一种三相三电平光伏逆变器空间电压矢量调制方法

摘要

本发明公开了一种三相三电平光伏逆变器空间电压矢量调制方法，包括以下步骤：S1.将三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量进行扇区划分；S2.根据三相三电平光伏逆变器所需输出的三相正弦电压，计算出空间电压矢量的幅值；S3.根据空间电压矢量幅值所处的扇区，分别确定各个扇区需要采用的调制方式；S4.根据确定的调制方式及所属扇区，对三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量进行调制。本发明能够确保三相三电平光伏逆变器在全最大功率跟踪电压范围内，能够实现中点电位平衡的控制，同时降低开关损耗。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种三相三电平光伏逆变器空间电压矢量调制方法。

背景技术

目前，我国光伏发电的装机规模和发电量已经位居世界第一，并保持着高速发展。为了进一步减小光伏并网逆变器的体积、提高效率、增加发电量，目前集中式、分布式光伏逆变器大多采用三相三电平拓扑。三相三电平拓扑存在固有的中点电位问题，需要通过控制来抑制中点电位的波动和偏移。在采用空间矢量调制方法时，一般通过调整冗余小矢量的作用时间来实现中点电位平衡的控制，也即常规的七段式调制。

为进一步降低开关损耗、提高光伏逆变器的效率，可采用五段式调制，可减小开关动作次数，但该种方案舍弃了部分小矢量，不具备控制中点电位平衡的能力。

在光伏逆变器应用领域，由于前级直流侧所接电池板的MPPT电压范围较宽，逆变器调制度会在较大范围内变化。如何在较大的调制度变化范围内，实现三相三电平光伏逆变器的开关损耗降低，同时实现中点电位的平衡控制，成为该领域内亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种三相三电平光伏逆变器空间电压矢量调制方法，在较大的调制度变化范围内，降低开关损耗，实现中点电位的平衡控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

S1.将三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量进行扇区划分；

S2.根据三相三电平光伏逆变器所需输出的三相正弦电压，计算出空间电压矢量的幅值；

S3.根据空间电压矢量幅值所处的扇区，分别确定各个扇区需要采用的调制方式；

S4.根据确定的调制方式及所属扇区，对三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量进行调制。

所述步骤S1中将三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量划分为8个小扇区。

步骤S3所述的调制方式包括能够降低开关损耗但不具备中点电位平衡控制能力的五段式调制，以及能够抑制中点电位波动和偏移的七段式调制。

所述的步骤S2中按照如下方式计算空间电压矢量的幅值：

将空间电压矢量以标幺，三相三电平光伏逆变器输出的电压矢量最大幅值为1；

三相三电平光伏逆变器所需输出的三相正弦电压，首先经过CLARKE变换，转换到αβ坐标系下，转换公式为：

上式中，U_dc为直流母线电压，u_A、u_B、u_C分别为三相正弦电压标幺值，u_α、u_β为经过CLARKE变换之后的αβ轴电压标幺值；

按照下式计算空间电压矢量的幅值：

步骤S1中将三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量进行扇区划分的具体方式为：

三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量分布图按正三角形划分为6个大扇区，每个大扇区按照正三角形划分为4个小扇区，再将每个小扇区按照直角三角形划分为2个小区间，对每个大扇区中的8个小区间按照由内到外、由下到上的顺序分别标号为1～8。

步骤S1中将三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量划分为四个区间，由外向内分别标注为A、B、C、D，其中A、B、C为环形区间，D为圆形区间，四个区间的边界为：

当处于A区间，也即m₂＜m≤m₁时，在5、6、7、8小区间内采用五段式调制，在3、4区间采用七段式调制；

当处于B区间，也即m₃＜m≤m₂时，在3、4、6、7小区间内采用五段式调制，在5、8区间采用七段式调制；

当处于C区间，也即m₄＜m≤m₄时，在3、4小区间内采用五段式调制，在5、6、7、8区间采用七段式调制；

当处于D区间，也即m≤m₄时，在3或4小区间内采用五段式调制，在剩余其他区间采用七段式调制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过将三相三电平光伏逆变器空间矢量分布图的大扇区划分为若干小扇区，在直流母线电压不同，也即调制度不同时，根据空间电压矢量幅值所处的扇区，分别确定各个扇区需要采用的调制方式。由于光伏逆变器需要实现光伏阵列的最大功率跟踪，在交流侧电网电压不变的情况下，直流母线电压会在较大的范围内变化，假若只在固定的小扇区内采用五段式调制，在某些直流母线工况下，空间电压矢量在五段式调制小区间内时间较长，此时易导致不能实现母线电压平衡控制，故采用根据空间电压矢量幅值(即调制度)调整采用五段式调制小区间的方式，确保光伏逆变器在全最大功率跟踪电压范围内，能够实现中点电位平衡的控制，同时降低开关损耗。

