预测电流控制三电平双Buck并网逆变器

(厦门科华恒盛股份有限公司，福建 厦门 361000)

预测电流控制三电平双Buck并网逆变器

杜伟

(厦门科华恒盛股份有限公司，福建 厦门 361000)

三电平双Buck逆变器因其高效高可靠性被广泛运用于新能源发电、不间断电源等变流领域。针对三电平双Buck逆变器采用变频滞环电流控制谐波频谱宽、输出滤波器设计困难；采用恒频PI控制参数设计复杂、调试周期长的问题。提出一种恒定开关频率的改进预测电流控制方法实现三电平双Buck并网逆变。恒定的开关频率谐波频谱固定、易于滤除；改进预测电流控制为比例项+预测项实现，仅需进行比例参数调节，简化了参数调试周期。最后通过仿真及原理样机实验验证了所提出设计方法的可行性。

双Buck逆变器；预测电流；并网；三电平

1 引言

不间断电源(UPS)、新能源发电和航空电源对逆变器的可靠性及效率要求高[1]。传统桥式逆变器存在桥臂直通隐患、体二极管续流和死区设计的不足，可靠性及效率无法进一步提高。全桥三电平双Buck逆变器无这些不足，因此被广泛用作高可靠性逆变器的解决方案[2]。文献[3]提出一种滞环电流控制的双开关型全桥三电平双Buck逆变器，采用滞环电流控制逆变器响应速度快、动态性能好，但存在滤波器设计困难和谐波频谱不固定的问题。文献[4]为了抑制双Buck逆变器电流过零畸变、减小输出电流纹波，采用移相控制技术实现串级双Buck逆变器。文献[5]提出一种基于双环滑膜控制解决双Buck逆变器电压调整率和动态性能的问题，采用PI调节器及滑膜控制器的参数设计较为复杂，增加了逆变器样机工程周期及调试难度。

为改善三电平双Buck逆变器输出波形质量及缩短调试周期、简化调试过程，本文提出一种改进预测电流控制实现三电平双Buck逆变并网。恒定的开关频率使谐波易于滤除；比例调节结合预测项实现电流预测控制，简化了参数设计及调试难度，提高了工程运用价值。仿真及实验验证了所提出设计方法的正确性。

2 工作原理分析

如图1所示给出了数字化三电平双Buck并网逆变器原理图，其中ir、vgf和igf分别为参考电流、进入控制器的电网反馈电压和反馈电流。

图2和图3分别给出了SPWM控制双开关型双Buck并网逆变器稳态时的工作模态和所对的应稳态波形，其中Vds1和Vds2分别为开关管S1和S2漏源极两端电压波形。在工频正半周时对应的工作模态为模态1和模态2，此时ir> 0，S3、D3导通，S2Buck状态高频工作，D2完成Buck续流。

图1 三电平双Buck并网逆变器

工作模态1：D2截止、高频开关管S2的导通占空比为d2，输入电压Vd施加在电感L2上，电感电流iL2上升变化率为：

(1)

工作模态2：高频开关管S2断开，Buck续流管D2承受正向电压导通，电网电压反向施加在电感L2，电感电流iL2下降变化率为：

(2)

由式(1)和式(2)可得输入和输出电压关系式为：

vg=d2Vd

(3)

双开关型双Buck在工频负半周时对应的工作模态为模态3和模态4；由图2和图3可知ig< 0，S2、S3关断，S3常闭、S1高频工作。负半周模式为正半周对称进行，同理分析可得逆变电压关系式为：

vg=-d1Vd

(4)

其中d1为开关管S1的占空比。由输出电压占空比表达式可知，双开关型双Buck并网逆变器的输入电压利用率与传统全桥逆变器相等。

图2 三电平双Buck逆变工作模态

3 改进预测电流控制设计

如图4给出了传统预测电流控制实现逆变并网的框图[6]，在框图中单L滤波器的并网逆变器等效成物理环节，DSP实现的控制部分等效为软件环节。

获得图4传统预测电流控制三电平双Buck并网逆变的分析过程如下：

假设电路工作在[k,k+1]开关周期内做线性化处理，桥臂点B与L的电压变化值表示为：

图3 三电平双Buck并网逆变关键波形

图4 预测电流控制框图

(5)

并网时控制目标为电感电流在[k+1]处的值即采样值iLf[k+1]跟踪参考电流的值iref[k+1]的值，并由式(5)可得软件环节控制器的输出占空比表达式为：

(6)

由式(6)和逆变器物理环节相结合可得图4所示的预测电流控制双开关型双Buck并网逆变器的控制框图，且电流环的输入到输出传递函数为：

(7)

不考虑系统时延的前提下，取仿真电路参数，开关周期Ts=25μs、电感L=2mH。图5(a)和(b)给出了式(7)的零极点随比例系数kp的变化图，Z域上系统稳定的充要条件是系统的极点分布在Z域的单位圆内。图5(a)中比例系数kp小于电感L与开关周期Ts的比值时极点落在实轴的右半部分系统为低通输出，当L/Ts

图5 电流环传递函数零极点随kp变换分布图

仿真采用数字控制，存在考虑系统控制时延的问题，图4占空比d[k]输出前需增加一个时延零阶保持器Z-1，式(7)在增加零阶保持器后变为：

(8)

