基于独立光伏系统的三相三电平逆变器

基于独立光伏系统的三相三电平逆变器 3张建功 , 刘邦银 , 段善旭 , 康 勇华中科技大学 ,武汉 430074摘 要 为给二级能量变换结构的光伏电厂提供高效后级逆变器 ,设计和实现了一台 12 kVA 逆变器 。 主电路采用中点位式三电平结构 ,以 IGB T 作为主开关器件 ,以重复控制与瞬时值反馈控制相结合的控制策略产生 SPWM波 ,利用重复控制抑制非线形负载下的电压畸变 ,利用瞬时值反馈控制改善系统的动态响应过程 ,输出级采用 L C滤波器减少输出电压 u 的谐波及 d u/ dt ,采用软硬件相结合的限流保护方法 。 装置实验表明 ,这种逆变器效率和输出波形质量高 。关键词 光伏系统 ; 三电平逆变器 ; SPWM 调制 ; 重复控制 ; 瞬时值反馈控制中图分类号 TM464 文献标识码 A 文章编号 100326520 2006 1120103204Three2phase Three2level Inverter Based on Stand2alone Photovoltanic SystemZHAN G Jiangong , L IU Bangyin ,DUAN Shanxu , KAN G Yong Huazhong U niversity of Science and Technology , Wuhan 430074 , ChinaAbstract Solar energy is one of the most clean and rich source in nature , almost all states make their best endeavorsto exploit it and build many photovoltaic plants , the inverter is an important ingredient of the PV system , high qual 2ity output voltage waveform is required for the inverter , the design and implementation of a 12kVA inverter appliedto stand2alone PV system is proposed in this paper. The main circuit structure of the inverter is based on neutralpoint clamped three2level inverter using IGB T , The trigger impulse sequence to each of the inverter bridge arms isgiven alone and its phase contrast is 120 degree to implement multi 2model supply. The amplitude f requency charac 2teristic of the controlled object is drawn by experiment and its mathematic model is derived with the load currenttreated as a measurable disturbance input. To achieve nearly sinusoidal output voltage even with nonlinear loads andabrupt load variation , the SPWM modulation based on repetitive control and instantaneous feedback control is em2ployed for the inverter , repetitive control is used to reduce voltage distortion under nonlinear loads , and instantane 2ous control is designed to quicken the dynamic response process under abrupt load variation , the controller parameteris designed and obtained by MA TL AB. The output harmonics and dv/ dt is depressed by L C filter , the current 2limit 2ed method combining software with hardware is adopted. Various tests have proved veracity of the controlled object ,rationality of the controller parameter , the high level of output voltage waveform quality and efficiency of the instal 2lation.Key words photovoltanic system ; three2level inverter ; SPWM modulation ; repetitive control ; instantaneous feed 2back control0 引 言我国有着十分丰富的太阳能资源 ,据估算全国年平均太阳能电力为 1700 TWh [ 1 ] ,为目前装机容量的多倍 ,且太阳能发电清洁 、 无污染 ,在我国有着十分广阔的前景 。