光伏逆變器直流母線中點電壓不均衡的原因分析

光伏逆變器直流母線中點電壓不均衡的原因分析

目前，國內外對中點電壓平衡的研究主要集中在硬件電路方法和軟件控制系統(tǒng)上。硬件電路方法主要采用外加電壓補償電路均衡電容電壓,控制復雜、可靠性低且造成系統(tǒng)成本增加。軟件控制算法主要通過調整控制策略實現(xiàn),目前的研究主要集中于三電平。文獻提出在空間矢量脈寬調制(SVPWM)中根據(jù)電路工作狀態(tài)調整正負小矢量的作用時間以補償中點電壓的波動。文獻充分利用了冗余矢量對中點電壓的影響,在各扇區(qū)采取不同的開關調制模式,并通過精確計算得到中點電壓控制因子,具有較好的控制效果,但開關損耗增加。文獻基于中點電壓變化對矢量的偏移影響修正了扇區(qū)分區(qū),中點電壓波動和輸出諧波得到了改善,但控制十分復雜,不利于算法實現(xiàn)。文獻基于正弦脈寬調制(SPWM)與SVPWM算法之間的本質聯(lián)系,提出一種通過向調制波注入零序電壓分量的方法,達到了與SVPWM方法同樣的平衡控制效果。通過對控制算法的改進來平衡電容電壓,可以避免硬件方法的弊端,但若只是對SPWM和SVPWM算法進行簡單的修正,并不能在全范圍內平衡中點電壓,且不適用于三電平以上的更高電平。文獻提出了虛擬空間矢量控制(VSVPWM),很好地解決了中點電壓偏移問題,目前最高已做到四電平。本文以實際應用中常見的NPC三平逆變器為例,以中點電壓平衡為研究目的,分析造成中點電壓波動的原理,對各種常用的中點電壓平衡控制方法進行比較研究,并對各種方法進行了仿真驗證。1svpwm控制方式的確定逆變器的輸出性能主要取決于控制算法,與SPWM相比,SVPWM直流電壓利用率高,得到了廣泛的應用。中點箝位式(NPC)三電平逆變器電路如圖1所示。理想情況下,Vdc1=Vdc2=Vdc/2。輸出電壓Uao有:Vdc/2,0,-Vdc等3個狀態(tài),分別對應開關狀態(tài)P,O,N。三電平逆變器的輸出電壓合成矢量為Vref=23(Uan+Ubnej2/3π+Ucnej?2/3π)(1)Vref=23(Uan+Ubnej2/3π+Ucnej-2/3π)(1)通過式(1)的變換可知,輸出電壓矢量有27種。其中幅值為2Vdc/3的矢量定義為大矢量,如PNN,PPN;幅值為3√Vdc/33Vdc/3的矢量定義為中矢量,如PON,OPN;幅值為Vdc/3的矢量定義為小矢量,如POO,ONN;幅值為零的矢量定義為零矢量,如PPP。三電平逆變器的空間矢量分布如圖2所示。6個大矢量將空間矢量圖分為6個大扇區(qū),以大矢量PNN為起始沿逆時針旋轉每60°依次記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。每個大扇區(qū)由4個小三角形扇區(qū)組成,分別記為1、2、3、4。對第Ⅰ扇區(qū)進行分析,根據(jù)對稱性,可以得到其他扇區(qū)的工作情況。常規(guī)的SVPWM控制算法采用最近三矢量(NTV)控制方式。如圖3所示,當合成矢量Vref位于第Ⅰ大扇區(qū)中第3小扇區(qū)(記為Ⅰ-3)中,Vref可由小矢量V1,V2和中矢量V4合成得到,即T0V1+T1V2+T2V4=TSVref(2)式中T0、T1、T2——分別為矢量V1、V2、V4的作用時間,Ts——開關周期。