摘要
现代国际对环境友好型解决方案的继续重视促进大都公司从头考虑其战略，规划新式或改善型办法和产品。发电工业也不破例，在该范畴，太阳能和风能一直是用于发电的绿色动力的排头兵。鉴于这些绿色动力大都多变不安稳，业界一直在改善运用它们发电的办法，其间一个根本关键便是进步直流(dc)与沟通(ac)之间的动力转化功率，以削减发电丢失。为此，业界规划了选用改善型逆变器(特别是中性点钳位(NPC)逆变器)的办法，并在太阳能和风能发电厂进行了布置。NPC用于光伏(PV)面板上，比较其他办法具有多种优势，但在几个方面还有改善地步。现实标明，添加其电平数，施行更杂乱的操控办法，选用更快的功率操控环路，在逆变器的完结中都是有必要的。
简介
电能转化是现代国际的一项继续需求。沟通电源需求继续整流才干驱动电子设备和电池，而直流电源(如电池),当电网毛病时，则有必要当即转化成沟通电，以便为与其相连的设备供电。
别的，全球继续重视环保型清洁发电解决方案，发电资源存在匮乏或周期性问题，以及为呈指数级添加的人口供电时存在地舆约束要素，在这些布景下，人们选用了代替传统发电法的绿色动力发电法，这些绿色动力首要是太阳能和风能。这种发电办法实践上不会耗尽任何资源，而且简直能够在任何地方布置。
可是，环境友好型发电办法依赖于太阳、风等多变的资源——因而，一个重要的改善办法便是进步其功率。别的，用电负载的改变以及体系中无功功率的影响(会发生谐波)会下降配电网络的质量和可靠性。成果，大都公司不得不从头考虑其产品、方针和规划，以到达现代国际的预期和规范。
现实上，因为绿色发电所需资源与天然相关，不受操控，人们对电网电能的运用也不受操控，因而这些公司一直偏重于改善其技能，特别是进步发电和用电功率。
有鉴于此，运用于光伏面板和风力涡轮机的新办法和改善型办法都处于不断改变之中。这一进程的根底是将发生的直流电转化成沟通电，使其能成为首要动力。现实上，这一进程是由逆变器完结的，逆变器首要担任电网同步和能量转化。因而，经过改善该体系，能够进步功率，对客户来说，进步了性价比。
有多种逆变器拓扑结构，有离网逆变器和连网逆变器，有根据变压器的逆变器和无变压器的逆变器，还有开环型逆变器和闭环型逆变器。这些拓扑结构也可能有不同的电平数，成果会影响到逆变器的分辨率和开关办法。别的，这些设置决议着尺度、重量、价格、杂乱度、作业办法、谐波发生状况、运用率、功率等参数，对终究产品有着直接的影响。
在无变压器的光伏逆变器中，首要有两个转化器系列，分别为半桥(或全桥)系列和中性点钳位(NPC)系列。除了经典完结办法以外，这两个系列在规范和特性方面都存在若干差异，使其更合适特定运用。
在逆变器以外，有必要完结一种调制技能以便对逆变器的转化进行调制。有多种脉冲宽度调制(PWM)技能能够用于逆变器和电机驱动器，包含正弦脉冲调制(SPWM)、空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)、相移PWM和部分谐波消除PWM。虽然有多种调制技能，各有其更合适的特定运用，但合适光伏逆变器的通用型调制战略是SPWM和SVPWM，因为它们具有较宽的开关频率规模，能简化多电平逆变器的完结进程。可是，因为SVPWM技能作业时，相当于逆变器输出的三个相位的组合效应而非单个相位，因而已成为三相逆变器和多电平逆变器中更受欢迎、更老练的技能。
根据Simulink的多电平二极管NPC逆变器拓扑结构专用SVPWM电流操控技能
此外，连网转化器的一个根本要求是电网同步。这项要求与转化器的功率直接相关，有多种完结办法。例如，一般用连网的锁相环(PLL)来完结这项要求。
