基于SVPWM的Z源NPC三电平逆变器恒功率并网控制系统的制作方法

本发明涉及新型并网逆变器控制策略技术领域，尤其是涉及一种基于SVPWM的Z源NPC三电平逆变器恒功率并网控制系统。

背景技术：

近年来，随着可再生能源的广泛应用和微电网技术的发展，新型并网逆变器拓扑及其控制策略的研究成为热点。Z源逆变器是在基本逆变器结构基础上加入了Z源网络拓扑，使逆变器的桥臂直通成为一种工作状态，从而能够实现升降压变换，这样控制中就无需再插入死区时间，提高了逆变效率。传统的Z源两电平逆变器受开关管功率和耐压的限制，不适用于高压大功率场合，限制了升压能力的发挥。

三电平逆变器通过增加逆变电路电平数来减少电磁干扰和输出电压中的谐波，开关管关断时承受的电压仅为直流侧电压的一半，并使逆变器开关管工作在低频状态，开关损耗减少，因此在大功率场合得到广泛应用。Z源三电平逆变器将Z源网络拓扑和三电平逆变器相结合，能够充分发挥两者的优势。但目前对Z源三电平NPC逆变器的并网控制进行研究较少。

并网控制策略是可再生能源发电通过逆变器接入电网的关键。目前大部分研究都是通过改进控制方案实现单位功率因数输出，未对无功功率输出能力进行讨论。恒功率控制能使逆变器输出的有功、无功功率跟踪设定参考值，必要时可输出无功支持电网电压，提高电网稳定性。这种控制策略适用于光伏、风电的最大功率追踪。因此，将恒功率控制策略应用于Z源NPC三电平逆变器，实现逆变器并网控制的研究具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于SVPWM的Z源NPC三电平逆变器恒功率并网控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于SVPWM的Z源NPC三电平逆变器恒功率并网控制系统,包括依次连接的Z源NPC三电平逆变器和LC滤波器，所述的并网控制系统还包括依次连接的恒功率控制模块和SVPWM控制模块，所述的恒功率控制模块输入端与LC滤波器的输出端链接，所述的SVPWM控制模块输出端与Z源NPC三电平逆变器连接；

所述的Z源NPC三电平逆变器由直流源供电，经LC滤波器滤波后同时接入电网和恒功率控制模块，该恒功率控制模块处理后通过SVPWM控制模块接入Z源NPC三电平逆变器。

所述的Z源NPC三电平逆变器包括依次连接的Z源网络和三电平逆变器，所述的Z源网络输入端与直流源连接，所述的SVPWM控制模块输出端与三电平逆变器连接。

所述的恒功率控制模块包括依次连接的abc坐标系转dq坐标系单元、功率控制单元和电流控制单元，所述的abc坐标系转dq坐标系单元的输入端与LC滤波器的输出端连接，所述的电流控制单元的输出端与SVPWM控制模块连接。

所述的电流控制单元的输出端通过dq坐标系转abc坐标系单元与SVPWM控制模块连接。

所述的SVPWM控制模块采用上/下直通零矢量部分替代传统零矢量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)Z源结构能够升高微电源的输出电压，同时使直通状态成为一种工作状态，消除死区对逆变器的影响。

2)本发明提出的Z源三电平逆变器恒功率并网策略能使逆变器输出可调可控，必要时可输出无功支持电网电压，提高电网稳定性。与传统两电平逆变器恒功率控制策略相比，可有效降低并网电流谐波含量，改善并网电能质量。

附图说明

图1为本发明所述Z源NPC三电平逆变器的拓扑结构；

图2(a)为传统三电平逆变器的SVPWM时序图；

图2(b)为本发明所述Z源三电平逆变器的SVPWM时序图；

图3为本发明所述Z源NPC三电平逆变器恒功率并网控制系统框图；

图4为本发明所述恒功率控制器结构框图；

图5为本发明实施例所述逆变器输出a相相电压和线电压；

图6为本发明实施例所述并网逆变器输出有功、无功功率波形；

图7(a)为本发明实施例0s～2s三相并网电流波形；

图7(b)为本发明实施例0.9s～1.1s三相并网电流波形；

图8为本发明实施例所述a相并网电压电流波形；

图9为本发明实施例所述并网频率波形；

图10为本发明实施例所述Z源三电平逆变器恒功率控制并网电流谐波含量；

图11为本发明实施例所述传统两电平逆变器恒功率控制并网电流谐波含量。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明在分析了Z源NPC三电平逆变器的结构和工作原理的基础上，将恒功率控制策略引入到Z源NPC三电平逆变器的并网控制中，并结合SVPWM调制策略实现了逆变器并网控制。

图1为Z源NPC三电平逆变器的拓扑结构。图中，直流电源仅有1个，其电压为U_dc；C_s1和C_s2为直流电源的分压电容，其值为C_s1＝C_s2＝C_s。在分压电容与传统NPC三电平逆变器之间，加入由电感L₁、L₂和电容C₁、C₂组成的Z源网络，分压电容的中点N与NPC逆变器的中点相连，Z源网络的输出电压(也称直流母线电压)为U_i。此外，加入二极管VD₁、VD₂以实现在直通状态时的反向阻断作用。