為降低器件開關損耗,降低輸出電壓諧波,調制中采用7段對稱式SVPWM控制方式,各小扇區(qū)的開關順序如表1所示。2中點電流隨負載條件變化的特性由圖1可知,三相輸出的一相或者兩相連接到中點。將會產(chǎn)生引起中點電壓波動的中點電流inp。大矢量和零矢量產(chǎn)生的中點電流為零,因此對中點電壓偏移沒有影響;小矢量成對出現(xiàn),而產(chǎn)生的中點電流大小相等方向相反;中矢量只有一相連接到中點,對中點電位的影響依賴于負載條件。可見,中點電流依賴于小矢量和中矢量的作用時間。具體影響如表2所示。三相逆變器每個橋臂有3個輸出狀態(tài),設逆變器的開關狀態(tài)為US=T(3)式中Sx=1,0,-1,x=a,b,c流入中點電流的瞬時值可以表示為此中點電流流經(jīng)電容,必將造成電容的充放電,從而使中點電壓產(chǎn)生波動和偏移。中點電壓平衡控制的目的就是要控制inp(t)在一個開關周期中的平均值為零,使得每個開關周期中中點電壓的的變化為零。3兩者控制的控制點都是主動控制目前,中點電壓平衡控制策略主要包括滯環(huán)中點電壓控制、精確中點電壓控制和虛擬空間矢量控制。前兩種控制都是通過調節(jié)正負小矢量的作用時間平衡中點電壓,兩者都屬于主動控制。虛擬空間矢量控制根據(jù)對中點電流的影響選擇矢量,從而得到較好的平衡控制,屬于被動控制。3.1平衡方向的控制空間矢量調制中,小矢量總是成對出現(xiàn),但對中點電壓的影響剛好相反。由于首發(fā)小矢量都是負小矢量,故只需檢測該矢量作用時連接到中點的某相負載電流方向,就可以知道該小矢量對中點電壓的影響方向,并考慮直流電容電壓Vdc1和Vdc2的不平衡方向,來調節(jié)正負小矢量的相對作用時間從而控制中點電壓。設為中點電壓調節(jié)因子,一般取-0.5<k<0.5。負小矢量的作用時間為T0n=(1+k)/2,正小矢量的作用時間為T0p=(1-k)/2。具體的控制規(guī)律是:當Vdc1=Vdc2,k取0;當Vdc1>Vdc2,且此時首發(fā)小矢量中點電流的方向為流入,則k>0,否則k<0;當Vdc1<Vdc2,且此時首發(fā)小矢量中點電流的方向為流入,則k<0,否則k>0。這種閉環(huán)中點控制算法通過選擇適當?shù)男∈噶?使得中點電壓向不平衡的相反方向移動,實際上是一種砰砰滯環(huán)控制。使用這種方法只需要檢測每相的電流方向和中點波動的方向,而不需要知道其具體值,由于實現(xiàn)簡單,魯棒性強,成為目前應用最廣泛的方法。該方法的缺點是中點電位會在小范圍內波動。3.2調節(jié)因子k的求取由于滯環(huán)中點電壓控制中調節(jié)因子k的不確定,因此理論上該策略不能充分發(fā)揮正負小矢量對中點電壓的補償作用。在一個PWM控制周期Ts內,兩個直流電容C1與C2電壓的偏差為ΔVdc=Vdc1-Vdc2(5)這時施加控制后流入中點的電荷應為QNP0=-Cdc·ΔVdc(6)其中,C1=C2=Cdc為直流電容值,如圖1所示。以扇區(qū)Ⅰ-3為例,施加控制后流入中點的電荷QNP=ia·T0·k-icT1+ibT2(7)由QNP=QNP0得k=icT1?ibT2?Cdc?ΔVdcia?T0(8)k=icΤ1-ibΤ2-Cdc?ΔVdcia?Τ0(8)當參考電壓矢量位于其他扇區(qū)時,可以求出相應的調節(jié)因子k。以上求出的k是從數(shù)學意義上推導得到的,使用時要限定在-1≤k≤1。