本文首要描绘一种面向多电平三相NPC逆变器拓扑结构的SVPWM电流操控技能，偏重评论如何用闭环矢量操控和正序电压检测器完结三级或五级拓扑结构，以平抑电网毛病。本文首要剖析光伏运用，文中供给的一切成果均是经过在MathWorks®软件Simulink®中模仿体系获取的。
二极管中性点钳位拓扑结构
二极管NPC拓扑结构是由绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)和二极管组合而成的。从结构上讲，NPC在规划时要考虑以下要求：经过二极管将光伏面板钳位至直流总线的接地中点，能够完结零电压。
这种逆变器比较半桥拓扑结构有多种优势，使其更合适完结为高功率光伏面板的逆变器。例如，如果在半桥之后完结，则比经典全桥完结办法有所改善，比方更低的dv/dt和开关压力。别的，其通用性使其能够充任单相和三相逆变器，因为它能够完结为三相四线转化器。
比较其他拓扑结构，这种拓扑结构有多种其他优势，比方，滤波器上的单极性电压能够下降中心损耗。它还具有很高的功率(高达98%)，因为在零电压进程中，其输出电感与其滤波器电容之间不存在无功功率沟通，而且还能发生极低漏电流和较低的电磁搅扰。
可是，这种拓扑结构首要与迷你型中心逆变器一同用于三相光伏逆变器，因为其完结起来比半桥拓扑结构要杂乱些。也更合适高功率运用，如中心逆变器。
别的，跟着用电需求的添加，逆变器阅历改善，以发生更多电压电平。逆变器具有的电压电平越多，其沟通输出质量越高，这是因为在输出电压中，较高电平导致的失真要低于低电平，然后进步体系的全体功率。此外，电平数会导致开关损耗与传导损耗之间的折衷，其间，后者随电平增多而添加，开关损耗则下降。因而，多电平逆变器会下降半导体元件的压力，削减毛病，延伸逆变器元件的寿数。现实上，多电平NPC逆变器能够削减总谐振失真(THD)，下降各器材的开关频率(下降总功率损耗)，不需求升压或降压变压器，需求较小的沟通滤波器，并削减电磁兼容性问题。
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
空间矢量脉冲宽度调制
为了运用SVPWM完结办法，能够根据其相位和起伏，将电压和电流表明为空间矢量。经过这种办法，能够用高效公式剖析其瞬时属性，这对操控三相体系里的有功和无功功率元件特别有用。因而，运用SVPWM操控技能能够更好地操控NPC直流总线电压的平衡。现实上，在SVPWM技能下，由一个参阅空间矢量充任输入，该空间矢量由逆变器与电网的衔接所发生的瞬时线-中性点三相电流或电压构成。该办法剖析电流或电压的瞬时属性，然后完结对三相体系中有功和无功功率元件的操控。
一般，作为逆变器，SVPWM可能有多个电平与逆变器相匹配。这种状况下，匹配电平为最简略的完结办法，因为对SVPWM和逆变器运用不同的电平需求对体系进行全面评价和规划。
虽然多电平SVPWM有着许多优势，可是，逆变器电平越高，需求操控的开关就越多，因而，要用这种调制技能核算每个开关的占空比，以及功率转化器最佳功用的开关序列，整个进程需求更多核算资源。所以，运用查找表能够进步呼应速度，但这些表会对体系构成约束，使其只对可猜测事情做出呼应。
因而，SVPWM法的作业原理如下：
从线-中性点三相电压，决议参阅空间矢量
然后，从一组预界说的电压矢量中，界说一切不同的开关组合，能够用空间矢量图来表明
调制从该参阅空间矢量抽取瞬时角和起伏信息
然后在该图中制作旋转参阅空间矢量，确认参阅空间矢量地点的区域和扇区
根据组成该区域和扇区的电压矢量信息，战略核算开关的驻留时刻
最终，调制发生PWM脉冲，用于驱动逆变器，以生成方针电压。
该进程循环进行，在其脉冲发生所需输出时发动。
