三電平光伏逆變器的新型控制策略研究

摘要：光伏逆變器是光伏發(fā)電系統的核心部分，對光伏逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)至關(guān)重要，它的效率高低直接影響著(zhù)整個(gè)并網(wǎng)系統的效率。從電氣安全的角度考慮，逆變器需要采用三相四線(xiàn)制接線(xiàn)方式。文章針對這種三相四線(xiàn)制三電平光伏逆變器提出一種基于DSP2812的新型的控制方法。
關(guān)鍵詞：光伏逆變器；最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)；三相四線(xiàn)；三電平；DSP2812

0 引言
三電平光伏逆變器技術(shù)經(jīng)歷了一段發(fā)展歷程，首先在1977年，德國學(xué)術(shù)家Holtz第一次提出了三電平拓撲結構，采用兩電平電路作為主電路，將主電路中每相橋臂的一對開(kāi)關(guān)管作為輔助中點(diǎn)進(jìn)行箝位。1980年，日本長(cháng)岡科技大學(xué)A，Nabae等人將輔助開(kāi)關(guān)管替換成一對箝位二極管，并分別和上、下橋臂串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管相連以輔助中點(diǎn)箝位，稱(chēng)為二極管中點(diǎn)箝位式(Neutral Point Clamped，NPC)三電平變換器。在1983年，Bhagwat和Stefanovic將日本學(xué)家提出的三電平的拓撲結構推廣到多電平的結構，進(jìn)一步鞏固了NPC結構的多電平模式。而目前三電平逆變器電路結構主要有三種：1)中點(diǎn)箝位三電平逆變器；2)飛跨電容多電平逆變器；3)多單元串聯(lián)多電平逆變器，這些拓撲結構在控制策略上的研究都相對成熟。

1 三電平光伏逆變器主電路拓撲結構
三電平光伏逆變器拓撲結構主要有三種：IGBT直接串聯(lián)電壓型拓撲結構、電流源型拓撲結構、中性點(diǎn)箝位型三電平PWM拓撲結構。
1．1 IGBT直接串聯(lián)電壓型拓撲結構
結構簡(jiǎn)單，逆變效率能到到98％，動(dòng)態(tài)性能良好，對電機絕緣無(wú)影響，并且體積小、重量輕。但是這種結構電路在電網(wǎng)側沒(méi)有輸入變壓器，6脈沖整流電路諧波大，在逆變過(guò)程中du／dt比較大，需要采取緩沖電路來(lái)加以解決。主要運用在起重機械、軋機、電力機車(chē)牽引、風(fēng)機、船舶主傳動(dòng)、水泵和壓縮機等。
1．2 電流源型拓撲結構
輸出頻率可以到220 Hz；電機損耗小，可以實(shí)現四象限運行；電路可靠性比較高。但是此電路不適宜在弱磁下運行，運行過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生比較大的共模電壓，電動(dòng)機的絕緣性能受到影響。此電路主要運用在鍋爐給水泵、風(fēng)機、壓縮機等場(chǎng)合。
1．3 中性點(diǎn)箝位型三電平PWM拓撲結構
這種電路利用二極管箝位開(kāi)關(guān)實(shí)現直流分壓。在整流器上采用12個(gè)二極管，逆變器采用三電平PWM逆變結構。功率器件采用耐高壓的IG BT或者IGCT。使得電路電器的數目減少，結構簡(jiǎn)化很多，體積縮小很多，降低了成本。其主電路拓撲結構如圖1所示。

此電路結構輸出頻率高、過(guò)載能力強、動(dòng)態(tài)性能好、對電機絕緣無(wú)影響、電纜長(cháng)度無(wú)限制、轉矩脈動(dòng)低、噪聲??；但是采用的GTO或IGCT等大功率器件，必須配置復雜的緩沖電路，結構變復雜了，并且不可控的二極管整流器能夠單象限運行，但是要實(shí)現四象限運行必須采取額外的措施，都給電路搭建增加了難度。
這種電路主要應用在傳送帶驅動(dòng)、軋機、擠壓機、礦石粉碎機、風(fēng)機水泵、窯傳動(dòng)等。

