作者：Martin Murnane and Igor S. Ono

現(xiàn)代世界對環(huán)保解決方案的持續(xù)關(guān)注鼓勵大多數(shù)公司重新思考他們的戰(zhàn)略，并設(shè)計新的或改進的方法和產(chǎn)品。這在電能生產(chǎn)方面沒有什么不同，其中太陽能和風能作為綠色方法一直處于領(lǐng)先地位。基于這些資源是瞬態(tài)的事實，這些方法不斷改進的基本原理之一是直流電（DC）到交流電（ac）之間的能量轉(zhuǎn)換效率，以減少能量產(chǎn)生損失。因此，在太陽能和風力發(fā)電廠上都設(shè)計和實施了改進的逆變器方法，特別是中性點鉗位（NPC）逆變器。NPC應(yīng)用于光伏（PV）面板，與其他方法相比具有多種優(yōu)勢，但可以通過多種方式進行改進。事實證明，改進其電平數(shù)量、實施更復(fù)雜的控制方法以及采用更快的功率控制環(huán)路在其實現(xiàn)中至關(guān)重要。

介紹

電力轉(zhuǎn)換是現(xiàn)代世界的持續(xù)需求。交流電源不斷整流以為電子設(shè)備和電池供電，而直流電源（例如電網(wǎng)故障中的電池）必須立即轉(zhuǎn)換為交流電，以便為連接到它們的設(shè)備供電。

此外，由于人們不斷關(guān)注有關(guān)清潔電能發(fā)電的環(huán)境解決方案，缺乏或間歇性地產(chǎn)生資源，以及為了滿足指數(shù)級增長的人口需求的地理限制，已經(jīng)開發(fā)了替代發(fā)電方式。這些主要是太陽能和風能，基本上不會耗盡任何資源，幾乎可以在任何地方使用。

然而，環(huán)保的能源生產(chǎn)方法依賴于太陽和風等瞬態(tài)資源，因此改進這些方法的一個重要方法是提高效率。此外，使用這種電力的負載變化以及系統(tǒng)中無功功率的影響（引入諧波）會降低配電網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和可靠性。因此，大多數(shù)公司不得不重新考慮他們的產(chǎn)品、政策和計劃，以滿足現(xiàn)代世界的期望和標準。

事實上，由于綠色能源發(fā)電所需的資源與自然有關(guān)且無法控制，以及人口對電網(wǎng)的電力利用，企業(yè)一直在不斷關(guān)注改進其技術(shù)，特別是提高發(fā)電和利用效率。

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用于光伏板和風力渦輪機的新的和改進的方法正在不斷形成。此過程的基石是將產(chǎn)生的直流轉(zhuǎn)換為交流電，以便它可以充分發(fā)揮作為能源的作用。實際上，此過程是由逆變器執(zhí)行的，逆變器主要負責電網(wǎng)同步和能量轉(zhuǎn)換。因此，改進該系統(tǒng)可以提高效率并為客戶提供更實惠的價格。

有幾種逆變器拓撲與離網(wǎng)和并網(wǎng)逆變器不同，這些逆變器也可以是基于變壓器或無變壓器的逆變器，并且以開環(huán)或閉環(huán)方式運行。這些拓撲也可能具有影響逆變器分辨率和開關(guān)模式的不同級別。此外，這些設(shè)置決定了直接影響最終產(chǎn)品的尺寸、重量、價格、復(fù)雜性、操作、諧波產(chǎn)生、利用率、效率等。

在無變壓器光伏逆變器中，有兩個主要系列的轉(zhuǎn)換器，即H橋（或全橋）和中性點鉗位（NPC）。除了經(jīng)典的實現(xiàn)之外，這些系列中的每一個都有幾種具有不同規(guī)格和特性的變體，這使得它們更適合特定的應(yīng)用。

除逆變器外，還必須實施調(diào)制技術(shù)以調(diào)制逆變器的轉(zhuǎn)換。有幾種類型的脈寬調(diào)制 （PWM） 技術(shù)可應(yīng)用于逆變器和電機驅(qū)動器，包括正弦脈寬調(diào)制 （SPWM）、空間矢量脈寬調(diào)制 （SVPWM）、移相 PWM 和選定的諧波消除 PWM。雖然有幾種調(diào)制技術(shù)，每種技術(shù)都更適合特定應(yīng)用，但由于開關(guān)頻率范圍很廣，光伏逆變器采用的更通用的調(diào)制策略是SPWM和SVPWM，并且易于在多電平逆變器中實施。

