基于Simulink的多电平二极管NPC逆变器拓扑SVPWM电流控制技术

作者：Martin Murnane and Igor S. Ono

现代世界对环保解决方案的持续关注鼓励大多数公司重新思考他们的战略，并设计新的或改进的方法和产品。这在电能生产方面没有什么不同，其中太阳能和风能作为绿色方法一直处于领先地位。基于这些资源是瞬态的事实，这些方法不断改进的基本原理之一是直流电（DC）到交流电（ac）之间的能量转换效率，以减少能量产生损失。因此，在太阳能和风力发电厂上都设计和实施了改进的逆变器方法，特别是中性点钳位（NPC）逆变器。NPC应用于光伏（PV）面板，与其他方法相比具有多种优势，但可以通过多种方式进行改进。事实证明，改进其电平数量、实施更复杂的控制方法以及采用更快的功率控制环路在其实现中至关重要。

介绍

电力转换是现代世界的持续需求。交流电源不断整流以为电子设备和电池供电，而直流电源（例如电网故障中的电池）必须立即转换为交流电，以便为连接到它们的设备供电。

此外，由于人们不断关注有关清洁电能发电的环境解决方案，缺乏或间歇性地产生资源，以及为了满足指数级增长的人口需求的地理限制，已经开发了替代发电方式。这些主要是太阳能和风能，基本上不会耗尽任何资源，几乎可以在任何地方使用。

然而，环保的能源生产方法依赖于太阳和风等瞬态资源，因此改进这些方法的一个重要方法是提高效率。此外，使用这种电力的负载变化以及系统中无功功率的影响（引入谐波）会降低配电网络的质量和可靠性。因此，大多数公司不得不重新考虑他们的产品、政策和计划，以满足现代世界的期望和标准。

事实上，由于绿色能源发电所需的资源与自然有关且无法控制，以及人口对电网的电力利用，企业一直在不断关注改进其技术，特别是提高发电和利用效率。

在此基础上，应用于光伏板和风力涡轮机的新的和改进的方法正在不断形成。此过程的基石是将产生的直流转换为交流电，以便它可以充分发挥作为能源的作用。实际上，此过程是由逆变器执行的，逆变器主要负责电网同步和能量转换。因此，改进该系统可以提高效率并为客户提供更实惠的价格。

有几种逆变器拓扑与离网和并网逆变器不同，这些逆变器也可以是基于变压器或无变压器的逆变器，并且以开环或闭环方式运行。这些拓扑也可能具有影响逆变器分辨率和开关模式的不同级别。此外，这些设置决定了直接影响最终产品的尺寸、重量、价格、复杂性、操作、谐波产生、利用率、效率等。

在无变压器光伏逆变器中，有两个主要系列的转换器，即H桥（或全桥）和中性点钳位（NPC）。除了经典的实现之外，这些系列中的每一个都有几种具有不同规格和特性的变体，这使得它们更适合特定的应用。

除逆变器外，还必须实施调制技术以调制逆变器的转换。有几种类型的脉宽调制 （PWM） 技术可应用于逆变器和电机驱动器，包括正弦脉宽调制 （SPWM）、空间矢量脉宽调制 （SVPWM）、移相 PWM 和选定的谐波消除 PWM。虽然有几种调制技术，每种技术都更适合特定应用，但由于开关频率范围很广，光伏逆变器采用的更通用的调制策略是SPWM和SVPWM，并且易于在多电平逆变器中实施。

然而，由于SVPWM作为逆变器输出的所有三相而不是单相的组合效应运行，它已成为三相逆变器和多电平逆变器中更流行和成熟的技术。

此外，并网转换器的基本要求之一是电网同步。这一要求与转换器的效率直接相关，并且有不同的实现方式。例如，连接到电网的锁相环（PLL）通常用于满足这一要求。

本文主要介绍一种用于多电平、三相NPC逆变器拓扑的SVPWM电流控制技术，重点介绍通过闭环矢量控制和正序电压检测器实现的三电平和五电平拓扑，以稳定任何电网故障。本文重点介绍光伏应用，其中提供的所有结果都是通过在MathWorks软件Simulink中仿真系统获得的。®®

