T 型三电平光伏并网逆变器的模型预测控制
第 1 章 绪论
在形式多样的太阳能利用技术中，光伏并网发电无疑是一种主要的形式，很早就受到许多西方国家的高度重视，德国、美国、日本等国家自从 20 世纪 70 年代开始，就投入到对光伏发电技术的研究中，在太阳能电池的效率和材料、太阳能并网发电系统投入生产的形式等方面不断取得突破性进展，生产规模不断扩大，技术也日渐成熟。相比之下，我国太阳能资源丰富，有巨大的开发潜能，从 1958 年开始研究至今，光伏发电产业已经形成了较好的基础，生产了大量光伏发电组件，与此同时，独立太阳能光伏发电系统的应用越来越广泛。但是，情况并不容乐观，与国外相比，国内的太阳能电池技术仍然有所欠缺，例如光电转换效率低、封装效果差，与国外相比，在整体上存在一定的差距，更重要的是，光伏发电系统的配电技术并不成熟，尤其是并网逆变器和控制器没有实现商业化生产，产品的可靠性较低，大多产品都是进口的国外产品[1]。在新能源和清洁能源备受瞩目的新世纪，促进开发利用太阳能是一个国家实现可持续发展的必经之路，是各国能源战略互相较量的硬实力的体现，光伏发电技术标志着一个国家对太阳能利用的能力，因此，必须尽快掌握其核心技术。
光伏并网逆变器的作用是联系初始太阳能与公用电网的纽带，这个环节决定着电能转换的效率和质量，因此，要求并网逆变器具有较高的效率和可靠性，同时要求逆变输出的并网电流总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）较小。近年来，光伏发电工业持续稳定发展，在这种日益注重效率和可靠性的系统中，想要在效率和成本之间取得平衡，在解决逆变系统固有问题的同时，提高逆变电源输出的电能质量、提高系统的稳定性、快速性显得尤为重要，这也是本文主要的研究目的。
T 型中点箝位型三电平光伏并网逆变系统是近年来得到应用的一种拓扑结构，自从被提出来就得到了各国学者的高度重视，其电路本身具有的优点被学者们广泛关注，对其进行了大量研究。但是该结构存在中点电位波动的固有问题，也会产生较高的共模电压，这些问题在整体上大大拉低了系统的性能，是亟待解决的问题。解决以上这些问题，可以显著提高并网逆变器的整体性能。本文在比较了三电平逆变器拓扑电路的基础上，重点针对 T 型三电平逆变器，分析了电路的结构特点、换流过程及工作原理，并建立了 T 型三电平逆变器的数学模型。
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1.2.1 国内外光伏逆变器行业的发展现状
我国的光伏发电技术多是直流发电形式，直流系统易于设计，成本又低，在我国的西北地区用的都是直流系统。但负载直流电压不同，难以使系统标准化。而主要用户多为交流负载，直流形式的光伏产品难以市场化。虽然如此，在新能源发展的大环境下，国内的光伏发电行业迅速发展起来，其中并网逆变器行业不断崛起，发展迅速。截至到 2014 年，知名的光伏逆变器的生产企业主要有[2]：合肥阳光电源、特变电工股份有限公司、华为、中国南车、广东易事特电源、深圳科士达、北京科诺伟业、正泰集团、山亿新能源、北京能高自动化等，这些企业在可再生能源并网发电方面已有一定的基础，生产的产品具有较广阔的市场。南车集团在 2009 年涉足光伏领域，经过 4 年的发展，公司产品已经遍布于国内十几个省市，2013 年研制的低成本、小体积 500 千瓦的光伏逆变器在青海光伏电站装机并投入使用，该产品已经可以同国外同类产品相媲美。通信企业华为自 2012 年进军光伏逆变行业，在短期内即成功生产出具有竞争力的产品，在组串式小型逆变器的市场彰显了雄厚实力。华为的跨界进军得到了中广核集团的大力支持，中广核表示在指定工程中只选用组串式逆变器。华为在可再生新能源领域注入数字信息技术，有利于实现两个产业的结合，对智能电网行业具有巨大的推动作用。但是，因为美国对中国光伏产品进行“双反”打击，难以扩展国外光伏市场，因此更多的企业将长远目标锁定在国内。近年来我国政府陆续推出了支持新能源的政策，使得光伏市场在国内不断扩大。
