耿后來，李 順，顧亦磊

（陽光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

多電平變換器能夠?qū)崿F(xiàn)更高電壓和容量，且采用低電壓器件降低了成本，同時(shí)具有降低系統(tǒng)諧波和開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)二極管箝位式變換器存在母線電容電壓難以平衡的問題，而電容鉗位型多電平變換器雖然可以實(shí)現(xiàn)任意電平輸出和所有電容的電壓平衡控制，但需要使用數(shù)目眾多的鉗位電容，控制較復(fù)雜，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性[1-3]。H橋級(jí)聯(lián)型多電平變換器所用的功率器件較多，整機(jī)綜合成本高[1-3]。

文獻(xiàn)[4]提出了一種五電平有源中點(diǎn)鉗位逆變器拓?fù)?，見圖1（a）。該結(jié)構(gòu)在ANPC三電平的基礎(chǔ)上增加一個(gè)飛跨電容模塊，與傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，中點(diǎn)平衡的控制更簡(jiǎn)單，輸出的電平狀態(tài)更加靈活，可靠性更高。為提高效率，文獻(xiàn)[5]提出了一種新拓?fù)?，見圖1（b）。此拓?fù)淠鼙ＷC大電流時(shí)導(dǎo)通的開關(guān)管從3個(gè)降低為2個(gè)。然而，此拓?fù)湫孰m然獲得了提升，但是其在高壓情況下開關(guān)管Q1和Q6的應(yīng)力較大，尚待優(yōu)化。

本文針對(duì)光伏系統(tǒng)中有源中點(diǎn)鉗位的應(yīng)用展開研究，提出一種分時(shí)懸浮電壓控制策略。低壓時(shí)還是五電平調(diào)制策略，高壓時(shí)使得逆變器處于七電平調(diào)制策略下工作，以便獲得更好的實(shí)際效果。最后，通過仿真驗(yàn)證了所提七電平調(diào)制策略的正確性，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可行性。

1 ANPC逆變器原理

圖1 五電平有源中點(diǎn)鉗位逆變器拓?fù)?/p>

有源中點(diǎn)鉗位（ANPC）變換器的一相橋臂如圖1（b）所示。它不同于傳統(tǒng)五電平拓?fù)洌杳肯嘤幸粋€(gè)懸浮電容Cf，通過控制懸浮電容電壓Ucf和母線電容C1和C2的電壓組合形成5個(gè)電平。相對(duì)其他五電平方案，ANPC方案降低了成本和控制復(fù)雜度。

正常情況下，控制懸浮電容的電壓值為UPV/4，母線正負(fù)電容C1、C2的電壓均為UPV/2，通過8個(gè)不同開關(guān)矢量組合使得逆變器輸出達(dá)到5個(gè)輸出電平的目的，詳細(xì)的各個(gè)開關(guān)矢量見表1。

其中，Q1的驅(qū)動(dòng)S1與Q4的驅(qū)動(dòng)S4互補(bǔ)，Q2的驅(qū)動(dòng)S2與Q5的驅(qū)動(dòng)S5互補(bǔ)，Q3的驅(qū)動(dòng)S3與Q6的驅(qū)動(dòng)S6互補(bǔ)，Q7的驅(qū)動(dòng)S7與Q8的驅(qū)動(dòng)S8互補(bǔ)。表1中，“1”表示開關(guān)管導(dǎo)通，“0”表示開關(guān)管關(guān)斷。對(duì)于正半周期，可推導(dǎo)出輸出電平的計(jì)算公式為：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)S1為0時(shí)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)S4為1；當(dāng)驅(qū)動(dòng)S5為0時(shí)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)S2為1；當(dāng)驅(qū)動(dòng)S7為0時(shí)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)S8為1。其中，Q5的驅(qū)動(dòng)S5的狀態(tài)為：

式中：Uo為調(diào)制波信號(hào)。

以直流母線中點(diǎn)N為參考點(diǎn)，該電路輸出電壓VRN可以輸出UPV/2、UPV/4、0、-UPV/4、-UPV/2五個(gè)電平，其中UPV/4、0、-UPV/4三個(gè)電平，各有兩種冗余開關(guān)狀態(tài)。

2 懸浮電容電壓控制

2.1 現(xiàn)有五電平懸浮電容控制策略

ANPC逆變拓?fù)渲?，由于器件等原因?huì)引起懸浮電容Cf的電壓波動(dòng)，而懸浮電容波動(dòng)會(huì)影響逆變輸出，因此必須繼續(xù)控制懸浮電容的電壓。從表1可以看出，有相同的輸出電壓電平（如UPV/4），而這些相同的輸出電平是由不同的矢量（V2、V3）實(shí)現(xiàn)的。相同的矢量對(duì)懸浮電容的電壓影響是相反的，因此通過控制這些相同的矢量，達(dá)到控制懸浮電容電壓平衡的目的[4-6]。對(duì)于輸出電平UPV/4，當(dāng)輸出電流為正時(shí)，矢量V2是對(duì)懸浮電容Cf進(jìn)行充電，而矢量V3是對(duì)懸浮電容Cf進(jìn)行放電，詳細(xì)見圖2?？赏茖?dǎo)知懸浮電容電壓波動(dòng)為：