然而，由于SVPWM作為逆變器輸出的所有三相而不是單相的組合效應(yīng)運行，它已成為三相逆變器和多電平逆變器中更流行和成熟的技術(shù)。

此外，并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的基本要求之一是電網(wǎng)同步。這一要求與轉(zhuǎn)換器的效率直接相關(guān)，并且有不同的實現(xiàn)方式。例如，連接到電網(wǎng)的鎖相環(huán)（PLL）通常用于滿足這一要求。

本文主要介紹一種用于多電平、三相NPC逆變器拓撲的SVPWM電流控制技術(shù)，重點介紹通過閉環(huán)矢量控制和正序電壓檢測器實現(xiàn)的三電平和五電平拓撲，以穩(wěn)定任何電網(wǎng)故障。本文重點介紹光伏應(yīng)用，其中提供的所有結(jié)果都是通過在MathWorks軟件Simulink中仿真系統(tǒng)獲得的。??

二極管中性點鉗位拓撲

二極管NPC拓撲結(jié)構(gòu)由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和二極管的組合構(gòu)成。在結(jié)構(gòu)上，NPC的設(shè)計使得通過使用二極管將光伏電池板箝位到直流母線的接地中間點，可以實現(xiàn)零電壓。

與H橋拓撲相比，該逆變器具有多個優(yōu)點，使其更適合作為高效光伏電池板的逆變器實施。例如，雖然它的實現(xiàn)時間晚于H橋，但與傳統(tǒng)的全橋?qū)崿F(xiàn)相比，它取得了改進，例如更低的dv/dt和開關(guān)應(yīng)力。此外，它的多功能性使其可以用作單相和三相逆變器，因為它可以作為 3 相、3 線轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。

與其他拓撲相比，這種拓撲還有其他幾個優(yōu)點，例如濾波器兩端的單極性電壓，可降低磁芯損耗。由于在零電壓期間，其輸出中的電感與濾波器中的電容之間沒有無功功率交換，因此它具有高效率（高達98%），并且還產(chǎn)生非常低的泄漏電流并產(chǎn)生低電磁干擾。

然而，這種拓撲主要用于具有迷你中央的三相光伏逆變器，因為它比H橋拓撲更復(fù)雜。它也更適合大功率應(yīng)用，例如中央逆變器。

此外，隨著電力需求的增加，逆變器已經(jīng)得到改進，以產(chǎn)生更多的電壓水平。逆變器的電壓電平越多，其交流輸出的質(zhì)量就越好，因為較高電平引起的輸出電壓失真比較低電平低，從而提高了整體系統(tǒng)效率。此外，電平數(shù)在開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之間需要權(quán)衡，后者隨著電平的增加而增加，而開關(guān)損耗減小。因此，多電平逆變器可減少半導(dǎo)體元件的應(yīng)力，降低故障并延長逆變器元件的使用壽命。事實上，多電平NPC逆變器的總諧波失真（THD）降低，每個器件的開關(guān)頻率降低，從而降低總功率損耗，不需要升壓或降壓變壓器，需要更小的交流濾波器，并減少電磁兼容性問題。

圖1.三電平二極管NPC拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2.五電平二極管NPC拓撲結(jié)構(gòu)。

空間矢量脈寬調(diào)制

為了使用SVPWM實現(xiàn)，電壓和電流可以根據(jù)它們的相位和幅度表示為空間矢量。該方法允許使用有效的公式分析其瞬時特性，這對于控制三相系統(tǒng)中的有功和無功功率分量特別有用。因此，NPC直流母線電壓的平衡可以通過SVPWM控制技術(shù)得到更好的控制。事實上，SVPWM 技術(shù)的工作原理是將參考空間矢量作為輸入，該矢量由逆變器與電網(wǎng)連接產(chǎn)生的瞬時線路中性三相電流或電壓構(gòu)成。該方法分析電流或電壓的瞬時特性，從而可以控制三相系統(tǒng)中的有功和無功功率分量。

