風光互補發(fā)電系統(tǒng)中三電平逆變器的設(shè)計

范士民，范紅剛

（兗州市華勤集團倍耐力輪胎工程部，山東 兗州272100）

風光互補發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光電板、小型風力發(fā)電機組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成。由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。

1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)概述

風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，其是由太陽能光伏陣列、風力發(fā)電機組、整流器、風光互補控制器、蓄電池組以及逆變器等幾部分組成。其工作原理是：太陽能光伏陣列由若干太陽能電池板串并聯(lián)而成，它們將接收的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負載進行供電，在日照不足時，儲存在蓄電池中的能量經(jīng)過逆變，然后再經(jīng)過濾波和變壓器升壓后變成交流的正弦電壓供給交流負載使用；而風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為電能，之后經(jīng)過整流器整流后對蓄電池組進行充電，然后通過逆變器為負荷提供電能，風力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點為日發(fā)電量比較大，系統(tǒng)的造價及其運行維護成本比較低，但常規(guī)水平軸的風力發(fā)電機對風速的要求比較苛刻；當日照充足或風力非常大而導致產(chǎn)生的電能過剩時，蓄電池可將多余的電能儲存起來；當系統(tǒng)的發(fā)電量不足或負荷的用電量增加時，則由蓄電池向負荷補充電能，并將保持供電電壓的穩(wěn)定。逆變器在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中作用非常重要，本文主要針對三電平逆變器進行研究。

圖1 風光互補發(fā)電結(jié)構(gòu)圖

2 三電平逆變器的設(shè)計

三電平逆變器與兩電平逆變器比較，開關(guān)器件承受的應力減小一半，橋臂中點相對于電容中點有三種電平狀態(tài)，多了個零點平狀態(tài)，這樣在相同的開關(guān)頻率下輸出波形更接近正弦波，失真明顯減小，特別是在大功率場合由于效率和器件限制，開關(guān)頻率不可能做的很高，這樣三電平的優(yōu)勢更加顯著。但是，三電平相對于兩點平要復雜很多，尤其是存在中點電位平衡的問題，如果中點電位出現(xiàn)偏移可能導致炸機，逆變器的研究首先從其數(shù)學模型開始分析。

2.1 三電平逆變器數(shù)學模型

從圖2中可以看到，每相橋臂上有4個IGBT及其4個反并聯(lián)的反向恢復快速二極管、2個箝位二極管。在A相中設(shè)從上到下的4個IGBT分別是Va1~Va4。當Va1、Va2導通且Va3、Va4關(guān)斷時，交流側(cè)對應的電壓為+Udc/2；當Va2、Va3導通且Va1、Va4關(guān)斷時，交流側(cè)對應的電壓為0；當Va3、Va4導通且Va1、Va2關(guān)斷時，交流側(cè)對應的電壓為-Udc/2。由此可知，三點平有27種狀態(tài)。

圖2 三相三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖

為了研究方便定義開關(guān)函數(shù)如下：

例如：x=a，當Sa=1時，Va1、Va2導通，Va3、Va4關(guān)斷；當Sa=0時，Va2、Va3導通，Va1、Va4關(guān)斷；當Sa=-1時，Va1、Va2關(guān)斷，Va3、Va4導通。將Sa進一步分解如（2）式所示。

同理Sb，Sc也做如上分解。因此，圖2可以進一步簡化為圖3所示。

圖3 三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)簡化模型

圖中假設(shè)半導體器件是理想開關(guān)，由基爾霍夫電壓、電流定理，可列出等式：

令Uao=Uan-Uon，Ubo=Ubn-Uon，Uco=Ucn-Uon把式（3）變化成式（4）：

對式（4）進行整理得到式（5），式（5）就是在ABC坐標系下的三電平逆變器數(shù)學模型，將模型經(jīng)過ABC→αβ變換，結(jié)果如下式（6）所示。

式（6）經(jīng)過αβ→dq變換，結(jié)果如下式（7）所示。

經(jīng)過坐標變換后，講ABC坐標系下的模型轉(zhuǎn)變成了旋轉(zhuǎn)坐標系DQ下的數(shù)學模型，旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓和電流都是直流量方便控制器的設(shè)計。

2.2 控制器的參數(shù)設(shè)計

根據(jù)數(shù)學模型可知控制對象dq軸之間存在相互耦合，因此必須進行解耦。對解耦后的控制對象采用PI控制器，控制器由內(nèi)外兩個閉環(huán)構(gòu)成，即內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)電壓環(huán)。電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定，經(jīng)過坐標變換后，講ABC坐標系下的模型轉(zhuǎn)變成了旋轉(zhuǎn)坐標系DQ下的數(shù)學模型，旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓和電流都是直流量方便控制器的設(shè)計。

2.3 控制器的參數(shù)設(shè)計

根據(jù)數(shù)學模型可知控制對象dq軸之間存在相互耦合，因此必須進行解耦。對解耦后的控制對象采用PI控制器，控制器由內(nèi)外兩個閉環(huán)構(gòu)成，即內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)電壓環(huán)。電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定，詳細控制框圖如圖4和圖5所示。圖4中Gi_Ctrl是PI控制器，Kpwm是開關(guān)增益，Udc是母線電壓，Gi_Obj是控制對象，Ki_fb是反饋系數(shù)。

圖4 電流內(nèi)環(huán)控制器

圖5 電壓外環(huán)控制器

式中，

L是電感；

R是電感內(nèi)阻；

T是采樣周期。

在圖5中Gv_Ctrl是電壓環(huán)PI控制器，Gi_close是電流閉環(huán)，1/CS是電壓環(huán)控制對象，Kv_fb是電壓反饋系數(shù)，可以看出電流環(huán)作為電壓換的一部份環(huán)節(jié)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個輸入直流電壓700 V，輸出電壓為220 V，輸出功率為12 kW的逆變器，開關(guān)頻率為10 K，電感為L=1 mH，電容為C=20 uF，仿真波形如圖6和7所示，由圖可以看出，輸出電壓輸出電流和電感電流都是正弦波，電感電流波形帶有開關(guān)紋波，仿真試驗效果好，三電平逆變器具有實際應用價值。?

圖6 輸出線電壓Uab Ubc Uca波形

圖7 負載電壓電流和電感電流波形