2 三電平光伏逆變器的傳統控制策略
在光伏發(fā)電系統中采取先進(jìn)的控制技術(shù)能夠有效地改善系統的效率。隨著(zhù)當前電力電子器件的高頻化和微處理器運算速度的提高，特別是現在高性能數字信號處理器(DSP)的出現，使得一些控制策略應用到光伏并網(wǎng)系統成為可能。
傳統的三電平光伏逆變器控制方法有四種：1)電壓源電壓控制；2)電壓源電流控制；3)電流源電壓控制；4)電流源電流控制。
市電系統我們認為是一個(gè)無(wú)窮大的電容，看成一個(gè)定值交流電壓源，如果光伏逆變器的輸出運用電壓控制方法，這時(shí)候就等效為兩個(gè)電壓源并聯(lián)運行的情況，要想保證系統正常運行，則需要采用鎖相控制技術(shù)來(lái)實(shí)現逆變器輸出的電壓頻率、相位和電網(wǎng)電壓是同步的，可以通過(guò)改變光伏逆變器的電壓大小和相移來(lái)控制發(fā)電系統的有功輸出。但是加入鎖相技術(shù)后就會(huì )使得整個(gè)電路回路響應變慢、逆變器輸出很難精確控制，算法也很復雜。因此現階段，大都采用的是電壓源輸入、電流數輸出的控制方法。當逆變器輸出采用電流源控制時(shí)候，我們只需要控制逆變器的輸出電流來(lái)跟縱并網(wǎng)系統電壓相位和頻率，就可達到并聯(lián)運行的目的。

3 新型的三電平光伏逆變器控制策略
基于數據處理精度和對算法的要求，我們采用TI公司生產(chǎn)的性能數字信號處理器TMS320LF2812A來(lái)對三電平光伏逆變器的算法進(jìn)行控制，在傳統的三相三線(xiàn)三電平逆變器上加一條中性線(xiàn)構成四線(xiàn)制，達到更好的效果。

圖1三相四線(xiàn)制三電平光伏并網(wǎng)逆變器結構圖本電路采用雙級拓撲結構，前級采用Boost升壓電路，將光伏電池電壓升壓后作為直流母線(xiàn)電壓為后級光伏逆變器提供輸入電壓，同時(shí)完成光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制。從圖1看出，太陽(yáng)能電池接到正負極之間，輸入濾波電容Cb采用電解電容。在光伏逆變器部分并聯(lián)兩個(gè)電容，接于直流母線(xiàn)兩端，起均壓作用。每相橋臂都有四個(gè)IGBT，每個(gè)IGBT兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管D。每相橋臂的中點(diǎn)都引出A、B、C三相線(xiàn)，經(jīng)過(guò)電阻R和電感L接到電網(wǎng)系統ea、eb、ec，每個(gè)橋臂還各有兩個(gè)箝位二極管串聯(lián)接在上下開(kāi)關(guān)管之間，箝位二極管的中點(diǎn)與直流母線(xiàn)兩側的串聯(lián)電容中點(diǎn)相連接在電網(wǎng)的中性點(diǎn)，形成中性線(xiàn)。
從原理圖1，由DSP2812芯片控制器來(lái)檢測PV陣列的輸出電壓、電流、電網(wǎng)系統的三相電壓和逆變器輸出的三相電流，并編程進(jìn)行控制算法的計算，為Boost升壓電路和IGBT驅動(dòng)電路提供脈沖信號控制開(kāi)關(guān)管的導通關(guān)斷，控制整個(gè)電路的工作。
圖示為三相四線(xiàn)制的逆變器接線(xiàn)圖，相比三相三線(xiàn)制，多了一條中性線(xiàn)，流過(guò)中性線(xiàn)的電流是三倍的零序電流。逆變器輸出既可以接平衡的三相負載，也可以接單相負載。有其等效關(guān)系：