两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现.pdf

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两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现1 两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现2 两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现3 两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现4 两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现5
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第43卷第4期2015年2月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.43NO.4Feb.16.2015两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现王若醒,吴迎霞,杨恢宏,唐云龙(1.许继集团微电网系统公司,河南许昌461000;2.国网重庆电力公司,重庆400014)摘要:随着分布式光伏系统的发展,对并网电能质量的要求越来越高。并网逆变器作为系统的核心设备,其性能优劣直接决定了系统的稳定性。相对于传统的两电平逆变器,三电平逆变器具有开关损耗小、效率高、谐波含量小以及dv/dt较低的优点。因T型拓扑比NPC结构损耗小、Diode数量少、独立驱动电源少,介绍一种T型两级式三电平拓扑结构,研究了基于dq坐标变换的双闭环控制策略、避免三角函数计算的SVPWM算法及其DSP实现,提出了中点电位不平衡的抑制方法。最后采用该算法研制了一台10kW样机,试验结果表明了控制算法的有效性。关键词:三电平逆变器;T型拓扑;SVPWM;中点电位Researchonkeytechnologiesofdouble--stageT-typethree・-levelphotovoltaieinverterWANGRuoxing,WUYingxia2,YANGHuihong,TANGYunlong—(1.XJGroupCorporationMicroGrid,Co.,Xuchang461000,China;2.ChongqingGridCorporationofStateGrid,Chongqing400014,China)Abstract:Withthedevelopmentofdistributedphotovoltaicsystem,therequirementofgridqualityismoreandmorehigher.Asthecoreequipment,theperformanceofgridinverterdirectlydeterminesthestabilityofthesystem.ComparedwithtraditionaltwolevelinveaegthreelevelinverterhastheadvantagesofswitchlOSS.highefficiency,lOWharmoniccontentandlowerdv/dt.ComparedwiththeNPC.TtopologicalstructurehasthelOSSsmal1.1essdiodequantity,less——independentdrivepowersupply.AdoublestageT-typethreeleveltopologyisintroduced,thedqcoordinatetransfor——mationbaseddoubleclosedloopcontrolstrategyandSVPWMalgorithmwithouttrigonometricfunctions,aswellasitsDSPimplementationarestudied,andaneutralpointimbalancesuppressionmethodisproposed.Finally,a10kWprototypeisdeveloped,theresultsshowthatthecontrolalgorithmiseffective.Keywords:three-levelinverter;T-typetopology;SVPWM;neutralpoint中图分类号:TM464文献标识码:A——文章编号:16743415(2015)040058050引言相对于传统的两电平逆变器,三电平逆变器具有很多优点,比如多层的输出电流或电压波形使得谐波含量较小,较低的开关频率使得损耗小、效率高以及器件承受电压低等,很大程度上减少了滤波器的体积、重量,在高压、大功率领域中受到广泛应用【1七J,目前流行的三电平逆变器拓扑结构有NPC二极管箝位[31、飞跨电容式、T型结构【4J等。相对于NPC来说,T型拓扑损耗小、Diode数量少、更少的独立驱动电源,从T型三相三电平光伏并网逆变器拓扑结构出发,重点研究了基于电压电流双闭环控制策略、SVPWM算法原理及DSP数字化实现、中点电位不平衡抑制的关键技术。最后在10kW试验样机平台上进行了控制算法的验证,并对试验结果进行了分析。该样机采耳;jT型两级式_一电平结构的双CPU控制,其中DC/DC采用ARM实现MPPT控制、DC/AC采用TMS320F28335实现逆变并网,两芯片之间采用SPI通信。1拓扑结构及矢量图1.1两级式T型三电平拓扑T型两级式三相三电平光伏逆变器主电路拓扑如图1所示,其中DC/DC为boost升压电路,T型开关管及LC滤波为DC/AC逆变环节。