本發明涉及新型并網逆變器控制策略技術領域，尤其是涉及一種基于SVPWM的Z源NPC三電平逆變器恒功率并網控制系統。

背景技術：

近年來，隨著可再生能源的廣泛應用和微電網技術的發展，新型并網逆變器拓撲及其控制策略的研究成為熱點。Z源逆變器是在基本逆變器結構基礎上加入了Z源網絡拓撲，使逆變器的橋臂直通成為一種工作狀態，從而能夠實現升降壓變換，這樣控制中就無需再插入死區時間，提高了逆變效率。傳統的Z源兩電平逆變器受開關管功率和耐壓的限制，不適用于高壓大功率場合，限制了升壓能力的發揮。

三電平逆變器通過增加逆變電路電平數來減少電磁干擾和輸出電壓中的諧波，開關管關斷時承受的電壓僅為直流側電壓的一半，并使逆變器開關管工作在低頻狀態，開關損耗減少，因此在大功率場合得到廣泛應用。Z源三電平逆變器將Z源網絡拓撲和三電平逆變器相結合，能夠充分發揮兩者的優勢。但目前對Z源三電平NPC逆變器的并網控制進行研究較少。

并網控制策略是可再生能源發電通過逆變器接入電網的關鍵。目前大部分研究都是通過改進控制方案實現單位功率因數輸出，未對無功功率輸出能力進行討論。恒功率控制能使逆變器輸出的有功、無功功率跟蹤設定參考值，必要時可輸出無功支持電網電壓，提高電網穩定性。這種控制策略適用于光伏、風電的最大功率追蹤。因此，將恒功率控制策略應用于Z源NPC三電平逆變器，實現逆變器并網控制的研究具有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于SVPWM的Z源NPC三電平逆變器恒功率并網控制系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于SVPWM的Z源NPC三電平逆變器恒功率并網控制系統,包括依次連接的Z源NPC三電平逆變器和LC濾波器，所述的并網控制系統還包括依次連接的恒功率控制模塊和SVPWM控制模塊，所述的恒功率控制模塊輸入端與LC濾波器的輸出端鏈接，所述的SVPWM控制模塊輸出端與Z源NPC三電平逆變器連接；

所述的Z源NPC三電平逆變器由直流源供電，經LC濾波器濾波后同時接入電網和恒功率控制模塊，該恒功率控制模塊處理后通過SVPWM控制模塊接入Z源NPC三電平逆變器。

所述的Z源NPC三電平逆變器包括依次連接的Z源網絡和三電平逆變器，所述的Z源網絡輸入端與直流源連接，所述的SVPWM控制模塊輸出端與三電平逆變器連接。

所述的恒功率控制模塊包括依次連接的abc坐標系轉dq坐標系單元、功率控制單元和電流控制單元，所述的abc坐標系轉dq坐標系單元的輸入端與LC濾波器的輸出端連接，所述的電流控制單元的輸出端與SVPWM控制模塊連接。

所述的電流控制單元的輸出端通過dq坐標系轉abc坐標系單元與SVPWM控制模塊連接。

所述的SVPWM控制模塊采用上/下直通零矢量部分替代傳統零矢量。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1)Z源結構能夠升高微電源的輸出電壓，同時使直通狀態成為一種工作狀態，消除死區對逆變器的影響。

2)本發明提出的Z源三電平逆變器恒功率并網策略能使逆變器輸出可調可控，必要時可輸出無功支持電網電壓，提高電網穩定性。與傳統兩電平逆變器恒功率控制策略相比，可有效降低并網電流諧波含量，改善并網電能質量。

附圖說明

圖1為本發明所述Z源NPC三電平逆變器的拓撲結構；

圖2(a)為傳統三電平逆變器的SVPWM時序圖；

圖2(b)為本發明所述Z源三電平逆變器的SVPWM時序圖；

圖3為本發明所述Z源NPC三電平逆變器恒功率并網控制系統框圖；

圖4為本發明所述恒功率控制器結構框圖；

圖5為本發明實施例所述逆變器輸出a相相電壓和線電壓；

圖6為本發明實施例所述并網逆變器輸出有功、無功功率波形；

圖7(a)為本發明實施例0s～2s三相并網電流波形；

圖7(b)為本發明實施例0.9s～1.1s三相并網電流波形；

圖8為本發明實施例所述a相并網電壓電流波形；

圖9為本發明實施例所述并網頻率波形；

圖10為本發明實施例所述Z源三電平逆變器恒功率控制并網電流諧波含量；

圖11為本發明實施例所述傳統兩電平逆變器恒功率控制并網電流諧波含量。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬于本發明保護的范圍。

本發明在分析了Z源NPC三電平逆變器的結構和工作原理的基礎上，將恒功率控制策略引入到Z源NPC三電平逆變器的并網控制中，并結合SVPWM調制策略實現了逆變器并網控制。

圖1為Z源NPC三電平逆變器的拓撲結構。圖中，直流電源僅有1個，其電壓為U_dc；C_s1和C_s2為直流電源的分壓電容，其值為C_s1＝C_s2＝C_s。在分壓電容與傳統NPC三電平逆變器之間，加入由電感L₁、L₂和電容C₁、C₂組成的Z源網絡，分壓電容的中點N與NPC逆變器的中點相連，Z源網絡的輸出電壓(也稱直流母線電壓)為U_i。此外，加入二極管VD₁、VD₂以實現在直通狀態時的反向阻斷作用。