现实上，该技能将空间矢量信息与构成空间矢量图的电压矢量进行比较，并生成用于调制逆变器的瞬时开关状况。根据视点和起伏信息，SVPWM生成一个表明体系实践特性的空间矢量。然后，从相对于邻近矢量坐标的方位开端，在图上制作该空间矢量，并核算开关办法。体系简直能当即核算该开关办法，并表明出调制到逆变器的占空比。
核算后，需求在图上表明空间矢量并进行剖析。该图为六边形，其间，每个交叉点均表明至少一个电压矢量。这些衔接中有一部分能够有一个以上的电压矢量，称为冗余矢量，因为坐落同一交叉点的一切矢量都表明同一开关序列。SVPWM的每个电平都会加大图的杂乱度，成果会添加交叉点的数量，所以电压矢量(如三电平空间矢量图)有19个交叉点，五电平空间矢量图有61个交叉点。
因而，每个电平都会添加交叉点的数量，其核算公式为以下多项式：
交叉点数量 = 3 × 电平数2 – 3 × 电平数 + 1
可见，SVPWM的每个电平都会增多交叉点的数量，电平越高，SVPWM核算就有必要越精确，因为扇区和区域较小，成果会加大体系的杂乱性。
因而，跟着SVPWM电平的添加，不光电压矢量、扇区和区域的数量都会大幅添加，成果加大调制的杂乱性，一同还会进步体系的功用和功率。
图3.三电平空间矢量图
图4.五电平空间矢量图
SVPWM广义闭环矢量操控和无功功率操控法
图5.面向NPC拓扑结构的广义SVPWM操控法
能够完结多种类型的操控办法，用以操作由多电平SVPWM和NPC构成的逆变器体系。因而，因为有多种操控办法能够用于逆变器，所以，有必要挑选最合适体系运用的技能。
无功功率操控法在光伏体系发电并将电能注入电网方面展现出更胜一筹的电网参数，十分合适三相连网光伏逆变器。这种操控法答应体系操控光伏体系发生的直流电能，将该电能输入电网，并能操控有功和无功功率，然后减小体系无功部分的丢失。别的，因为电机驱动操控与逆变器的操控相相似，所以，能够改动沟通电感电机驱动器运用的技能，使其适用于光伏逆变器。这样一来，就能改动经过操控电机驱动的频率、起伏和相位进行作业的磁场定向操控(FOC)技能(或称矢量操控)，将其运用到与配电网络相连的光伏转化器中。这种办法对发生的电流的频率、起伏和相位角进行操控，这些信息则用于生成操控功率逆变器的SVPWM脉冲。它还有多种其他优势——比方，更低的功耗、更高的功率、更低的运营本钱和组件本钱。
因而，能够将两种办法结合起来，与多电平SVPWM一同运用到光伏多电平二极管NPC逆变器中，以最大极限地进步体系的功用。这样，用这种办法操控处于闭环办法且与电网相连的三相多电平二极管NPC逆变器的详细完结办法如下：
首要，矢量操控法以三相电网相位电压和A相相位角为输入。
然后经过alpha-beta-0改换，将这些三相电压转化到一个二轴体系中。
经过在d-q-0改换中运用实测相位角，该二轴坐标系发生旋转并与该视点信息对齐。
与此一同，该操控法也会运用三相电压用alpha-beta-0和d-q-0改换发生的电流，alpha-beta-0和d-q-0改换则是用参阅角信息来改换这些电流的。
在发生的信号和参阅信号完结改换之后，该技能会从一个信号中减去另一个信号，然后发生差错信号。别的，为了进步体系的安稳性，差错信号有必要经过经典份额积分(PI)操控环路。
从此点起，体系将始于同步参阅坐标系(d-q-0坐标系)PI操控器中的差错信号改换成停止参阅坐标系(alpha-beta-0坐标系)。这一步会猜测在当时电压矢量与下一个电压矢量之间发生的差错量。
前面的两步会消除或操控来自d-q-0改换的正交电压(q重量)，该电压代表着体系里的无功功率重量。
然后，来自alpha-beta-0改换的alpha和beta重量经过笛卡尔-极性改换，发生起伏和视点。
最终，运用该起伏和视点信息，SVPWM核算参阅矢量、该矢量地点区域和扇区、构成该数据的电压矢量、开关驻留时刻以及逆变器的最佳开关序列。这些信息以脉冲发射，用以驱动转化器，发生体系所需电压和电流值。
