基于Simulink的多電平二極管NPC逆變器拓撲SVPWM電流控制技術

現(xiàn)代世界對環(huán)保解決方案的持續(xù)關注鼓勵大多數(shù)公司重新思考他們的戰(zhàn)略，并設計新的或改進的方法和產品。這在電能生產方面沒有什么不同，其中太陽能和風能作為綠色方法一直處于領先地位?；谶@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）之間的能量轉換效率，以減少能量產生損失。因此，在太陽能和風力發(fā)電廠上都設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)中至關重要。

介紹

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

此外，由于人們不斷關注有關清潔電能發(fā)電的環(huán)境解決方案，缺乏或間歇性地產生資源，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）會降低配電網絡的質量和可靠性。因此，大多數(shù)公司不得不重新考慮他們的產品、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且無法控制，以及人口對電網的電力利用，企業(yè)一直在不斷關注改進其技術，特別是提高發(fā)電和利用效率。

在此基礎上，應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生的直流轉換為交流電，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同步和能量轉換。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和并網逆變器不同，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模式的不同級別。此外，這些設置決定了直接影響最終產品的尺寸、重量、價格、復雜性、操作、諧波產生、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換器，即H橋（或全橋）和中性點鉗位（NPC）。除了經典的實現(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用。

除逆變器外，還必須實施調制技術以調制逆變器的轉換。有幾種類型的脈寬調制 （PWM） 技術可應用于逆變器和電機驅動器，包括正弦脈寬調制 （SPWM）、空間矢量脈寬調制 （SVPWM）、移相 PWM 和選定的諧波消除 PWM。雖然有幾種調制技術，每種技術都更適合特定應用，但由于開關頻率范圍很廣，光伏逆變器采用的更通用的調制策略是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。

此外，并網轉換器的基本要求之一是電網同步。這一要求與轉換器的效率直接相關，并且有不同的實現(xiàn)方式。例如，連接到電網的鎖相環(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，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)定任何電網故障。本文重點介紹光伏應用，其中提供的所有結果都是通過在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拓撲結構由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和二極管的組合構成。在結構上，NPC的設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)的全橋實現(xiàn)相比，它取得了改進，例如更低的dv/dt和開關應力。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%），并且還產生非常低的泄漏電流并產生低電磁干擾。

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橋拓撲更復雜。它也更適合大功率應用，例如中央逆變器。

此外，隨著電力需求的增加，逆變器已經得到改進，以產生更多的電壓水平。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)在開關損耗和導通損耗之間需要權衡，后者隨著電平的增加而增加，而開關損耗減小。因此，多電平逆變器可減少半導體元件的應力，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拓撲結構。

圖2.五電平二極管NPC拓撲結構。

空間矢量脈寬調制

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控制技術得到更好的控制。事實上，SVPWM 技術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連接產生的瞬時線路中性三相電流或電壓構成。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，它必須控制的開關就越多，因此調制技術計算每個開關的占空比以及開關順序以實現(xiàn)功率轉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速度，但這些查找表僅限制系統(tǒng)對可預測事件的響應。

因此，SVPWM 方法的工作原理如下：

根據(jù)線中性三相電壓，該技術確定參考空間矢量

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

調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，該策略計算開關的駐留時間

最后，調制產生PWM脈沖，驅動逆變器以產生所需的電壓。

這個過程是周期性的，一旦其脈沖產生所需的輸出，就會重新開始。

事實上，該技術將空間矢量信息與構成空間矢量圖的電壓矢量進行比較，生成用于調制逆變器的瞬時開關狀態(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。這種開關模式幾乎是用系統(tǒng)即時計算的，它表示調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序列。SVPWM 的每個級別都會增加圖的復雜性，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 × Level2 – 3 × Level + 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，這導致系統(tǒng)的復雜性更大。

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，這增加了調制的復雜性，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)應用的技術。

為了展示光伏系統(tǒng)產生和注入電網能量的改進電網參數(shù)，無功功率控制非常適合三相并網光伏逆變器。這種控制方法允許系統(tǒng)控制光伏系統(tǒng)產生的直流電，將這種電能傳輸?shù)诫娋W，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，由于電機驅動控制類似于逆變器的控制，因此交流感應電機驅動器上使用的技術可以適用于光伏逆變器。通過這種方式，磁場定向控制（FOC）技術或矢量控制（通過控制電機驅動器的頻率、幅度和相位來操作）可以在連接到配電網絡的光伏轉換器中進行調整和實施。該方法控制產生的電流的頻率、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-零變換轉換為3軸系統(tǒng)。

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

同時，控制方法還使用應用α-β-零和d-q-3的三相產生的電流，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過變換后，該技術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，誤差信號必須經過經典的比例積分（PI）控制環(huán)路。

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

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)、構成該區(qū)域的電壓矢量、開關的停留時間，最后計算逆變器的最佳開關順序。它們以脈沖的形式傳輸，驅動轉換器，在系統(tǒng)中產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)上述頻率自適應控制方法外，還可以使用連接到電網的正序電壓檢測器（PSD）來改進該方法。這可用于檢測進一步的電網故障條件，例如不平衡和扭曲的電網環(huán)境，并使系統(tǒng)適應它，從而減少損耗并提高系統(tǒng)效率。

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

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，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，由于它已經在d-q-0轉換中使用，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，從而生成d-q-0分量。

在完成從電網電壓中獲取和轉換正序分量的整個過程后，系統(tǒng)繼續(xù)如前所述。從產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條件具有自適應反應。

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技術控制的并網多電平二極管NPC逆變器拓撲結構和適配為FOC技術的閉環(huán)無功控制方法，通過正序檢測器實現(xiàn)。

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

在設計系統(tǒng)時，必須認真考慮一些額外的參數(shù)，如開關頻率、失真、損耗、諧波產生和響應速度，以考慮調制策略。

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，代表電網電壓的三個完整周期，因此系統(tǒng)已經穩(wěn)定，每個電網電壓都有下降，持續(xù)0.04秒，在仿真0.1秒后恢復正常。

因此，沒有PSD實現(xiàn)的結果在電網故障之前表現(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條件下時，它比沒有PSD的系統(tǒng)適應得更好，顯示出完全平衡的產生電流。此外，當系統(tǒng)達到0.18秒時，要求關閉，因此，二極管NPC的中間開關隨后打開，中斷任何電流產生，但電容器和電感器放電的短暫時間除外。

圖7.三相電網電壓。

圖8.三相、五電平產生電流，無需實現(xiàn)PSD。

圖9.采用PSD實現(xiàn)的3相、<>電平產生電流。

調制逆變器A相的SVPWM脈沖如下所示;NPC 以 100 kHz 的頻率切換?？梢暂p松選擇NPC的開關頻率，并且系統(tǒng)在20 kHz至300 kHz的非常寬的頻率值范圍內令人滿意地運行。

圖 10.五電平、A相開關脈沖。

因此，結果表明，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)電網故障自適應系統(tǒng)，更復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