曲线框内为电流和电压采样信号。两级式结构I5J由于前级有DC/Dc升压电路,因此光伏组件配置的电压范围较宽,而且可以将MPPT和逆变分开控制,提高了系统的稳定性。王若醒,等两级式T型三电平光伏逆变器的关键技术研究及实现图1T型三电平光伏并网逆变器主电路拓扑—Fig.1MaincircuittopologyofT-typethreelevelphotovoltaicinverter1.2开关状态及矢量图图l中,以A相为对象,其开关状态见表1。表1开关状态表Table1Aswitchstatictable表1中,1代表开关导通,0代表开关关断。输出电压为以中点电位O为参考点的相电压,共有+/2、0、一/2三种电平。A相有P、O、N三种开关状态。因此三相逆变器共有3=27个电压矢量,包括3个零矢量,12个短矢量,6个中矢量,6个长矢量。除去冗余矢量,共有19个有效空间电压矢量,矢量图培如图2所示。具体矢量表见表2。【】NPNoPNⅢ///NPO/oPoV\/PPO、Dn//\NNPONPvPNP图2基本空间电压矢量图Fig.2Basicspacevoltagevectordiagram表2矢量表Tlable2Tlableofvector零矢量短矢量中矢量长矢量POO/ONNPPO/OONOPO/NONOPP/NOOOOPOPOP/ONOPNOPONOPNNPONOPONPPNNPPNNPNNPPNNPPNP2控制策略①图3中,曲线框为电网电压SPLL软件锁相原②理图,曲线框为基于坐标变换的电压电流双闭环③控制策略【9】原理图,曲线框为电压前馈解耦控制④①②③环节,曲线框为MPPT实现原理。其中框④图代表的关键技术I ̄DSP芯片控制实现,表示的MPPT技术由ARM芯片控制实现。…厂一一一…一一]①”o~螂i④图3基于双CPU的双闭环控制框图—Fig.3DualloopcontroldiagramofbasedondualCPU图3中各变量含义见表3。表3变量含义Table3Variablemeaning变量含义blabcld、Z口、、ed、edS、sb、s:b/、uBCOo三相电网电压三相电感电流有功电流分量,无功电流分量有功电流分量参考值,无功电流分量参考值直流侧电压参考值,直流侧电容电压有功电压分量,无功电压分量锁相角度ABC三相开关状态坐标系下的电压矢量分量固有频率,等于314rad/s3SVPWM算法原理及DSP实现基于空间矢量的SVPWM算法的具体实现分扇区判断、基本矢量作用时间计算、时间状态分配三个步骤。与传统24扇区相比,为保证高准确度,这里采用36扇区[进行区域判断,即6个大扇区,每一个大扇区又分为6个小扇区,扇区分配见图2。.60.电力系统保护与控制(1)大扇区判断规则另实际空间电压矢量在轴上的投影为。pha和。为简化计算,将所有大扇区都转换到I扇区,判断规则的C部分程序如下:angle=atan2(lDha,Vbeta);if(angle<O)angle=angle+360;bigSector=floor(angle ̄60);—angle1=anglebigSector60;ValDha1=Urefcos(angle1);VbetaI=efcos(angle1)angle、angle1分别代表电压矢量的实际角度、转换到第1扇区的角度(具体程序中,涉及到角度与弧度之间的转换);Ila、分别代表在静止坐标系下电压矢量转换到第1扇区的分量;代表电压矢量f的模。bigSector代表大扇区号。(2)小扇区判断规则具体判断规则见表4。表4小扇区判断规则Table4Judgmentruleofsmallsector表中,Temp=一43×—(Dha10.5×udc)。(3)避免三角函数的矢量作用时间计算以图2中I扇区的第5小扇区的空间电压矢量f为例,根据NTV法则¨,合成f矢量的基本矢量对应的开关状态为POO或ONN、PNN、PON,假设其对应的基本矢量分别为、、,作用时间分别为、、,则根据伏秒平衡得到:I++××,1++=u基本矢量作用时间计算如下::_Udcej。:ej0(2):e为避免三角函数计算,另Ih/ly=0.57735x。1/将式(2)和式(3)带入式(1)得到:‘—‘I=2(1一XY){T2=(2X一2Y一1)・I=4・Y。(3)(41式(2)~式(4)表明,该方法避免了三角函数计算,使程序实现简化。同理,可以计算其他扇区的作用时间。(41时问状态分配采用7段式的脉冲形式,以负短矢量为作为每个采样周期的起始矢量,保证每次只有一相开关状态的转换。以图2中I扇区的第5小扇区为例,则开—————关状态顺序为:oNNPNNP0NP0OP0N—PNNONN。经计算,状态分配结果为I:/2{n2=1+T2/2(5)Iton3=+T3/2式中,To。、:、ro为基本矢量导通时间分配给具体三相开关器件,以完成对主电路的控制。下面介绍DSP28335的EPWM模块产生实际SVPWM脉冲的方法。DSP28335芯片有6个增强型的EPWM模块,每个模块可以输出两路脉冲EPwMA和EPwMB,而且方便设置该两路互补脉冲的死区时间。图2中,A*H的互补导通的管子S1和S3、S2和S4都需要设定死区。死区设置方法见图4所示。t—}一_+一一—一}一一f一}一一IOBCTL[INMODElOBCTL[POLSEL]}DBCTL[OUTkX3DEl图4死区设置方法Fig.4Methodofthedeadzonesetting图5中,PWM脉冲的产生,可以通过死区设置,当比较匹配时,通过控制比较动作来产生脉冲。根据图3,、作为sVPwM算法的输入最,DSP实现软件流程图如图6所示。62.电力系统保护与控制6结论设计了一台10kW两级式T型三电平逆变器,采用双CPU独立控制,Dc/Dc实现MPPT控制,DC/AC实现逆变并网控制,运用基于砌坐标变换的电压电流双闭环控制算法、避免三角函数计算的SVPWM以及抑制中点电位不平衡的方法,样机试验结果表明了该控制方法的有效性,有很好的工程实用价值。