能够用锁相环(PLL)从A相抽取视点信息，以进行坐标改换，使体系能习惯输入信号频率的改变。
以正序电压检测器完结操控法
除了完结上述频率自习惯操控办法以外，还能够运用与电网相连的正序电压检测器(PSD)来改善该办法。能够运用这种办法检测其他电网毛病条件，比方，不平衡和失真的电网条件，并使体系能习惯其需求——然后削减损耗，进步体系功率。
此外，一项根本要求是操控逆变器与电网之间的功率沟通而不触发转化器的维护机制，避免瞬态毛病形成脱网，使体系坚持连网规范。
因而，为了快速而精确地检测到电网的不平衡、失真和不安稳条件，有必要将两个其他模块添加到体系中：一是用二阶广义积分器(SOGI)完结的正交信号发生器(QSG)，该积分器能够给体系带来谐波阻挠功用;二是正序核算器(PSC)。该体系一般与PLL联合完结。可是，因为PLL现已用于d-q-0改换，所以体系不需求再用一个PLL，能够运用现有PLL的信息。
这样，QSG对alpha-beta参阅坐标系上的三相电网电压进行滤波，发生原始alpha-beta电压的90°相移重量。然后，这些信号经过PSC，后者用瞬时对称重量成功检测到alpha-beta-0电压上的正序重量。详细地，改换后的正序重量经过d-q-0改换，发生d-q-0重量，d-q-0改换则运用前次迭代中运用的PLL视点信息使体系频率和相位坚持习惯才能。
从电网电压获取和改换正序重量的整个进程完结之后，体系继续按前述办法运转。这些重量被从发生的电流中减去，并根据前述办法经过PI操控环路。
因而，虽然体系施行的进程与前述操控办法相同，但体系现在具有了自习惯才能，能习惯不平衡和失真的电网条件。
在Simulink环境下进行模仿
能够在Simulink环境下成功模仿该体系。整个体系由连网多电平二极管NPC逆变器拓扑结构构成，由一种多电平SVPWM技能和一种被转变成FOC技能的闭环无功功率操控办法进行操控，以正序检测器完结。
模仿显现，体系在电网阻抗大幅改变状况下表现出较强的安稳性，能在电网电压搅扰条件下不脱网运转，能习惯电网电压改变，还能坚持规范要求的单位功率要素。
在规划体系时，有必要从调制战略的视点，慎重考虑开关频率、失真、损耗、谐波生成、呼应速度等额定参数。
图6.以PSD完结的多电平二极管NPC和SVPWM全面操控办法
下面的图示展现了体系的功用。模仿进程中，0.0秒时，翻开体系，电网一切正常。当模仿进行到0.06秒时，这相当于电网电压的三个完好周期，体系现已安稳下来，每个电网电压均有下降，这种状况继续了0.04秒，在模仿0.1秒之后，康复正常。
因而，未选用PSD完结办法时，模仿成果在发生电网毛病之前展现出杰出的功用;这儿的电网毛病是指体系电压大幅下降，发生的电流不平衡。在选用PSD办法的图中，安稳大约花了一个周期的时刻，即0.02秒，但当遇到电网毛病条件时，其习惯才能于优于不选用PSD的体系，发生的电流彻底平衡。别的，当体系运转到0.18秒时，有必要关闭体系，所以，二极管NPC中心的开关断开，使电流发生进程中止，当%&&&&&%和电感放电时，呈现了短时破例。
图7.三相电网电压
图8.在未选用PSD办法的条件下三相、五电平发生的电流
图9.在选用PSD办法的条件下三相、五电平发生的电流
调制逆变器A相的SVPWM脉冲如下所示;NPC的开关频率为100 kHz。能够轻松挑选NPC的开关频率，体系能够在20 kHz至300 kHz的超宽频率规模内正常作业。
图10.五电平A相开关脉冲
可见，成果显现，该体系比较其他办法有多种优势，而且能够用多种办法完结，比方添加电平数量，选用电网毛病自习惯体系、更杂乱的操控办法、更快的功率操控环路等;然后为现代国际打造出功率更高、本钱更低、尺度更小、智能化程度更高的体系。