二极管中性点钳位拓扑

二极管NPC拓扑结构由绝缘栅双极晶体管（IGBT）和二极管的组合构成。在结构上，NPC的设计使得通过使用二极管将光伏电池板箝位到直流母线的接地中间点，可以实现零电压。

与H桥拓扑相比，该逆变器具有多个优点，使其更适合作为高效光伏电池板的逆变器实施。例如，虽然它的实现时间晚于H桥，但与传统的全桥实现相比，它取得了改进，例如更低的dv/dt和开关应力。此外，它的多功能性使其可以用作单相和三相逆变器，因为它可以作为 3 相、3 线转换器实现。

与其他拓扑相比，这种拓扑还有其他几个优点，例如滤波器两端的单极性电压，可降低磁芯损耗。由于在零电压期间，其输出中的电感与滤波器中的电容之间没有无功功率交换，因此它具有高效率（高达98%），并且还产生非常低的泄漏电流并产生低电磁干扰。

然而，这种拓扑主要用于具有迷你中央的三相光伏逆变器，因为它比H桥拓扑更复杂。它也更适合大功率应用，例如中央逆变器。

此外，随着电力需求的增加，逆变器已经得到改进，以产生更多的电压水平。逆变器的电压电平越多，其交流输出的质量就越好，因为较高电平引起的输出电压失真比较低电平低，从而提高了整体系统效率。此外，电平数在开关损耗和导通损耗之间需要权衡，后者随着电平的增加而增加，而开关损耗减小。因此，多电平逆变器可减少半导体元件的应力，降低故障并延长逆变器元件的使用寿命。事实上，多电平NPC逆变器的总谐波失真（THD）降低，每个器件的开关频率降低，从而降低总功率损耗，不需要升压或降压变压器，需要更小的交流滤波器，并减少电磁兼容性问题。

图1.三电平二极管NPC拓扑结构。

图2.五电平二极管NPC拓扑结构。

空间矢量脉宽调制

为了使用SVPWM实现，电压和电流可以根据它们的相位和幅度表示为空间矢量。该方法允许使用有效的公式分析其瞬时特性，这对于控制三相系统中的有功和无功功率分量特别有用。因此，NPC直流母线电压的平衡可以通过SVPWM控制技术得到更好的控制。事实上，SVPWM 技术的工作原理是将参考空间矢量作为输入，该矢量由逆变器与电网连接产生的瞬时线路中性三相电流或电压构成。该方法分析电流或电压的瞬时特性，从而可以控制三相系统中的有功和无功功率分量。

通常，作为逆变器，SVPWM可以具有可以匹配逆变器的多级。在这种情况下，匹配电平是最直接的实现方式，因为对SVPWM和逆变器使用不同的电平需要对系统进行全面的评估和设计。

尽管多电平SVPWM具有优势，但逆变器的电平越高，它必须控制的开关就越多，因此调制技术计算每个开关的占空比以及开关顺序以实现功率转换器最佳性能的过程在计算上变得更加昂贵。因此，可以使用查找表提高响应速度，但这些查找表仅限制系统对可预测事件的响应。

因此，SVPWM 方法的工作原理如下：

根据线中性三相电压，该技术确定参考空间矢量

然后，从一组预定义的电压矢量中，它定义了所有不同的开关组合，这些组合可以用空间矢量图表示

调制从该参考空间矢量中提取瞬时角度和幅度信息

然后，它在此图中绘制旋转参考空间向量，确定参考空间向量所在的区域和扇区

根据包含该区域和扇区的电压矢量信息，该策略计算开关的驻留时间

最后，调制产生PWM脉冲，驱动逆变器以产生所需的电压。

这个过程是周期性的，一旦其脉冲产生所需的输出，就会重新开始。

事实上，该技术将空间矢量信息与构成空间矢量图的电压矢量进行比较，生成用于调制逆变器的瞬时开关状态。根据角度和幅度信息，SVPWM生成代表系统实际特征的空间矢量。然后将该空间向量绘制在图上，并根据其相对于附近向量坐标的位置计算出切换模式。这种开关模式几乎是用系统即时计算的，它表示调制到逆变器的占空比。