相比于SPWM控制方法，SVPWM控制具有動態響應快、波動小的特點，且SVPWM控制方法的直流電壓利用率高，諧波含量少，但更為復雜。Z源NPC三電平逆變器的SVPWM是在傳統的SVPWM基礎上，用上/下直通零矢量部分替代傳統零矢量，以實現升壓。由于加入了針對Z源NPC三電平逆變器而設計的上、下直通矢量插入單元，傳統SVPWM調制算法的其他部分也因此出現了新的變化。例如：矢量作用時間計算部分，新加入了直通矢量時間的計算；時間狀態分配部分，用于實現時間狀態分配的波形由原來的7階波形式變為11階波形，如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖3為Z源NPC三電平并網逆變器恒功率控制系統框圖。圖中，L₀和R₀分別為三相線路電感和電阻，u_fk(k＝a,b,c)為逆變器濾波后的輸出電壓，u_k(k＝a,b,c)為電網電壓，i_k(k＝a,b,c)為線路電流。Z源NPC三電平逆變器由直流源供電，經LC濾波器濾波后接入電網。恒功率控制主要包括dq變換、功率控制和電流控制3個部分。

由圖3可知，并網母線電壓可表示為：

將式(1)變換到旋轉dq坐標系，得到：

式中：ω為線路的角頻率，ω＝2πf(f為電網頻率)。

在旋轉dq坐標系下有功、無功表達式為：

在abc坐標系到dq坐標系的派克變換中選取d軸與電壓矢量同方向，可以使得q軸電壓分量為零。此時，有功功率僅與d軸有功電流有關，而無功功率僅與q軸無功電流有關。功率表達式簡化為：

這樣功率表達式得到了解耦，由此可得流向饋線的參考電流i_dref和i_qref為：

對式(2)整理得到：

根據式(5)和式(6)可設計出恒功率控制器的結構，如圖4所示。

為了驗證Z源三電平并網逆變器的恒功率控制方法的可行性和有效性，在Matlab/Simulink軟件平臺上搭建了基于SVPWM的Z源NPC三電平逆變器恒功率并網控制仿真模型，并進行仿真分析研究。具體仿真參數為：輸入直流電壓U_dc＝800V，開關頻率f＝2.5kHz，直流側電容C_s1＝C_s2＝100μF，Z源網絡電容C₁＝C₂＝220μF，電感L₁＝L₂＝1mH，直通占空比D₀＝0.167。濾波電感L_f＝12mH，濾波電容C_f＝0.06μF。PI控制器的參數K_P＝50、K_I＝100；電網相電壓為220V、頻率為50Hz。

(1)Z源三電平逆變器的輸出波形分析

圖5為逆變器輸出a相相電壓和ab兩相線電壓波形。由于插入了直通量(直通占空比D₀＝0.167)，升壓比B＝1.5，輸出相電壓峰值約為600V，線電壓峰值約為1200V，與理論值相符。而傳統的三電平逆變器的輸出線電壓峰值不會超過800V。由此可見，Z源三電平逆變器可實現升壓輸出。由于直通占空比是給定值，而不是從零升高的連續變化值，所以開始階段存在一個周期的啟動沖擊。

(2)恒功率并網控制的相關波形

設置仿真時間為2s，有功功率參考值P_ref在1s時由20kW上升為35kW，無功功率參考值Q_ref在1s時由0kVar上升為5kVar。圖6為并網逆變器輸出有功、無功功率波形。由圖可見，在1s時功率設定值變化，有功、無功功率均能跟隨參考值變化，波形平滑，響應速度較快。

圖7(a)和圖7(b)為三相并網電流波形。為了方便查看參考功率變化對電流的影響，同時給出了仿真時間0.9s～1.1s內波形。由圖可見，當參考功率變化時，并網電流平穩過渡，波動時間很短。穩態時并網電流的總諧波含量(THD)約為2％，滿足國家標準THD<5％的要求。

圖8為功率參考值改變時三相并網電壓、電流波形。由于大電網的作用，逆變器輸出電壓穩定在310V，諧波含量僅為0.2％。由圖可見，0.9s～1s，并網電流與并網電壓基本同相；1s～1.1s，由于逆變器輸出無功功率，并網電流與并網電壓相位不相同，由于此時功率因數約為0.99，因此相位差較小。

圖9為并網頻率波形圖，由圖可知，頻率在開始階段有較小波動，最大偏移量僅為0.125Hz，且很快穩定在50Hz，功率變化時，并網頻率出現細微波動，穩定性強。

(3)與傳統兩電平逆變器恒功率控制比較

為了說明Z源三電平逆變器恒功率并網策略的優勢，對傳統兩電平逆變器的恒功率并網控制做了仿真實驗，將兩者比較分析。

在傳統兩電平逆變器的恒功率并網控制仿真中，設置仿真時間為2s，輸入直流電壓U_dc1＝600V，PI控制器的參數K_P1＝K_I1＝100，濾波參數、功率參考值變化情況與Z源三電平逆變器并網系統相同。

圖10、圖11分別為Z源三電平逆變器恒功率并網控制、傳統兩電平逆變器的恒功率控制的并網電流及其諧波含量分析圖。其中：諧波含量分析圖選擇了系統穩定后5個周期的電流波形(即為圖中的紅色曲線)。由圖可知，Z源三電平逆變器恒功率控制并網電流諧波含量為2.19％，遠低于傳統兩電平逆變器恒功率控制并網電流諧波含量3.95％，說明Z源三電平逆變器恒功率控制并網策略可有效降低并網電流諧波畸變量，改善并網電能質量。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。