三电平光伏逆变器的新型控制策略研究

摘要：光伏逆变器是光伏发电系统的核心部分，对光伏逆变器最大功率点跟踪(MPPT)至关重要，它的效率高低直接影响着整个并网系统的效率。从电气安全的角度考虑，逆变器需要采用三相四线制接线方式。文章针对这种三相四线制三电平光伏逆变器提出一种基于DSP2812的新型的控制方法。
关键词：光伏逆变器；最大功率点跟踪(MPPT)；三相四线；三电平；DSP2812

0 引言
三电平光伏逆变器技术经历了一段发展历程，首先在1977年，德国学术家Holtz第一次提出了三电平拓扑结构，采用两电平电路作为主电路，将主电路中每相桥臂的一对开关管作为辅助中点进行箝位。1980年，日本长冈科技大学A，Nabae等人将辅助开关管替换成一对箝位二极管，并分别和上、下桥臂串联的开关管相连以辅助中点箝位，称为二极管中点箝位式(Neutral Point Clamped，NPC)三电平变换器。在1983年，Bhagwat和Stefanovic将日本学家提出的三电平的拓扑结构推广到多电平的结构，进一步巩固了NPC结构的多电平模式。而目前三电平逆变器电路结构主要有三种：1)中点箝位三电平逆变器；2)飞跨电容多电平逆变器；3)多单元串联多电平逆变器，这些拓扑结构在控制策略上的研究都相对成熟。

1 三电平光伏逆变器主电路拓扑结构
三电平光伏逆变器拓扑结构主要有三种：IGBT直接串联电压型拓扑结构、电流源型拓扑结构、中性点箝位型三电平PWM拓扑结构。
1．1 IGBT直接串联电压型拓扑结构
结构简单，逆变效率能到到98％，动态性能良好，对电机绝缘无影响，并且体积小、重量轻。但是这种结构电路在电网侧没有输入变压器，6脉冲整流电路谐波大，在逆变过程中du／dt比较大，需要采取缓冲电路来加以解决。主要运用在起重机械、轧机、电力机车牵引、风机、船舶主传动、水泵和压缩机等。
1．2 电流源型拓扑结构
输出频率可以到220 Hz；电机损耗小，可以实现四象限运行；电路可靠性比较高。但是此电路不适宜在弱磁下运行，运行过程中也会产生比较大的共模电压，电动机的绝缘性能受到影响。此电路主要运用在锅炉给水泵、风机、压缩机等场合。
1．3 中性点箝位型三电平PWM拓扑结构
这种电路利用二极管箝位开关实现直流分压。在整流器上采用12个二极管，逆变器采用三电平PWM逆变结构。功率器件采用耐高压的IG BT或者IGCT。使得电路电器的数目减少，结构简化很多，体积缩小很多，降低了成本。其主电路拓扑结构如图1所示。

此电路结构输出频率高、过载能力强、动态性能好、对电机绝缘无影响、电缆长度无限制、转矩脉动低、噪声小；但是采用的GTO或IGCT等大功率器件，必须配置复杂的缓冲电路，结构变复杂了，并且不可控的二极管整流器能够单象限运行，但是要实现四象限运行必须采取额外的措施，都给电路搭建增加了难度。
这种电路主要应用在传送带驱动、轧机、挤压机、矿石粉碎机、风机水泵、窑传动等。

2 三电平光伏逆变器的传统控制策略
在光伏发电系统中采取先进的控制技术能够有效地改善系统的效率。随着当前电力电子器件的高频化和微处理器运算速度的提高，特别是现在高性能数字信号处理器(DSP)的出现，使得一些控制策略应用到光伏并网系统成为可能。
传统的三电平光伏逆变器控制方法有四种：1)电压源电压控制；2)电压源电流控制；3)电流源电压控制；4)电流源电流控制。
市电系统我们认为是一个无穷大的电容，看成一个定值交流电压源，如果光伏逆变器的输出运用电压控制方法，这时候就等效为两个电压源并联运行的情况，要想保证系统正常运行，则需要采用锁相控制技术来实现逆变器输出的电压频率、相位和电网电压是同步的，可以通过改变光伏逆变器的电压大小和相移来控制发电系统的有功输出。但是加入锁相技术后就会使得整个电路回路响应变慢、逆变器输出很难精确控制，算法也很复杂。因此现阶段，大都采用的是电压源输入、电流数输出的控制方法。当逆变器输出采用电流源控制时候，我们只需要控制逆变器的输出电流来跟纵并网系统电压相位和频率，就可达到并联运行的目的。

3 新型的三电平光伏逆变器控制策略
基于数据处理精度和对算法的要求，我们采用TI公司生产的性能数字信号处理器TMS320LF2812A来对三电平光伏逆变器的算法进行控制，在传统的三相三线三电平逆变器上加一条中性线构成四线制，达到更好的效果。

图1三相四线制三电平光伏并网逆变器结构图本电路采用双级拓扑结构，前级采用Boost升压电路，将光伏电池电压升压后作为直流母线电压为后级光伏逆变器提供输入电压，同时完成光伏阵列最大功率点跟踪(MPPT)的控制。从图1看出，太阳能电池接到正负极之间，输入滤波电容Cb采用电解电容。在光伏逆变器部分并联两个电容，接于直流母线两端，起均压作用。每相桥臂都有四个IGBT，每个IGBT两端反并联一个二极管D。每相桥臂的中点都引出A、B、C三相线，经过电阻R和电感L接到电网系统ea、eb、ec，每个桥臂还各有两个箝位二极管串联接在上下开关管之间，箝位二极管的中点与直流母线两侧的串联电容中点相连接在电网的中性点，形成中性线。
从原理图1，由DSP2812芯片控制器来检测PV阵列的输出电压、电流、电网系统的三相电压和逆变器输出的三相电流，并编程进行控制算法的计算，为Boost升压电路和IGBT驱动电路提供脉冲信号控制开关管的导通关断，控制整个电路的工作。
图示为三相四线制的逆变器接线图，相比三相三线制，多了一条中性线，流过中性线的电流是三倍的零序电流。逆变器输出既可以接平衡的三相负载，也可以接单相负载。有其等效关系：