；Q、!Q均为RS触发器的输出信号；Compa为比较器；Switch为开关，用于积分器的清零；clk为时钟发生器；boolean表示取布尔值；|u|表示取绝对值。

图7 OCCa模块的仿真模型Fig. 7 Simulation model of OCCa module

图8为T的驱动信号图。

图8 T的驱动信号图Fig. 8 Drive signal of T

3 五电平中点箝位单相逆变器的仿真实例

五电平中点箝位单相逆变器的仿真参数设置如表1所示。

表1 五电平中点箝位单相逆变器的仿真参数Table 1 Simulation parameters of NPC single-phase inverter based on five-level

利用Matlab/Simulink对五电平中点箝位单相逆变器进行仿真，仿真结果如图9所示。图中：U为逆变器的输出电压；iR为负载电流；UL为滤波电感L的压降；id+为输出电压为正电平时的直流电流；id-为输出电压为负电平时的直流电流。需要说明的是，由于采用参考电压为正弦波的单周控制模块，Uab波形是5级的阶梯波；本文仿真模型中滤波器为单L滤波器。

图9 五电平中点箝位单相逆变器的仿真波形Fig. 9 Simulink waveforms of NPC single-phase inverter based on five-level

从图9中可以看出：

图9a中，由于逆变器输出电压与负载电流基本同相位，因此负载的功率因数接近1。

图9e、图9f中，在正半波时，由于对T1做PWM控制、T2导通，当PWM数值为“1”时，id+由E1正极流出；当PWM数值为“0”时，id+由中点经Dp1、T2续流流出，不经过E1正极，因此id+呈断续的脉冲状；此时因T7、T8恒导通，因此图9f中呈接近正弦的连续波。负半波的情况可进行类似推导。

4 结论

本文探讨了三电平中点箝位单相逆变器的工作原理，提出了一种控制逆变器输出电压为五电平的拓扑结构和实现方式；并基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了仿真模型，对基于五电平控制的中点箝位单相逆变器的应用效果进行了验证。由于逆变器输出电压波形为5级阶梯波，有利于消除逆变器输出电流中的谐波，从而可改善电能质量。

此外，本文提出的5级阶梯波PWM方案，还可以进一步探讨该方案中θ值的选择；为得到更好的正弦波输出电流，输出侧还可以进一步考虑选用LC滤波器或LCL滤波器。