郭利輝

(許昌學(xué)院電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

T型三電平逆變器無差拍電流預(yù)測和中點(diǎn)平衡控制方法

郭利輝

(許昌學(xué)院電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

根據(jù)T型三電平逆變器的特點(diǎn)，提出一種新型無差拍預(yù)測控制方法。和傳統(tǒng)無差拍方法相比，該方法能夠提高電流跟蹤的速度和精度，在相同開關(guān)頻率下可使輸出并網(wǎng)電流畸變減少。為了進(jìn)一步解決T型三電平逆變器固有的中點(diǎn)不平衡問題，提出一種新型 SVPWM 調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制。在分析 T 型三電平逆變器模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)上側(cè)電容和下側(cè)電容電壓的差值，通過增加或者減少小矢量作用時(shí)間實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的新型無差拍控制和 SVPWM 調(diào)制策略可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流快速跟蹤和中點(diǎn)平衡控制問題。

T 型三電平逆變器；無差拍預(yù)測控制；SVPWM；中點(diǎn)平衡控制；快速跟蹤

0 引言

隨著分布式能源大規(guī)模接入大電網(wǎng)，電網(wǎng)電能質(zhì)量急劇惡化，這對于大電網(wǎng)提出了更高的挑戰(zhàn)。因此對并網(wǎng)逆變器輸出電流提出了更高的要求，目前并網(wǎng)逆變器大都采用兩電平拓?fù)洌茈y滿足大電網(wǎng)高電能質(zhì)量的要求[1-4]。傳統(tǒng)二極管鉗位型三電平逆變器雖能夠提高電能質(zhì)量，但是其具有開關(guān)數(shù)目多、導(dǎo)通損耗大和功率損耗不均勻等缺點(diǎn)，而且效率相對較低，很難在光伏新能源中廣泛應(yīng)用[5-7]。

T型三電平并網(wǎng)逆變器的出現(xiàn)解決了上述難題，如圖1所示。該拓?fù)浜蛡鹘y(tǒng)的兩電平逆變器相比，具有開關(guān)選擇多和輸出諧波小的優(yōu)點(diǎn)；和傳統(tǒng)二極管鉗位逆變器相比具有更少的開關(guān)數(shù)目，因此效率較高。而且T型三相三電平并網(wǎng)逆變器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)[8]。

圖1 T 型三電平逆變器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Topology of three-level T-type inverter

對于T型逆變器，并網(wǎng)電流控制是影響發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的另外一個(gè)重要原因[9]。電流控制通常采用多種控制策略，如滯環(huán)控制、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 PI控制、同步靜止坐標(biāo)系下 PR 控制。滯環(huán)控制具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但是輸出電流波形失真以及誤差較大；在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，逆變器的電流和電壓分量直接被控制，但是模型之間相互耦合，不能實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤；在靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)PR控制，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差跟蹤，但是 PR 參數(shù)很難調(diào)節(jié)[10]。近年來，無差拍電流跟蹤控制和空間矢量調(diào)制是一種新型控制方法，在數(shù)字控制電力電子變換器得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際數(shù)字化無差拍電流預(yù)測控制中，存在一定延遲。文獻(xiàn)[11-12]采用無差拍電流預(yù)測控制方法，但是沒有考慮實(shí)際情況延遲。文獻(xiàn)[13-15]采用自適應(yīng)無差拍控制，雖然考慮實(shí)際延遲，但是采用的算法復(fù)雜，難以在實(shí)際工程中應(yīng)用。文獻(xiàn)[16-17]采用直接功率控制，通過開關(guān)表實(shí)時(shí)選擇有功和無功電流控制，該方法沒有電流和 PWM 調(diào)制模塊，實(shí)現(xiàn)簡單，但是該種方法開關(guān)頻率不確定，濾波器很難設(shè)計(jì)。

為了消除實(shí)際延遲帶來的誤差影響，本文提出一種改進(jìn)型無差拍預(yù)測電流控制。和傳統(tǒng)無差拍電流預(yù)測控制方法相比，改善了因?yàn)檠舆t帶來控制不準(zhǔn)問題，從而能夠保證輸出電流畸變率減小，對三電平逆變器中的中點(diǎn)不平衡問題提出了一種基于SVPWM 調(diào)制中點(diǎn)不平衡的控制方法，該方法通過改變小矢量作用時(shí)間實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有很好的實(shí)現(xiàn)效果。

本文所提出的方法不僅能夠解決中點(diǎn)平衡控制難題，并且具有快速的電流跟蹤效果。通過樣機(jī)驗(yàn)證了所提算法的精確性和有效性。

1 三相 T 型三電平并網(wǎng)逆變器無差拍預(yù)測控制方法

T型三電平光伏并網(wǎng)逆變器如圖1所示。以N點(diǎn)為參考點(diǎn)，T型三電平光伏并網(wǎng)逆變器在三相靜止坐標(biāo)系下的模型為

為了實(shí)現(xiàn)無差拍預(yù)測電流控制算法，將T型三電平光伏并網(wǎng)逆變器的三相靜止坐標(biāo)系模型轉(zhuǎn)化成兩相同步靜止坐標(biāo)系模型，得