通常，作為逆變器，SVPWM可以具有可以匹配逆變器的多級。在這種情況下，匹配電平是最直接的實現(xiàn)方式，因為對SVPWM和逆變器使用不同的電平需要對系統(tǒng)進行全面的評估和設(shè)計。

盡管多電平SVPWM具有優(yōu)勢，但逆變器的電平越高，它必須控制的開關(guān)就越多，因此調(diào)制技術(shù)計算每個開關(guān)的占空比以及開關(guān)順序以實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器最佳性能的過程在計算上變得更加昂貴。因此，可以使用查找表提高響應(yīng)速度，但這些查找表僅限制系統(tǒng)對可預(yù)測事件的響應(yīng)。

因此，SVPWM 方法的工作原理如下：

根據(jù)線中性三相電壓，該技術(shù)確定參考空間矢量

然后，從一組預(yù)定義的電壓矢量中，它定義了所有不同的開關(guān)組合，這些組合可以用空間矢量圖表示

調(diào)制從該參考空間矢量中提取瞬時角度和幅度信息

然后，它在此圖中繪制旋轉(zhuǎn)參考空間向量，確定參考空間向量所在的區(qū)域和扇區(qū)

根據(jù)包含該區(qū)域和扇區(qū)的電壓矢量信息，該策略計算開關(guān)的駐留時間

最后，調(diào)制產(chǎn)生PWM脈沖，驅(qū)動逆變器以產(chǎn)生所需的電壓。

這個過程是周期性的，一旦其脈沖產(chǎn)生所需的輸出，就會重新開始。

事實上，該技術(shù)將空間矢量信息與構(gòu)成空間矢量圖的電壓矢量進行比較，生成用于調(diào)制逆變器的瞬時開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)角度和幅度信息，SVPWM生成代表系統(tǒng)實際特征的空間矢量。然后將該空間向量繪制在圖上，并根據(jù)其相對于附近向量坐標的位置計算出切換模式。這種開關(guān)模式幾乎是用系統(tǒng)即時計算的，它表示調(diào)制到逆變器的占空比。

計算后，需要在圖表上表示空間向量，然后進行分析。此圖采用六邊形格式，其中每個交叉點代表至少一個電壓矢量。其中一些連接可以有多個電壓矢量，這些矢量稱為冗余矢量，因為位于同一交叉點的所有矢量都表示相同的開關(guān)序列。SVPWM 的每個級別都會增加圖的復(fù)雜性，從而增加交點的數(shù)量，因此電壓矢量圖（例如 3 級空間矢量圖）有 19 個交點，5 級空間矢量圖有 61 個交點。

因此，每個級別根據(jù)多項式方程增加交點數(shù)：

交叉點 = 3 ×層2– 3 ×級 + 1

因此，SVPWM的每個級別都會增加交叉點的數(shù)量，并且級別越高，SVPWM計算必須越精確，因為扇區(qū)和區(qū)域較小，這導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性更大。

因此，不僅電壓矢量、扇區(qū)和區(qū)域的數(shù)量隨著SVPWM電平的增加而大大增加，這增加了調(diào)制的復(fù)雜性，而且系統(tǒng)的性能和效率也得到了提高。

圖3.三級空間矢量圖。

圖4.五級空間矢量圖。

SVPWM廣義閉環(huán)矢量控制及無功功率控制方法

圖5.NPC拓撲的廣義SVPWM控制方法.