计算后，需要在图表上表示空间向量，然后进行分析。此图采用六边形格式，其中每个交叉点代表至少一个电压矢量。其中一些连接可以有多个电压矢量，这些矢量称为冗余矢量，因为位于同一交叉点的所有矢量都表示相同的开关序列。SVPWM 的每个级别都会增加图的复杂性，从而增加交点的数量，因此电压矢量图（例如 3 级空间矢量图）有 19 个交点，5 级空间矢量图有 61 个交点。

因此，每个级别根据多项式方程增加交点数：

交叉点 = 3 ×层2– 3 ×级 + 1

因此，SVPWM的每个级别都会增加交叉点的数量，并且级别越高，SVPWM计算必须越精确，因为扇区和区域较小，这导致系统的复杂性更大。

因此，不仅电压矢量、扇区和区域的数量随着SVPWM电平的增加而大大增加，这增加了调制的复杂性，而且系统的性能和效率也得到了提高。

图3.三级空间矢量图。

图4.五级空间矢量图。

SVPWM广义闭环矢量控制及无功功率控制方法

图5.NPC拓扑的广义SVPWM控制方法.

有许多类型的控制方法可用于操作由多级SVPWM和NPC组成的逆变器系统。因此，由于可以应用于逆变器的控制方法范围很广，因此必须选择最适合系统应用的技术。

为了展示光伏系统产生和注入电网能量的改进电网参数，无功功率控制非常适合三相并网光伏逆变器。这种控制方法允许系统控制光伏系统产生的直流电，将这种电能传输到电网，并控制有功和无功功率，以减少系统无功部分的损耗。此外，由于电机驱动控制类似于逆变器的控制，因此交流感应电机驱动器上使用的技术可以适用于光伏逆变器。通过这种方式，磁场定向控制（FOC）技术或矢量控制（通过控制电机驱动器的频率、幅度和相位来操作）可以在连接到配电网络的光伏转换器中进行调整和实施。该方法控制产生的电流的频率、幅度和相位角，其中该信息用于生成控制功率逆变器的SVPWM脉冲。它还具有其他一些优势，例如，更低的功耗、更高的效率以及更低的运行和组件成本。

因此，这两种方法都可以在具有多电平SVPWM的PV多电平二极管NPC逆变器上组合和实现，以最大限度地提高系统性能。这样，该方法在连接到电网时以闭环方式控制三相多电平二极管NPC逆变器的实现如下：

首先，矢量控制方法得到三相电网相电压和A相角作为输入。

然后，这些三相电压通过α-β-零变换转换为3轴系统。

在 d-q-0 变换中使用测量的相位角，旋转 2 轴坐标系并与此角度信息对齐。

同时，控制方法还使用应用α-β-零和d-q-3的三相产生的电流，后者使用参考角度信息对其进行变换。

在生成的信号和参考信号都经过变换后，该技术通过从一个信号中减去另一个信号来生成错误信号。此外，为了提高系统的稳定性，误差信号必须经过经典的比例积分（PI）控制环路。

从这一点开始，系统将PI控制器中产生的误差信号从同步参考系d-q-0帧转换为静止参考系α-β-零帧。此步骤预测当前电压矢量和下一个电压矢量之间产生的误差量。

前两个步骤从d-q-0变换中消除或控制正交电压，即q分量，d-q-<>变换表示系统中的无功功率分量。

然后，来自α-β-零变换的α和β分量通过笛卡尔到极坐标变换，产生幅度和角度。

最后，SVPWM使用幅度和角度信息计算参考矢量、该矢量所在的区域和扇区、构成该区域的电压矢量、开关的停留时间，最后计算逆变器的最佳开关顺序。它们以脉冲的形式传输，驱动转换器，在系统中产生所需的电压和电流值。