与国内相比，国外研究光伏逆变器较早。在全球范围内，欧美国家是光伏逆变器市场的主要集中地，是生产厂家的主要分布地区。截止 2013 年 9 月，主导光伏逆变器市场的厂家几乎来自欧洲，市场份额达到了 80%以上。随着近年来光伏逆变器行业竞争越来越激烈，提高各自实力尤为重要，使得许多大型光伏厂家进行并购。在全球范围 内 ， 实 力 较 强 的 光 伏 逆 变 器 知 名 厂 商 仍 然 集 中 在 欧 美[3]。 德 国 的SMASolarTechnologyAG（SMA）是全球范围内在逆变器领域的头号企业，2013 年，SMA 以收购中国江苏兆伏爱索新能源股份的形式进入了中国市场。德国的 KACO 新能源公司专业生产逆变器，因此其技术水平相对较高。
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第 2 章 T 型三电平逆变器的工作原理分析
经过了四十多年的发展，多电平逆变器的拓扑电路已经形成了以二极管中点箝位型（Neutral Point Clamped, NPC）、飞跨电容型、H 桥级联型这三种拓扑电路为基础，以及这三种结构形式经过变化和组合衍生出来的电路拓扑，这些电路奠定了多电平逆变器的硬件基础。
2.1.1 三电平逆变器的主要拓扑电路
二极管箝位型电路的每相电路有两个二极管，二极管将其与桥臂上连接点的电压箝位到零，也就是直流母线电压中点的电位，还能避免两个分压电容发生短路。飞跨电容箝位型逆变器的电路如图2.2所示，其工作原理与二极管箝位型类似。但由于三相各有一个箝位电容，使得逆变器的开关状态选择过程更加多变，同时增加了系统的空间体积，成本较高，封装难度加大。
比较以上三种拓扑结构，共同的优点是它们均适合应用在高压大功率的领域，输出电压的波形更接近正弦波，谐波含量少，开关频率低，开关损耗小，且电磁干扰不强。二极管箝位型的电路结构简单，容易扩展，其缺点是需多个箝位二极管，对耐压要求高，每相开关管的损耗分布不均，存在中点电位波动问题。飞跨电容型电路的开关状态组合形式多样、控制简单，缺点是电路需要多个箝位电容，成本高，存在中点电位波动问题，控制复杂，开关损耗较大。级联型电路无中点电位波动问题，电压低容量小，易于模块化，缺点是需多个独立的直流电源。
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2.2.1 T 型三电平逆变器的拓扑分析
T 型逆变电路与二极管箝位型电路相比，每相省去了两个箝位二极管，以两个开关管串联形成一个双向开关连接于直流分压电容中点与每相两个垂直连接的开关管之间，每相的四个开关管两两连接，一横一纵，形成了一个“T”字形的结构形式。横向串联的两个开关管的接法可以分为共射集连接和共集电极连接方式，如图 2.5 所示。
图 2.5（a）所示的共射极三相 T 型电路需要 7 路独立的栅极驱动电源，图 2.5（b）所示中的共集电极三相 T 型电路需要 5 路独立的栅极驱动电源，因此，共集电极电路更利于提高功率密度；但是共射极连接方式需要的阻断电压低，同时具有较低的开关损耗和传导损耗[64,65]。由于逆变器对损耗要求较高，所以本文针对的研究对象是基于共射极结构形式进行的。T 型三电平逆变器的电路结构如图 2.6 所示，光伏电池输出为原始的直流电压信号，逆变器三相输出通过 RL 滤波后与电网负载连接，三相逆变器由 12 个开关器件（IGBT）构成，逆变器的每一相包含了 4 个开关器件，T1和 T4分别连接直流供给电压的正母线和负母线，T2和 T3连接直流环中点和负载。C1和 C2是直流侧的两个分压电容。每相的桥臂的输出可连接到直流母线的正端、中性点和负端，要得到正电平，可闭合 T1，要得到零电平可闭合 T2和 T3，得到负电平可闭合 T4来分别实现。但是这种实现方式需要一个依赖电流的换向序列。因此，可以采用另一种更简单的独立于电流方向的换向方法。独立于电流方向的换向方法就是当 T1和 T2同时闭合时得到正电平，当 T2和T3同时闭合时得到零电平，当 T3和 T4闭合时得到负电平，那么电流换向自然会沿着正确的支路进行，同时独立于电流方向。