表1 五電平各個(gè)矢量及開關(guān)狀態(tài)表

圖2 冗余矢量V2和V3的流通路徑

當(dāng)驅(qū)動(dòng)S1為0時(shí)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)S4為1；當(dāng)驅(qū)動(dòng)S7為0時(shí)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)S8為1。同理，當(dāng)電流處于負(fù)半周期，矢量V6和矢量V7對(duì)懸浮電容的影響是一樣的情況。因此，通過分析可知，依據(jù)電流方向，在正負(fù)半周期通過合適的選擇不同矢量的切換狀態(tài)，可以達(dá)到控制懸浮電容電壓的平衡的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)五電平輸出。

2.2 新七電平懸浮電容控制策略

由圖1可知，當(dāng)高電壓時(shí)，處于矢量V1時(shí)，Q6管承擔(dān)的電壓為：

同理，當(dāng)矢量V7工作時(shí)，Q1管承擔(dān)的電壓為：

正常情況下，為保證高效率，開關(guān)管Q1和Q6的耐壓不會(huì)選太高。如果串聯(lián)開關(guān)管，不但系統(tǒng)效率會(huì)降低，而且開關(guān)管串聯(lián)導(dǎo)致系統(tǒng)變得更復(fù)雜，因此需要在UPV較高時(shí)降低Q1和Q6的應(yīng)力。本文提出一種高壓七電平控制方案，即將UCf控制為高于UPV/4以上，以降低開關(guān)管Q1和Q6管應(yīng)力。高壓時(shí)，懸浮電容控制參考指令為：

UCf_ref=UPV/4+UPV×K （6）

其中，K為一較小比例，確保電容控制參考指令出現(xiàn)一定偏差。

然而，此時(shí)的輸出電平電壓則在UPV/4處有改變，矢量V2時(shí)為：

矢量V3時(shí)為：

依據(jù)表1、式（6）和式（7），整個(gè)矢量調(diào)制波形如圖3所示?？梢钥闯?，新調(diào)制策略下，輸出電平達(dá)到輸出7個(gè)電平，同時(shí)開關(guān)管Q1和Q6的應(yīng)力實(shí)現(xiàn)了降低。

圖3 新調(diào)制策略下輸出電平示意圖

3 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提出的五電平電路拓?fù)涞钠唠娖秸{(diào)制算法的理論分析的有效性，對(duì)所提出的算法利用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真。其中，母線電壓設(shè)置為較高的電壓1 400 V，正負(fù)母線電容設(shè)置為2 400 μF，懸浮電容容值為250 μF，控制懸浮電容電壓為400 V，直接并入電網(wǎng)。

圖4和圖5為仿真的橋臂輸出電壓VRN和電網(wǎng)電壓波形?？梢钥闯?，懸浮電壓在400 V附近，橋臂輸出電壓VRN有7個(gè)電平，分別為700 V、400 V、300 V、0 V、-300 V、-400 V、-700 V，符合理論分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4 輸出電壓

圖5 電網(wǎng)電壓的仿真波形

實(shí)際實(shí)驗(yàn)參數(shù)和控制需求和上述仿真相同，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制核心采用DSP芯片TMS320F28374S+LATTICE的FPGA芯片，其中FPGA主要用于PWM信號(hào)擴(kuò)展及邏輯電平處理，開關(guān)器件采用IGBT，母線電壓為1 400 V，懸浮電容電壓參考設(shè)置為400 V，開關(guān)頻率16 kHz。上下母線電容容值為2 400 μF，懸浮電容容值為 250 μF。

圖6、圖7為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的橋臂輸出電壓VRN波形，其中通道1波形為輸出電壓VRN的波形，通道2為電網(wǎng)電壓波形?？梢钥闯?，懸浮電壓在400 V附近，橋臂輸出電壓有7個(gè)電平分別為700 V、400 V、300 V、0 V、-300 V、-400 V、-700 V，符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的七電平調(diào)制策略符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 硬件輸出電壓的波形

圖7 硬件點(diǎn)位電壓的波形

4 結(jié) 論

本文介紹了五電平ANPC逆變器的工作原理，研究了現(xiàn)有懸浮電容控制方案，并針對(duì)較高電壓情況提出了一種懸浮不平衡控制策略，使得優(yōu)化后的五電平逆變器能處于七電平調(diào)制策略運(yùn)行。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照分析，驗(yàn)證了該控制策略的有效性。