T型三電平并網(wǎng)逆變器的電壓和電流矢量為

相電流和相電壓可以通過電流傳感器和電壓傳感器獲得。為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)控制，本文提出無差拍模型預(yù)測控制方法，需要考慮一個(gè)周期延遲時(shí)間，由式(2)和式(4)可以得到離散化的電流平均模型為

由式(5)得到輸出電壓模型為

為解決傳統(tǒng)的 PI控制存在響應(yīng)速度慢和參數(shù)難調(diào)等問題，保證三相T型三電平逆變器輸出電流跟蹤速度和控制精度，本文提出一種改進(jìn)型無差拍電流預(yù)測控制方法。即由式(7)得到電壓矢量，然后將電壓矢量值送到 SVPWM 中，實(shí)現(xiàn)輸出電流的快速跟蹤控制。

2 T 型三電平中點(diǎn)平衡控制研究

T 型三電平逆變器 SVPWM 和注入零序分量SVPWM 具有相同的效果，因此也包含 27 個(gè)開關(guān)矢量。27個(gè)開關(guān)矢量包括 1個(gè)零矢量，6個(gè)大矢量，6個(gè)中矢量和6個(gè)小矢量。其中小矢量和中矢量具有相同的開關(guān)矢量，如表1所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)和電壓矢量Table 1 Switching states and voltage vectors

空間電壓矢量和開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 T 型三電平逆變器空間矢量圖Fig. 2 Space-vector diagram of a 3L

注入零序分量SVPWM和SVPWM具有相同的控制效果，但是實(shí)現(xiàn)簡單。因此本文采用注入零序分量的控制方法實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制。

可以得出控制三電平 T型逆變器所需的調(diào)制信號為

圖3 三電平逆變器開關(guān)狀態(tài)對中點(diǎn)平衡影響Fig. 3 Influence of the switching state of the neutral point voltage in the three-level inverter

圖4 小于的情況Fig. 4 Condition thatis smaller than Vdc2

圖5 大于的情況Fig. 5 Condition thats larger than

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提無差拍電流預(yù)測控制算法和中點(diǎn)平衡算法的正確性，搭建了一臺 10 kW T 型三電平并網(wǎng)逆變器樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。整個(gè)系統(tǒng)由三相不可控整流橋、T型三電平逆變器、電流和電壓檢測以及保護(hù)電路組成。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters

圖6為T型三電平逆變器在采用本文提出算法前后實(shí)驗(yàn)對比圖，圖中可以看出采用本文提出算法以后實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)平衡。

圖6 逆變器的電容電壓波形Fig. 6 Waveform of the capacitor voltage of inverter

圖7 逆變器的線電壓和相電流波形Fig. 7 Waveform of the line-to-line voltage and phase current of inverter

圖8 逆變器的輸出電流波形Fig. 8 Waveform of the phase current of inverter

通過表3可以看出無差拍預(yù)測電流控制具有較小的諧波。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental parameters

圖9 給定相電流從跳變到 8 AFig. 9 Reference currentresponses to a step change in 5 A to 8 A

4 結(jié)論

本文根據(jù)三相并網(wǎng)逆變器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，提出了一種新型無差拍控制方法，該無差拍控制方法加了控制的延遲，和傳統(tǒng)無差拍控制方法相比，具有更高的電流跟蹤精度和更好的輸出電流波形質(zhì)量。和傳統(tǒng)的 PI控制相比，具有更快的響應(yīng)速度。同時(shí)為了解決中點(diǎn)不平衡的固有問題，本文提出一種新型注入零序分量 SVPWM 控制方法，通過改變小矢量的作用時(shí)間實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制，從而能夠進(jìn)一步提高T型三電平并網(wǎng)逆變器的輸出性能。

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Deadbeat predictive current and neutral voltage balancing control method parallel three-level T-type inverters

GUO Lihui
(School of Electrical (Electro-mechanical) Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China)

A new deadbeat predictive current control method is proposed according to the characteristics of three-level T-type inverter (3LT2I). Compared to the conventional deadbeat method, this method can fast track the current and reduce the THD of the output current. In order to solve the problem of the neutral-point potential (NP) unbalancing, the novel SPWM method is proposed to realize the NP balance. Based on the model of the 3LT2I, the time of the conventional symmetric SVPWM is changed by adding or subtracting the minimum dwell time based on the upper and lower capacitor voltage. Experiment results from a prototype inverter prove that both NP balance control and fast grid-connected current tracking can be realized using the novel deadbeat controller and SVPWM strategy.

three-level T-type inverter (3LT2I); deadbeat predictive control; SVPWM; neutral-point potential (NP) control; fast tracking

10.7667/PSPC151766

：2015-12-14

郭利輝(1981-)，女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: gloriagordon@163.com

(編輯 周金梅)

2016 年 度 河 南 省 科 技 廳 科 技 攻 關(guān) 項(xiàng) 目(162102210298)；2015年度河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210342)；2015年度河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15B470007)；2014年許昌市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(140202049)