精確計算調節(jié)因子k的前提是中點電壓沒有發(fā)生偏移,如果由于其他一些因素導致中點電壓出現(xiàn)偏移,則該算法不具有將中點電壓拉回平衡點的能力。為彌補該缺陷,考慮采用滯環(huán)中點電壓控制與精確中點電壓控制相結合的控制策略。具體實現(xiàn)如下:設定一個電壓誤差滯環(huán)ΔVth,如果ΔVdc<ΔVth,采用精確中點電壓控制;如果ΔVdc>ΔVth,采用滯環(huán)中點電壓控制。兩種控制方式在空間矢量調制的時間分配方式上是一致的。3.3中矢量作用時間的計算通過對中點電壓波動機理的分析可知,中點電壓的波動根源來自于中矢量。以上兩種方法都是通過對小矢量作用時間的適當分配以補償中矢量對中點電壓的影響。VSVPWM控制的基本思想是將中矢量的作用時間部分分配給臨近的小矢量,并保留適當?shù)闹惺噶孔饔脮r間以保證輸出電壓的平滑性。以第Ⅰ扇區(qū)為例,中矢量PON的臨近小矢量為POO(ONN)或PPO(OON)。中矢量PON作用時中點電流為Ib,小矢量ONN作用時中點電流為Ia,小矢量PPO作用時中點電流為Ic。對于三相無中線電網(wǎng),三相電流存在關系:Ia+Ib+Ic=0。因此,將中矢量的作用時間平均分配給這三個矢量,則中矢量對中點電流的作用效果為inp=(Ia+Ib+Ic)/3=0。將小矢量的作用時間平均分配給正負小矢量,這樣小矢量對中點電壓作用效果也為零。據(jù)此,得到第Ⅰ扇區(qū)的虛擬空間矢量圖,如圖4所示。第Ⅰ扇區(qū)中,大矢量和零矢量與圖3保持一致,虛擬小矢量和虛擬中矢量定義如下:V′1=(V1(POO)+V1(ONN))/2V′2=(V2(PPO)+V2(OON))/2V′4=(V1(ONN)+V4(PON)+V2(PPO))/3(9)虛擬空間矢量將第Ⅰ扇區(qū)分為5個小扇區(qū),對參考矢量所在扇區(qū)采用NTV原則,計算各虛擬空間矢量的作用時間。當合成矢量Vref位于小扇區(qū)3,Vref可由小矢量V′1,V′2和中矢量V′4合成得到,即T0V′1+T1V′2+T2V′4=TSVref(10)式中T0,T1,T2——分別為矢量V′1,V′2,V′4的作用時間;Ts——開關周期。各空間矢量的作用時間分別為TPOO=T0/2TOON=T1/2TPON=T2/3TPPO=T1/2+T2/3TONN=T0/2+T2/3(11)空間矢量的作用順序為:PPO→POO→PON→OON→ONN→ONN→OON→PON→POO→PPO。4中點電壓平衡控制為了驗證以上這幾種中點電壓平衡控制策略,在Matlab/Simulink平臺上建立了三電平逆變器的仿真系統(tǒng)。仿真基本參數(shù)如下:Vs=220V,f=50Hz,交流側濾波電感Ls=1mH,直流母線電容Cdc=4000μF,直流母線電壓Vdc=700V,輸出功率Pout=10kW。圖5為不加中點電壓平衡控制的直流母線電容電壓波形,圖6、7、8分別為加入VSVPWM平衡控制、滯環(huán)中點電壓控制和精確中點電壓控制的直流電容電壓波形。仿真結果表明,加入中點電壓平衡控制后,中點電壓波動得到了很好的抑制,其中,VSVPWM控制對中點電壓波動的抑制效果最好,但開關損耗增加,電流諧波有所增加。另外,SVPWM控制中,中點電壓波動與電網(wǎng)基波頻率有關,而VSVPWM控制中,中點電壓波動與開關頻率有關。圖9