光伏逆变器直流母线中点电压不均衡的原因分析

光伏逆变器直流母线中点电压不均衡的原因分析

目前，国内外对中点电压平衡的研究主要集中在硬件电路方法和软件控制系统上。硬件电路方法主要采用外加电压补偿电路均衡电容电压,控制复杂、可靠性低且造成系统成本增加。软件控制算法主要通过调整控制策略实现,目前的研究主要集中于三电平。文献提出在空间矢量脉宽调制(SVPWM)中根据电路工作状态调整正负小矢量的作用时间以补偿中点电压的波动。文献充分利用了冗余矢量对中点电压的影响,在各扇区采取不同的开关调制模式,并通过精确计算得到中点电压控制因子,具有较好的控制效果,但开关损耗增加。文献基于中点电压变化对矢量的偏移影响修正了扇区分区,中点电压波动和输出谐波得到了改善,但控制十分复杂,不利于算法实现。文献基于正弦脉宽调制(SPWM)与SVPWM算法之间的本质联系,提出一种通过向调制波注入零序电压分量的方法,达到了与SVPWM方法同样的平衡控制效果。通过对控制算法的改进来平衡电容电压,可以避免硬件方法的弊端,但若只是对SPWM和SVPWM算法进行简单的修正,并不能在全范围内平衡中点电压,且不适用于三电平以上的更高电平。文献提出了虚拟空间矢量控制(VSVPWM),很好地解决了中点电压偏移问题,目前最高已做到四电平。本文以实际应用中常见的NPC三平逆变器为例,以中点电压平衡为研究目的,分析造成中点电压波动的原理,对各种常用的中点电压平衡控制方法进行比较研究,并对各种方法进行了仿真验证。1svpwm控制方式的确定逆变器的输出性能主要取决于控制算法,与SPWM相比,SVPWM直流电压利用率高,得到了广泛的应用。中点箝位式(NPC)三电平逆变器电路如图1所示。理想情况下,Vdc1=Vdc2=Vdc/2。输出电压Uao有:Vdc/2,0,-Vdc等3个状态,分别对应开关状态P,O,N。三电平逆变器的输出电压合成矢量为Vref=23(Uan+Ubnej2/3π+Ucnej−2/3π)(1)Vref=23(Uan+Ubnej2/3π+Ucnej-2/3π)(1)通过式(1)的变换可知,输出电压矢量有27种。其中幅值为2Vdc/3的矢量定义为大矢量,如PNN,PPN;幅值为3√Vdc/33Vdc/3的矢量定义为中矢量,如PON,OPN;幅值为Vdc/3的矢量定义为小矢量,如POO,ONN;幅值为零的矢量定义为零矢量,如PPP。三电平逆变器的空间矢量分布如图2所示。6个大矢量将空间矢量图分为6个大扇区,以大矢量PNN为起始沿逆时针旋转每60°依次记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。每个大扇区由4个小三角形扇区组成,分别记为1、2、3、4。对第Ⅰ扇区进行分析,根据对称性,可以得到其他扇区的工作情况。常规的SVPWM控制算法采用最近三矢量(NTV)控制方式。如图3所示,当合成矢量Vref位于第Ⅰ大扇区中第3小扇区(记为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——分别为矢量V1、V2、V4的作用时间,Ts——开关周期。为降低器件开关损耗,降低输出电压谐波,调制中采用7段对称式SVPWM控制方式,各小扇区的开关顺序如表1所示。2中点电流随负载条件变化的特性由图1可知,三相输出的一相或者两相连接到中点。将会产生引起中点电压波动的中点电流inp。大矢量和零矢量产生的中点电流为零,因此对中点电压偏移没有影响;小矢量成对出现,而产生的中点电流大小相等方向相反;中矢量只有一相连接到中点,对中点电位的影响依赖于负载条件。可见,中点电流依赖于小矢量和中矢量的作用时间。具体影响如表2所示。三相逆变器每个桥臂有3个输出状态,设逆变器的开关状态为US=T(3)式中Sx=1,0,-1,x=a,b,c流入中点电流的瞬时值可以表示为此中点电流流经电容,必将造成电容的充放电,从而使中点电压产生波动和偏移。中点电压平衡控制的目的就是要控制inp(t)在一个开关周期中的平均值为零,使得每个开关周期中中点电压的的变化为零。3两者控制的控制点都是主动控制目前,中点电压平衡控制策略主要包括滞环中点电压控制、精确中点电压控制和虚拟空间矢量控制。前两种控制都是通过调节正负小矢量的作用时间平衡中点电压,两者都属于主动控制。虚拟空间矢量控制根据对中点电流的影响选择矢量,从而得到较好的平衡控制,属于被动控制。3.1平衡方向的控制空间矢量调制中,小矢量总是成对出现,但对中点电压的影响刚好相反。由于首发小矢量都是负小矢量,故只需检测该矢量作用时连接到中点的某相负载电流方向,就可以知道该小矢量对中点电压的影响方向,并考虑直流电容电压Vdc1和Vdc2的不平衡方向,来调节正负小矢量的相对作用时间从而控制中点电压。