附图说明

图1本发明电压矢量调制方法的实施流程图；

图2三相三电平光伏逆变器的拓扑图；

图3三相三电平光伏逆变器的电压空间矢量分布图；

图4本发明实施例采用的电压空间矢量小区间分布图；

图5本发明实施例采用的调制度分区示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图2-3，三相三电平光伏逆变器直流侧接光伏阵列，交流侧通过变压器接电网，一般交流侧电压为315V，直流侧最大功率跟踪电压范围为480～850V。

参见图1，本发明实施步骤如下：

步骤1：将三相三电平光伏逆变器的空间电压矢量的每个大扇区划分为8个小扇区；

常规三电平空间电压矢量调制算法将空间矢量分布图中划分为6个大扇区(正三角形)，每个大扇区根据矢量可划分为4个小扇区(正三角形)，此处为实现算法，再将每个小扇区均分为两个小区间(直角三角形)，为便于说明，此处将每个大扇区中的8个小区间按照由内到外、由下到上的顺序分别标号为1～8。

步骤2：根据光伏逆变器所需输出的三相正弦电压，计算出空间电压矢量的幅值；

步骤3：根据空间电压矢量幅值所处的区间，确定采用七段式调制的小扇区及采用五段式调制的小扇区；

步骤4：根据确定的调试方式及所属扇区，进行调制。

步骤1中，三相三电平光伏逆变器空间电压矢量8个小扇区的划分方法如图4所示。

步骤2中，将空间电压矢量以标幺，三相三电平逆变器所能输出的电压矢量最大幅值为1。三相三电平逆变器所需输出的三相正弦电压，首先经过CLARKE变换，转换到αβ坐标系下，转换公式为：

其中：U_dc为直流母线电压，u_A、u_B、u_C分别为三相正弦电压标幺值，u_α、u_β为经过CLARKE变换之后的αβ轴电压标幺值。

计算空间电压矢量幅值(即调制度)的公式为：

步骤3中，按图5所划分的区间，由外向内分别标注为A、B、C、D。其中A、B、C为环形区间，D为圆形区间。根据几何关系，可以求出四个区间的边界分别为：

本发明调制方法划分了以数字1～8标号的区间和以字母A、B、C、D标号的区间：

以调制度m处于m2<m<m1区间，也即处于A区间为例，输出电压空间矢量以逆时针方向画圆，在每个大扇区中分别经过5、6、3、4、7、8区间；

在B、C、D区间(也即不同的调制度，电网电压一定时，表现为母线电压不同，也即光伏阵列MPPT电压不同)内，在每个大扇区中也分别经过5、6、3、4、7、8区间，但在每个数字区间(1～8)内的作用时间不同，为保证中点电位平衡控制量的作用时间，修改五段式和七段式的作用分配数字区间(1～8)。

当直流电压在480～505V时，处于A区间，在5、6、7、8小区间内采用五段式调制，在3、4区间采用七段式调制。

当直流电压在505～583V时，处于B区间，在3、4、6、7小区间内采用五段式调制，在5、8区间采用七段式调制。

当直流电压在583～668V时，处于C区间，在3、4小区间内采用五段式调制，在5、6、7、8区间采用七段式调制。

当直流电压在668～850V时，处于D区间，在3(或4)小区间内采用五段式调制，在剩余其他区间采用七段式调制。

综上所述，本发明将三相三电平光伏逆变器空间矢量分布图的大扇区划分为若干个小扇区，在直流母线电压不同，也即调制度不同时，在部分小扇区采用七段式调制，而在另外一部分扇区，采用五段式调制。采用五段式调制时，可降低开关损耗，但不具备中点电位平衡控制能力；采用七段式调制时，可抑制中点电位的波动和偏移。根据调制度确定划分的区间，可在光伏逆变器母线电压工作范围内，实现中点电位平衡控制，同时能够降低开关损耗。

对所公开实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例不限于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。