2.2.2 T 型三电平逆变器的换流过程分析
下面通过图 2.7 举例来说明电路的换流过程。
首先，考虑三电平逆变器输出正电平转换到零电平的情况，输出为正电平时，其输出端与正母线端相连，T1和 T2闭合。为了转换到中性点零电位，T1断开，经过导通延迟后使 T3闭合。在 T1关断的过程中，电流自然的流经 T2和 T3的体二极管 D3到中点零电位，该过程如图 2.7（a）所示。而当电流为负相时，原理相同，其换流过程如图 2.7（b）所示。相反的，若要从零电平转换到正电平，则首先使开关管 T3断开，经过导通延迟后使得 T1闭合。
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3.1 功率逆变器的控制技术分类及特点 ........................21
3.2 模型预测控制原理 .......................................23
第 4 章 基于模型预测的三电平逆变器的共模电压抑制..........35
4.1 T 型三电平并网逆变器的共模电压分析 .................... 35
4.1.1 共模电压产生的原因................................. 35
第 5 章 结论...............................................47
第 4 章 基于模型预测的三电平逆变器的共模电压抑制
三电平逆变器的开关管数量较多，控制目标也多，除了存在中点电位波动问题，还会产生较大的共模电压。由于模型预测控制可以利用一个指标函数对多个目标进行约束，因此，可增加指标函数的控制目标，同时实现对三电平并网逆变器的中点电位平衡控制和共模电压抑制。
4.1.1 共模电压产生的原因
现代电力电子器件得到了快速的发展，与此同时，带动了以电力电子开关器件为主体的大功率电力电子行业的快速发展。在诸多应用中，逆变器控制技术不断发展，其开关频率逐渐提高，开关管的开关频率已经达到几十千赫兹甚至更高。虽然这些都显著的提高了逆变器系统的性能，与此同时，，也产生了一些负面影响。高电压变化率的共模电压就是其中一种，共模电压会通过寄生电容产生较高频率的对地漏电流，形成电磁干扰，会使负载设备寿命减短，同时危害人身安全。
与二极管箝位型三电平逆变器相似，T 型三电平并网逆变器系统也要解决中点电位平衡控制的固有问题，此外，还不可避免的会产生较大的共模电压，因此需要采取有效的措施对并网逆变器的共模电压进行抑制。
4.1.2 共模电压的数学模型
由以上分析可以知道，当 T 型三电平并网逆变器的直流电压值设置一定时，其产生的共模电压仅取决于逆变器的输出电压，而其输出电压又取决于开关状态，因此，开关状态直接决定了逆变器共模电压的大小。T 型三电平并网逆变器的开关状态与共模电压的对应关系如表 4.1 所示。由表 4.1 可以直观的看到，共模电压的峰值是随着对空间矢量的选择而变化的，共有 7 种值。其中，共模电压的最小值为 0，而最大值则达到直流电压的一半。因此，本文主要对较大的共模电压峰值进行抑制。
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第 5 章 结论
由于时间及自身能力有限，本文的研究还存在不足之处。对 T 型三电平并网逆变器而言，能够实现中点电位的平衡控制的同时，兼顾共模电压的抑制固然是比较理想的，但是采用模型预测控制方法不能够完全消除共模电压，只能将其抑制在较小的范围内。因此，今后要对该问题进行进一步的研究。
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参考文献（略）
本文编号：242324
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/242324.html