图5(c)给出了公式(8)的零极点随比例系数kp变化的分布图，可知当kp>L/Ts时系统将不能够稳定，为了保持控制系统的稳定和低通输出特性，比例系数需满足kp

由图5(c)分析知，预测电流控制系统的稳定裕度为L/Ts，kp必须在稳定裕度即kp

为此，提出了一种可实现电流误差自动转变成零的改进预测电流控制策略，使系统的稳定裕度提高了一倍。改进后系统的控制框图如图6(a)所示，图6(b)给出了对应闭环根轨迹。

图6 改进预测电流控制图

改进预测电流控制策略设计过程如下：

ie[k]=iref[k]-iL[k]

(9)

(10)

由式(10)可知，改进的预测电流环输入到输出的传递函数为：

(11)

结合式(8)、(11)和图6可知，此时的控制器参数未发生改变，而系统的稳定裕度增加了一倍。改进的预测控制具备更大范围的比例系数调节，在保证系统稳定的同时，获得更好的动态性能。

4 仿真与实验

为了验证以上理论分析，以表1给出的仿真参数采用PSIM软件双开关型双Buck逆变器进行仿真分析。

表1 双开关型双Buck并网逆变器仿真参数

为了验证以上理论分析，用PSIM搭建仿真电路运用同步锁相技术[7]实现双开关型双Buck逆变器的并网仿真，直接比例电流控制和改进预测电流控制的比较仿真结果如图7所示。

图7 比例控制和预测电流控制并网逆变仿真波形

图7(a)为采用电流环比例控制给定为满载输出时的仿真结果，并网时采用比例控制无法跟踪电流给定；图7(b)和(c)为采用本文提出的预测电流控制方式的仿真结果，分别为给定满载和半载时的输出波形，满载时仿真并网电流THD=6.4%、PF=0.997，可知双开关型双Buck并网逆变器在采用提出的预测电流控制策略可准确实现电流跟踪给定。图7(d)为开关管S1、S2和并网仿真波形，采用SPWM调制方式可实现开关频率的恒定，有利于并网滤波器的设计。图8分别给出了与仿真满载和半载相对应的实验波形，满载实验逆变并网电流THD=4.3%。

由仿真与实验结果可见，所采用的预测电流控制参数调试简单，系统具有良好的电流跟踪能力，所提出的控制易于逆变器实现逆变并网。

5 结论

本文提出一种改进预测电流控制方法实现三电平双Buck并网逆变器。恒定的开关频率使双Buck并网逆变器的谐波频谱固定、易于滤除。改进的预测电流控制方法仅需调节比例系数，与以比例积分为基础的控制方法相比缩短了调试时间；与传统预测电流相比具有更大的稳定裕度。所给出的高可靠性逆变器设计方法可为新能源发电、UPS等变流设备提供参考。

[1] 洪峰,刘周成,万运强,等.无漏电流高效可靠三电平双 Buck 并网逆变器[J].中国电机工程学报,2014,34(9):1327-1336.

[2] Hong F,Liu J,Ji B,et al.Interleaved dual buck full-bridge three-level inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(2):964-974.

[3] Yao Z,Xiao L.Two-switch dual-buck grid-connected inverter with hysteresis current control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(7):3310-3318.

[4] Sun P,Liu C,Lai J S,et al.Cascade dual buck inverter with phase-shift control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(4):2067-2077.

[5] 侯世英,邹学伟,张立帅,等.双 Buck 逆变器的双环滑模控制策略[J].电力自动化设备,2014,34(11):100-106.

[6] Cai F,Lu D,Lin Q,et al.Control Strategy Design of Grid-Connected and Stand-Alone Single-Phase Inverter for Distributed Generation[J].Journal of Power Electronics,2016,16(5):1813-1820.

[7] 蔡逢煌,郑必伟,王武.结合同步锁相的光伏并网发电系统孤岛检测技术[J].电工技术学报,2012(10):202-206.

ThreeLevelDual-buckGrid-connectedInverterwithPredictiveCurrentControl

DUWei

(Xiamen Kehua Hengsheng Co.,Ltd.,Xiamen 361000,China)

Three level dual-buck inverters with the characteristics of high efficiency and high reliability have been widely used in the field of new energy power generation,uninterrupted power supply and so on.Aiming at the variable-frequency hysteresis current controlled three level dual-buck inverter,the width of harmonic spectrum and the difficult design of output filter;and the parameters design is complex and the debugging period is long with the constant frequency PI control.An improved predictive current control method with constant switching frequency is proposed to realize the three level dual-buck grid-connected inverter.The harmonic spectrum is fixed and easy to filter of the constant switching frequency;the improved predictive current control is combined with the proportion and the prediction,and only needs to adjust the proportion parameters,which simplifies adjustment period of the parameter.Finally,the feasibility of the proposed design method is verified by the simulation and experimental results.

Dual-Buck inverter;predictive current control;gird-connected;three level

1004-289X(2017)02-0021-05

TM46

B

2016-12-08

杜伟(1983-)，男，汉，硕士，工程师，研究方向为电力电子技术。