有許多類型的控制方法可用于操作由多級SVPWM和NPC組成的逆變器系統(tǒng)。因此，由于可以應(yīng)用于逆變器的控制方法范圍很廣，因此必須選擇最適合系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)。

為了展示光伏系統(tǒng)產(chǎn)生和注入電網(wǎng)能量的改進電網(wǎng)參數(shù)，無功功率控制非常適合三相并網(wǎng)光伏逆變器。這種控制方法允許系統(tǒng)控制光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電，將這種電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，并控制有功和無功功率，以減少系統(tǒng)無功部分的損耗。此外，由于電機驅(qū)動控制類似于逆變器的控制，因此交流感應(yīng)電機驅(qū)動器上使用的技術(shù)可以適用于光伏逆變器。通過這種方式，磁場定向控制（FOC）技術(shù)或矢量控制（通過控制電機驅(qū)動器的頻率、幅度和相位來操作）可以在連接到配電網(wǎng)絡(luò)的光伏轉(zhuǎn)換器中進行調(diào)整和實施。該方法控制產(chǎn)生的電流的頻率、幅度和相位角，其中該信息用于生成控制功率逆變器的SVPWM脈沖。它還具有其他一些優(yōu)勢，例如，更低的功耗、更高的效率以及更低的運行和組件成本。

因此，這兩種方法都可以在具有多電平SVPWM的PV多電平二極管NPC逆變器上組合和實現(xiàn)，以最大限度地提高系統(tǒng)性能。這樣，該方法在連接到電網(wǎng)時以閉環(huán)方式控制三相多電平二極管NPC逆變器的實現(xiàn)如下：

首先，矢量控制方法得到三相電網(wǎng)相電壓和A相角作為輸入。

然后，這些三相電壓通過α-β-零變換轉(zhuǎn)換為3軸系統(tǒng)。

在 d-q-0 變換中使用測量的相位角，旋轉(zhuǎn) 2 軸坐標系并與此角度信息對齊。

同時，控制方法還使用應(yīng)用α-β-零和d-q-3的三相產(chǎn)生的電流，后者使用參考角度信息對其進行變換。

在生成的信號和參考信號都經(jīng)過變換后，該技術(shù)通過從一個信號中減去另一個信號來生成錯誤信號。此外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，誤差信號必須經(jīng)過經(jīng)典的比例積分（PI）控制環(huán)路。

從這一點開始，系統(tǒng)將PI控制器中產(chǎn)生的誤差信號從同步參考系d-q-0幀轉(zhuǎn)換為靜止參考系α-β-零幀。此步驟預(yù)測當前電壓矢量和下一個電壓矢量之間產(chǎn)生的誤差量。

前兩個步驟從d-q-0變換中消除或控制正交電壓，即q分量，d-q-<>變換表示系統(tǒng)中的無功功率分量。

然后，來自α-β-零變換的α和β分量通過笛卡爾到極坐標變換，產(chǎn)生幅度和角度。

最后，SVPWM使用幅度和角度信息計算參考矢量、該矢量所在的區(qū)域和扇區(qū)、構(gòu)成該區(qū)域的電壓矢量、開關(guān)的停留時間，最后計算逆變器的最佳開關(guān)順序。它們以脈沖的形式傳輸，驅(qū)動轉(zhuǎn)換器，在系統(tǒng)中產(chǎn)生所需的電壓和電流值。

可以實現(xiàn)鎖相環(huán)（PLL）從相位A中提取角度信息以執(zhí)行坐標變換，從而使系統(tǒng)適應(yīng)輸入信號中的頻率變化。

采用正序電壓檢測器的控制方法

除了實現(xiàn)上述頻率自適應(yīng)控制方法外，還可以使用連接到電網(wǎng)的正序電壓檢測器（PSD）來改進該方法。這可用于檢測進一步的電網(wǎng)故障條件，例如不平衡和扭曲的電網(wǎng)環(huán)境，并使系統(tǒng)適應(yīng)它，從而減少損耗并提高系統(tǒng)效率。

此外，在不觸發(fā)轉(zhuǎn)換器保護的情況下控制逆變器和電網(wǎng)之間的功率交換至關(guān)重要，允許瞬態(tài)故障的穿越并使系統(tǒng)符合電網(wǎng)連接標準。

因此，為了在不平衡、失真和不穩(wěn)定的條件下快速精確地檢測電網(wǎng)，必須在系統(tǒng)中添加另外兩個模塊，即使用二階廣義積分器（SOGI）實現(xiàn)的正交信號發(fā)生器（QSG），它為系統(tǒng)和正序計算器（PSC）帶來了諧波阻斷能力。該系統(tǒng)通常與PLL一起實現(xiàn)。但是，由于它已經(jīng)在d-q-0轉(zhuǎn)換中使用，因此系統(tǒng)中不需要另一個PLL，并且可以使用現(xiàn)有PLL的信息。