可以实现锁相环（PLL）从相位A中提取角度信息以执行坐标变换，从而使系统适应输入信号中的频率变化。

采用正序电压检测器的控制方法

除了实现上述频率自适应控制方法外，还可以使用连接到电网的正序电压检测器（PSD）来改进该方法。这可用于检测进一步的电网故障条件，例如不平衡和扭曲的电网环境，并使系统适应它，从而减少损耗并提高系统效率。

此外，在不触发转换器保护的情况下控制逆变器和电网之间的功率交换至关重要，允许瞬态故障的穿越并使系统符合电网连接标准。

因此，为了在不平衡、失真和不稳定的条件下快速精确地检测电网，必须在系统中添加另外两个模块，即使用二阶广义积分器（SOGI）实现的正交信号发生器（QSG），它为系统和正序计算器（PSC）带来了谐波阻断能力。该系统通常与PLL一起实现。但是，由于它已经在d-q-0转换中使用，因此系统中不需要另一个PLL，并且可以使用现有PLL的信息。

通过这种方式，α-β参考系上的三相电网电压被QSG滤波，呈现原始α-β电压的3°偏移分量。然后，这些信号通过PSC，PSC使用瞬时对称分量成功检测α-β-零电压上的正序分量。最后，变换后的正序分量经过d-q-90变换，该变换使用上一次迭代中使用的PLL角信息来保持系统频率和相位自适应，从而生成d-q-0分量。

在完成从电网电压中获取和转换正序分量的整个过程后，系统继续如前所述。从产生的电流中减去这些元件，然后按照前面描述的方法通过PI控制环路。

因此，尽管系统仍然执行与之前介绍的控制方法相同的步骤，但系统现在对不平衡和扭曲的电网条件具有自适应反应。

Simulink 环境中的仿真

该系统可以在 Simulink 环境中成功仿真。整个系统包括由多电平SVPWM技术控制的并网多电平二极管NPC逆变器拓扑结构和适配为FOC技术的闭环无功控制方法，通过正序检测器实现。

仿真结果表明，系统在电网阻抗变化较大、穿越电网电压扰动、适应电网电压变化、单位功率因数等情况下均具有标准要求的稳定性。

在设计系统时，必须认真考虑一些额外的参数，如开关频率、失真、损耗、谐波产生和响应速度，以考虑调制策略。

图6.使用PSD实现的多电平二极管NPC和SVPWM的完整控制方法。

下图显示了系统的性能。在仿真中，网格开始完全正常工作，而系统必须在0.0秒时打开。当仿真达到0.06秒时，代表电网电压的三个完整周期，因此系统已经稳定，每个电网电压都有下降，持续0.04秒，在仿真0.1秒后恢复正常。

因此，没有PSD实现的结果在电网故障之前表现出良好的性能，这表示系统中的电压降很大，产生的电流不平衡。PSD的数字大约需要一个周期才能稳定下来，即0.02秒，但是当暴露在故障电网条件下时，它比没有PSD的系统适应得更好，显示出完全平衡的产生电流。此外，当系统达到0.18秒时，要求关闭，因此，二极管NPC的中间开关随后打开，中断任何电流产生，但电容器和电感器放电的短暂时间除外。

图7.三相电网电压。

图8.三相、五电平产生电流，无需实现PSD。

图9.采用PSD实现的3相、<>电平产生电流。

调制逆变器A相的SVPWM脉冲如下所示;NPC 以 100 kHz 的频率切换。可以轻松选择NPC的开关频率，并且系统在20 kHz至300 kHz的非常宽的频率值范围内令人满意地运行。

 

图 10.五电平、A相开关脉冲。

因此，结果表明，该系统与其他方法相比具有几个优点，可以通过多种方式实现，例如增加其级别数，实现电网故障自适应系统，更复杂的控制方法以及采用更快的功率控制环路。因此，为现代世界渲染更高效、更便宜、更小、更智能的系统。

审核编辑：郭婷