相比于SPWM控制方法，SVPWM控制具有动态响应快、波动小的特点，且SVPWM控制方法的直流电压利用率高，谐波含量少，但更为复杂。Z源NPC三电平逆变器的SVPWM是在传统的SVPWM基础上，用上/下直通零矢量部分替代传统零矢量，以实现升压。由于加入了针对Z源NPC三电平逆变器而设计的上、下直通矢量插入单元，传统SVPWM调制算法的其他部分也因此出现了新的变化。例如：矢量作用时间计算部分，新加入了直通矢量时间的计算；时间状态分配部分，用于实现时间状态分配的波形由原来的7阶波形式变为11阶波形，如图2(a)和图2(b)所示。

图3为Z源NPC三电平并网逆变器恒功率控制系统框图。图中，L₀和R₀分别为三相线路电感和电阻，u_fk(k＝a,b,c)为逆变器滤波后的输出电压，u_k(k＝a,b,c)为电网电压，i_k(k＝a,b,c)为线路电流。Z源NPC三电平逆变器由直流源供电，经LC滤波器滤波后接入电网。恒功率控制主要包括dq变换、功率控制和电流控制3个部分。

由图3可知，并网母线电压可表示为：

将式(1)变换到旋转dq坐标系，得到：

式中：ω为线路的角频率，ω＝2πf(f为电网频率)。

在旋转dq坐标系下有功、无功表达式为：

在abc坐标系到dq坐标系的派克变换中选取d轴与电压矢量同方向，可以使得q轴电压分量为零。此时，有功功率仅与d轴有功电流有关，而无功功率仅与q轴无功电流有关。功率表达式简化为：

这样功率表达式得到了解耦，由此可得流向馈线的参考电流i_dref和i_qref为：

对式(2)整理得到：

根据式(5)和式(6)可设计出恒功率控制器的结构，如图4所示。

为了验证Z源三电平并网逆变器的恒功率控制方法的可行性和有效性，在Matlab/Simulink软件平台上搭建了基于SVPWM的Z源NPC三电平逆变器恒功率并网控制仿真模型，并进行仿真分析研究。具体仿真参数为：输入直流电压U_dc＝800V，开关频率f＝2.5kHz，直流侧电容C_s1＝C_s2＝100μF，Z源网络电容C₁＝C₂＝220μF，电感L₁＝L₂＝1mH，直通占空比D₀＝0.167。滤波电感L_f＝12mH，滤波电容C_f＝0.06μF。PI控制器的参数K_P＝50、K_I＝100；电网相电压为220V、频率为50Hz。

(1)Z源三电平逆变器的输出波形分析

图5为逆变器输出a相相电压和ab两相线电压波形。由于插入了直通量(直通占空比D₀＝0.167)，升压比B＝1.5，输出相电压峰值约为600V，线电压峰值约为1200V，与理论值相符。而传统的三电平逆变器的输出线电压峰值不会超过800V。由此可见，Z源三电平逆变器可实现升压输出。由于直通占空比是给定值，而不是从零升高的连续变化值，所以开始阶段存在一个周期的启动冲击。

(2)恒功率并网控制的相关波形

设置仿真时间为2s，有功功率参考值P_ref在1s时由20kW上升为35kW，无功功率参考值Q_ref在1s时由0kVar上升为5kVar。图6为并网逆变器输出有功、无功功率波形。由图可见，在1s时功率设定值变化，有功、无功功率均能跟随参考值变化，波形平滑，响应速度较快。

图7(a)和图7(b)为三相并网电流波形。为了方便查看参考功率变化对电流的影响，同时给出了仿真时间0.9s～1.1s内波形。由图可见，当参考功率变化时，并网电流平稳过渡，波动时间很短。稳态时并网电流的总谐波含量(THD)约为2％，满足国家标准THD<5％的要求。

图8为功率参考值改变时三相并网电压、电流波形。由于大电网的作用，逆变器输出电压稳定在310V，谐波含量仅为0.2％。由图可见，0.9s～1s，并网电流与并网电压基本同相；1s～1.1s，由于逆变器输出无功功率，并网电流与并网电压相位不相同，由于此时功率因数约为0.99，因此相位差较小。

图9为并网频率波形图，由图可知，频率在开始阶段有较小波动，最大偏移量仅为0.125Hz，且很快稳定在50Hz，功率变化时，并网频率出现细微波动，稳定性强。

(3)与传统两电平逆变器恒功率控制比较

为了说明Z源三电平逆变器恒功率并网策略的优势，对传统两电平逆变器的恒功率并网控制做了仿真实验，将两者比较分析。

在传统两电平逆变器的恒功率并网控制仿真中，设置仿真时间为2s，输入直流电压U_dc1＝600V，PI控制器的参数K_P1＝K_I1＝100，滤波参数、功率参考值变化情况与Z源三电平逆变器并网系统相同。

图10、图11分别为Z源三电平逆变器恒功率并网控制、传统两电平逆变器的恒功率控制的并网电流及其谐波含量分析图。其中：谐波含量分析图选择了系统稳定后5个周期的电流波形(即为图中的红色曲线)。由图可知，Z源三电平逆变器恒功率控制并网电流谐波含量为2.19％，远低于传统两电平逆变器恒功率控制并网电流谐波含量3.95％，说明Z源三电平逆变器恒功率控制并网策略可有效降低并网电流谐波畸变量，改善并网电能质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。