通過這種方式，α-β參考系上的三相電網(wǎng)電壓被QSG濾波，呈現(xiàn)原始α-β電壓的3°偏移分量。然后，這些信號通過PSC，PSC使用瞬時對稱分量成功檢測α-β-零電壓上的正序分量。最后，變換后的正序分量經(jīng)過d-q-90變換，該變換使用上一次迭代中使用的PLL角信息來保持系統(tǒng)頻率和相位自適應(yīng)，從而生成d-q-0分量。

在完成從電網(wǎng)電壓中獲取和轉(zhuǎn)換正序分量的整個過程后，系統(tǒng)繼續(xù)如前所述。從產(chǎn)生的電流中減去這些元件，然后按照前面描述的方法通過PI控制環(huán)路。

因此，盡管系統(tǒng)仍然執(zhí)行與之前介紹的控制方法相同的步驟，但系統(tǒng)現(xiàn)在對不平衡和扭曲的電網(wǎng)條件具有自適應(yīng)反應(yīng)。

Simulink 環(huán)境中的仿真

該系統(tǒng)可以在 Simulink 環(huán)境中成功仿真。整個系統(tǒng)包括由多電平SVPWM技術(shù)控制的并網(wǎng)多電平二極管NPC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)和適配為FOC技術(shù)的閉環(huán)無功控制方法，通過正序檢測器實現(xiàn)。

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在電網(wǎng)阻抗變化較大、穿越電網(wǎng)電壓擾動、適應(yīng)電網(wǎng)電壓變化、單位功率因數(shù)等情況下均具有標準要求的穩(wěn)定性。

在設(shè)計系統(tǒng)時，必須認真考慮一些額外的參數(shù)，如開關(guān)頻率、失真、損耗、諧波產(chǎn)生和響應(yīng)速度，以考慮調(diào)制策略。

圖6.使用PSD實現(xiàn)的多電平二極管NPC和SVPWM的完整控制方法。

下圖顯示了系統(tǒng)的性能。在仿真中，網(wǎng)格開始完全正常工作，而系統(tǒng)必須在0.0秒時打開。當仿真達到0.06秒時，代表電網(wǎng)電壓的三個完整周期，因此系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定，每個電網(wǎng)電壓都有下降，持續(xù)0.04秒，在仿真0.1秒后恢復(fù)正常。

因此，沒有PSD實現(xiàn)的結(jié)果在電網(wǎng)故障之前表現(xiàn)出良好的性能，這表示系統(tǒng)中的電壓降很大，產(chǎn)生的電流不平衡。PSD的數(shù)字大約需要一個周期才能穩(wěn)定下來，即0.02秒，但是當暴露在故障電網(wǎng)條件下時，它比沒有PSD的系統(tǒng)適應(yīng)得更好，顯示出完全平衡的產(chǎn)生電流。此外，當系統(tǒng)達到0.18秒時，要求關(guān)閉，因此，二極管NPC的中間開關(guān)隨后打開，中斷任何電流產(chǎn)生，但電容器和電感器放電的短暫時間除外。

圖7.三相電網(wǎng)電壓。

圖8.三相、五電平產(chǎn)生電流，無需實現(xiàn)PSD。

圖9.采用PSD實現(xiàn)的3相、<>電平產(chǎn)生電流。

調(diào)制逆變器A相的SVPWM脈沖如下所示;NPC 以 100 kHz 的頻率切換。可以輕松選擇NPC的開關(guān)頻率，并且系統(tǒng)在20 kHz至300 kHz的非常寬的頻率值范圍內(nèi)令人滿意地運行。

圖 10.五電平、A相開關(guān)脈沖。

因此，結(jié)果表明，該系統(tǒng)與其他方法相比具有幾個優(yōu)點，可以通過多種方式實現(xiàn)，例如增加其級別數(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)故障自適應(yīng)系統(tǒng)，更復(fù)雜的控制方法以及采用更快的功率控制環(huán)路。因此，為現(xiàn)代世界渲染更高效、更便宜、更小、更智能的系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