设为中点电压调节因子,一般取-0.5<k<0.5。负小矢量的作用时间为T0n=(1+k)/2,正小矢量的作用时间为T0p=(1-k)/2。具体的控制规律是:当Vdc1=Vdc2,k取0;当Vdc1>Vdc2,且此时首发小矢量中点电流的方向为流入,则k>0,否则k<0;当Vdc1<Vdc2,且此时首发小矢量中点电流的方向为流入,则k<0,否则k>0。这种闭环中点控制算法通过选择适当的小矢量,使得中点电压向不平衡的相反方向移动,实际上是一种砰砰滞环控制。使用这种方法只需要检测每相的电流方向和中点波动的方向,而不需要知道其具体值,由于实现简单,鲁棒性强,成为目前应用最广泛的方法。该方法的缺点是中点电位会在小范围内波动。3.2调节因子k的求取由于滞环中点电压控制中调节因子k的不确定,因此理论上该策略不能充分发挥正负小矢量对中点电压的补偿作用。在一个PWM控制周期Ts内,两个直流电容C1与C2电压的偏差为ΔVdc=Vdc1-Vdc2(5)这时施加控制后流入中点的电荷应为QNP0=-Cdc·ΔVdc(6)其中,C1=C2=Cdc为直流电容值,如图1所示。以扇区Ⅰ-3为例,施加控制后流入中点的电荷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)当参考电压矢量位于其他扇区时,可以求出相应的调节因子k。以上求出的k是从数学意义上推导得到的,使用时要限定在-1≤k≤1。精确计算调节因子k的前提是中点电压没有发生偏移,如果由于其他一些因素导致中点电压出现偏移,则该算法不具有将中点电压拉回平衡点的能力。为弥补该缺陷,考虑采用滞环中点电压控制与精确中点电压控制相结合的控制策略。具体实现如下:设定一个电压误差滞环ΔVth,如果ΔVdc<ΔVth,采用精确中点电压控制;如果ΔVdc>ΔVth,采用滞环中点电压控制。两种控制方式在空间矢量调制的时间分配方式上是一致的。3.3中矢量作用时间的计算通过对中点电压波动机理的分析可知,中点电压的波动根源来自于中矢量。以上两种方法都是通过对小矢量作用时间的适当分配以补偿中矢量对中点电压的影响。VSVPWM控制的基本思想是将中矢量的作用时间部分分配给临近的小矢量,并保留适当的中矢量作用时间以保证输出电压的平滑性。以第Ⅰ扇区为例,中矢量PON的临近小矢量为POO(ONN)或PPO(OON)。中矢量PON作用时中点电流为Ib,小矢量ONN作用时中点电流为Ia,小矢量PPO作用时中点电流为Ic。对于三相无中线电网,三相电流存在关系:Ia+Ib+Ic=0。因此,将中矢量的作用时间平均分配给这三个矢量,则中矢量对中点电流的作用效果为inp=(Ia+Ib+Ic)/3=0。将小矢量的作用时间平均分配给正负小矢量,这样小矢量对中点电压作用效果也为零。据此,得到第Ⅰ扇区的虚拟空间矢量图,如图4所示。第Ⅰ扇区中,大矢量和零矢量与图3保持一致,虚拟小矢量和虚拟中矢量定义如下:V′1=(V1(POO)+V1(ONN))/2V′2=(V2(PPO)+V2(OON))/2V′4=(V1(ONN)+V4(PON)+V2(PPO))/3(9)虚拟空间矢量将第Ⅰ扇区分为5个小扇区,对参考矢量所在扇区采用NTV原则,计算各虚拟空间矢量的作用时间。当合成矢量Vref位于小扇区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——分别为矢量V′1,V′2,V′4的作用时间;Ts——开关周期。各空间矢量的作用时间分别为TPOO=T0/2TOON=T1/2TPON=T2/3TPPO=T1/2+T2/3TONN=T0/2+T2/3(11)空间矢量的作用顺序为:PPO→POO→PON→OON→ONN→ONN→OON→PON→POO→PPO。4中点电压平衡控制为了验证以上这几种中点电压平衡控制策略,在Matlab/Simulink平台上建立了三电平逆变器的仿真系统。仿真基本参数如下:Vs=220V,f=50Hz,交流侧滤波电感Ls=1mH,直流母线电容Cdc=4000μF,直流母线电压Vdc=700V,输出功率Pout=10kW。图5为不加中点电压平衡控制的直流母线电容电压波形,图6、7、8分别为加入VSVPWM平衡控制、滞环中点电压控制和精确中点电压控制的直流电容电压波形。仿真结果表明,加入中点电压平衡控制后,中点电压波动得到了很好的抑制,其中,VSVPWM控制对中点电压波动的抑制效果最好,但开关损耗增加,电流谐波有所增加。另外,SVPWM控制中,中点电压波动与电网基波频率有关,而VSVPWM控制中,中点电压波动与开关频率有关。图9