太阳光照受时间和地域的限制 ,为满足用户的需要 ,在一些偏远地区 ,一般建造带储能二级能量变换结构的独立光伏电厂 [ 2 ,3 ] 。前级 DC/ DC 实现最大功率跟踪 ,后级 DC/ AC 实现逆变 。由于前级效率一般只能达到 80 ～ 90 [ 4 ] ,所以要求后级逆变器必须达到较高的效率 。 多电平逆变器开关管承受电压应力小 ,开关损耗小 ,输出电压谐波含量低 ,效率高 。 文中介绍一台 12kVA 独立光伏系统的三相三电平逆变器的设计 ,要求装置输出总谐波系数 ≤2 ,额定阻性负载下效率 ≥ 94 。 逆变器的控制系统基于重复控制和瞬时值反馈控制 [ 5210 ] 。1 主电路结构1. 1 物理模型图 1 是电压型中点钳位 npc 三电平逆变器的主电路拓扑 ,C1、 C2 组成直流电压分压环节 ,逆变器每相桥臂有 4 个开关管 T1～ T4 反并联 4 个续流二极管 和 2 个钳位二极管 D5 、 D6 。每个桥臂有301 第 32 卷 第 11 期2006 年 11 月高 电 压 技 术High Voltage EngineeringVol. 32 No. 11Nov. 20063 台达电力电子教科发展基金重点资助项目 编号 DREK200501 P、 0 和 N3 种状态 。以 A 相为例 ,具体表示为 T1 ,T2 关断 , T3 ,T4 导通 ,U AO - U D / 2 ,定义为 N 态 ;T1 ,T4 关断 ,T2 ,T3 导通 ,UAO 0 ,定义为 0 态 ; T1 ,T2 导通 ,T3 ,T4 关断 ,U AO UD / 2 ,定义为 P 态。图 1 采用 IGBT 的中点钳位三电平结构Fig1 Structure of neutral point clamped three2levelinverter based on IGBT由于用户的多样性 ,光伏系统逆变器常运行在不平衡负载状态 ,为抑制不平衡负载对输出电压的影响 ,对三电平逆变器采取单相独立控制 。三电平PWM 控制方法主要有载波层叠法 、 载波移相法 、 空间电压矢量法和优化 PWM 法等 [ 11214 ] 。 它们各有优缺点 ,文中采用原理简单 、 实现方便且特别适用于二极管钳位型多电平的载波层叠法 。 A 相 4 个开关管触发脉冲产生的情况见图 2 uc1 、 uc2 为两交替反相的载波 ,关于 ω t 轴对称 , ur 为正弦调制波 ,经调制后产生的触发脉冲分别为 Tg1 、 Tg2 、 Tg3 和 Tg4 ,其中 Tg1 和 Tg3 、 Tg2 和 Tg4 互补 , Tg1 和 Tg4 脉冲相差 180 。 B 、 C 相触发脉冲除相位相差 120 外其余相同 。 该功能由 TMS320F2810 控制芯片中事件管理器的比较单元来实现 。图 2 三电平 A 桥臂开关管触发脉冲Fig. 2 Trigger pulse of switching tube in bridge Aof the three2level inverter逆变器电路基波频率 f 1 50 Hz ,载波频率 f s 12 k Hz ,滤波电感 L 2 m H ,滤波电容 C 10μ F ,死区时间 2μ s。1. 2 数学模型逆变电源的动态特性决定于输出 L C 滤波器 ,可认为输出三相滤波器即控制对象 ,实际都采用对称结构 ,各相滤波器参数一致 ,且三相独立控制 ,故可取单相进行分析 ,其等效电路模型见图 3[ 15 ] ,等效电阻 Ro 由线路阻抗 、 滤波电感电阻 、 开关损耗 、 死区等产生 ,L 为滤波电感 , C 为滤波电容 , io 是负载扰动 , ui 为逆变桥输出电压 , uo 为电容电压 。逆变器负载可能为非线性负载 ,建模时将负载电流 io 处理为扰动输入 ,这样所接负载的非线性仅体现在扰动量的任意性上 ,而逆变器模型为二阶线性模型 。根据基尔霍夫定律对图 3 列方程 ,整理后得到控制对象传函为 Ps 1/ s2 L C sRo C 1 。图 3 单相等效电路模型Fig. 3 Equivalent circuit of single phase由于实测 Ro 很难 ,可通过实验直接测取控制对象的幅频特性 ,将其与二阶系统对比来获得 。将三相逆变电源实测的幅频特性绘制在波特图4 中 ,与之最为接近的二阶系统为 P s 6800 2 / s2 2 0. 045 6800 s 6800 2 ,其截止频率为 6800 rad/ s ,阻尼比为 0. 045 , Ro ≈ 1Ω 。 在 12 k Hz 采样频率下的离散形式为 P z 0. 1537 z 0. 1511 / z2 - 1 . 646 z 0. 9503 。图 4 逆变器的幅频特性Fig. 4 Amplitude frequency characteristics of the inverter2 控制与保护2. 1 控制器的设计为获得良好的输出电压波形 ,须对逆变电源的输出电压进行闭环控制 ,控制框图见图 5 ,采用重复控制加瞬时值反馈控制 。