参考文献l1JLEEK,SONGJ,CHOYI,eta1.Torqueripplereduction—inDTCofinduc-tionmotordrivenbythreelevelinverterwithlowswitching ̄equency[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2002,17(2):255・264.[2]LEEYSUHB,HYUND.AnovelPWMschemefora—threelevelvoltagesourceinverterwithGTOthyristors[J]IEEETransactionsonAffectiveComputing,1996,32(2):260.268.[3]黄卫平,谢运祥.基于TMS320F2812的三电平逆变器的研究[J]_电力电子技术,2010,44(1):31-33.HUANGWeiping,XIEYunxiang.Researchon—threelevelinverterbasedonTMS320F2812[J].PowerElectronics,2010,44(1):31-33.[4]童鸣庭。三相T型三电平非隔离并网逆变器的研究【D1合肥:合肥工业大学,2013.TONGMingting.Researchonthree・phaseT-type——three-levelnonisolatedgridconnectedinverter[D].HefeiHefeiUniversit)rofTechnology,2013.[5]刘胜荣,杨苹,肖莹,等.两级式光伏并网逆变器的无差拍控制算法研究【J].电力系统保护与控制,2010,38(8):26-29.LIUShengrong,YANGPing,XIAOYing,eta1.Algorithmresearchofdeadbeatcontrolfordouble-stage—photovoltaicgridconnectedinverter[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2010,38(8):2629.[6]古小科,杨景常.一种新型的三相三电平逆变器[J]_—电力电子技术,2013,47(5):1819.GUXiaoke,YANGJingchang.Anewtypeofthreephasethreelevelinverter[J].PowerElectronics,2013,47(5):18.19.[7]王兆宇。艾芋.三电平逆变器空间矢量调制及中点电压控制[J].电力系统保护与控制,2011,39(20):131.】36.WANGZhaoyu,AIQian.Spacevectormodulationforthree-levelinverterandneutralpointpotentialcontrol[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(20):131.136.[8]姜卫东,王群京,陈权,等.一种完全基于两电甲空间矢量调制的三电平空间矢量调制算法『J1.电工技术学报,2009,24(1):108-114.JIANGWeidong,WANGQunjing,CHENQuan,eta1.—SVPWMstrategyforthreelevelinverterbasedon—SVPWMstrategyfortwolevelinverter[J].Transactions—ofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(1):108114.[9]裘锦勇,宋文祥,韩杨,等.基于电压空间矢量的三电Ⅲ平PWM整流器研究.电力系统保护与控制,2009,—37(131:5862.QIUJinyong,SONGWenxiang,HANYang,eta1.Studyont—hreelevelPWMrectifierbasedonspacevector—pulsewidth-modulation[J].PowerSystemProtectionand—Control,2009,37(13):5862.[1O]张健.三电平光伏并网逆变器的控制策略研究[DI.钮li江:江苏大学,2010.ZHANGJian.Researchonthreelevelphotovoltaic—gridconnectedinvertercontrolstrategy[D].Zhenjiang:JiangsuUniversity,2010.[11]李政学.基于TMS320LF2407三电平逆变器SVPWM研究【J】.电子科技,2011,24(3):104.107.—LIZhengxue.ResearchonthethreelevelSVPWMinverterbasedonTMS320LF2407[J].ElectronicScience—andTechnology,20l1,24(3):104107.[12]金红元,邹云屏,林磊,等.三电平PWM流器舣环控制技术及中点电压平衡控制技术的研究【J].电—机工程学报,2006,26(20):6468.J1NHongyuan,ZOUYunping,LINLei,eta1.Research—onthetechnologyoftheneutralpointvoltagebalanceanddual・・loopcontrolschemeforthree・-levelPWMrectifier[J].ProceedingsoftheCSEE,2006,26(20):64.68.收稿日期:2014-05-13;—修回B期:2014-0629作者简介:王若醒(1972-),男,硕士,高级工程师,从事分布式电源及微电网领域研究及相关电力电子设备开发。(编辑姜新丽)
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