常用改进型重复控制器见图 6 ,其中 Q z 0. 95 , z - N为周期延时环节 , C z Kr zk S z 为补偿器 。 比例项 Kr 为重复控制增益 ; zk 为超前环节 ,401 Nov. 2006 High Voltage Engineering Vol. 32 No. 11 实现相位补偿 ;滤波器 S z 抵消控制对象较高的谐振峰 ,可用一陷波器和一二阶滤波器同时作用来满足要求 。 根据控制对象的幅频特性 ,陷波器为 S2 z z5 2 z- 5 / 4。 二阶滤波器 S1 z 截止频率取7000 rad/ s , 阻 尼 比 为 1 , 离 散 形 式 为 S1 z 0. 0446 z 0. 0357 / z2 - 1. 433z 0. 5133 。图 5 逆变器控制系统框图Fig. 5 Control system diagram of the inverter图 6 重复控制系统框图Fig. 6 System diagram of repetitive control补偿器的幅频特性见图 7 ,其中 Kr 1 , a、 c、 b分别为控制对象 P z 、 二阶滤波器 S1 z 、 P zS1 z 的幅频特性 , d、 e分别为滞后环节 z - k 、 陷波器的幅频特性 。 从图中超前 4 拍时 z - k 的幅频特性可见中低频段 d 的相角几乎与 b 重合 ,重复控制能较强地抑制该段范围内的谐波 ; S z S1 z S2 z使谐振峰为负值 ,高频段则迅速衰减 。图 7 补偿器幅频特性Fig. 7 Amplitud e frequency characteristics of the compensator为减小输出量对指令跟踪速度的限制 ,一般设置了指令的前馈通道 。重复控制是逐周期地修正输出电压波形 ,故系统动态性能较差 ,如在重复控制基础上并联一个瞬时值反馈控制器 ,则系统的动态性能将大为改善 。为了使瞬时值反馈控制器稳定 ,使用了一个超前环节 ,提高系统的截止频率 ,增大相位裕量 。 瞬时值反馈控制器 T s 如下式所示 T s 0. 2 1 0. 00024s / 1 0. 00004s 。在 12 k Hz 采样频率下 ,其离散形式为 T z 0. 2 6z - 5. 125 / z - 0. 1245 。图 8a、 b 分别为原系统 P z 和加入瞬时值反馈P z T z 后的幅频特性图的幅频特性 。实用时可串连一小惯性环节抑制高频噪声 。图 8 P z 和 P z T z 幅频特性图Fig. 8 Amplitud e frequency characteristics of Pz and P z Tz2. 2 过流保护该装置采用硬件和软件相结合的保护措施 。 当检测到峰值电流超过滞环比较器设定上限值时 ,从硬件上将各路驱动脉冲强制拉为低 ,封锁正在导通的开关管 ,使电路进入续流状态 ;当电流降到滞环比较器下限值 ,驱动脉冲又重新起作用 ,使电流上升 ,强迫电路又起作用 。软件上用过载限时的方法 ,使其具有输出 110 额定功率历时 30 min 、 150 额定功率历时 2 min 的过载能力 。 实验证明这种保护策略可使装置有很好的短路和过载保护能力 。3 试验结果试验用 TI 公司 TMS320F2810 为控制芯片 ,直流输入电压 U d 750～ 800 V ,输出电压 220 V 、 50Hz ,IGB T 为 M G100J1BS11 ,输出容量 12 kVA 。在装置上分别作了空载 、 突加满载和带整流性负载实验 ,测得的输出电压波形如图 9～ 11 ,可知动态响应瞬变范围较小 、 恢复时间较短 。在额定线性负载下 ,总谐波系数 THD 为 1. 58 ,用功率测试仪测得整机效率为 95. 2 [ 16 ] U d 750 V 和额定阻性负载下 ,效率 η 3U I/ U d I d ,其中 I d 为直流输入电流 ,U 、 I 分别为三相平均线电压 、 线电流 。装置的谐波含量和效率均达到了设计要求 。501 2006 年 11 月 高 电 压 技 术 第 32 卷第 11 期图 9 空载时 A 、 B 相输出电压波形Fig. 9 Output voltage waveformof phase A and B for no2load图 10 突加额定线性负载时 A 、 B 相输出电压波形Fig. 10 Output voltage waveformof phase A and B for rated linearity load图 11 带整流型负载时 A 相输出的电压 、 电流波形Fig. 11 Output voltage and circuitwaveform of phase A for rectif ied load4 结 论采用重复加瞬时控制的三电平逆变器输出波形谐波系数低 ,波形质量高 ,具有低成本 、 高效率和高可靠性 ,很适合作为 10～ 20 kVA 两级能量变换结构光伏系统的后级逆变器 。参 考 文 献[1 ] 时 丽 . 我国光伏发电技术和市场发展 [J ]. 电工技术杂志 , 2002 ,12 6 79280.[2 ] Kjaer S , PedersenJ , Blaabjerg F. 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