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一种在不平衡电网运行下具有解耦有功与无功功率控制及直流链电压纹波最小化的三相四桥臂中点钳位型光伏逆变器
A Three-Phase Four-Leg Neutral-Point-Clamped Photovoltaic Inverter With Decoupled Active and Reactive Power Control and DC-Link Voltage Ripple Minimization Under Unbalanced Grid Operation
| 作者 | Supratik Bhowmick · Debranjan Mukherjee · Tuhin S. Basu · Chandan Chakraborty |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | 光伏逆变器 三电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 三相四桥臂逆变器 光伏 直流链电容电压平衡 不平衡电网 控制策略 |
语言:
中文摘要
本文分析了一种基于三相四桥臂三电平中点钳位的光伏(PV)逆变器在接入不平衡电网时的性能。光伏电源端通过一个三电平直流 - 直流升压转换器连接到逆变器的直流母线,该转换器有助于控制各个直流母线电容电压。本文提出了一种基于空间矢量控制的电压平衡策略,用于在电网不平衡运行时平衡各个直流母线电容电压。此外,还深入研究了各相电流的幅值和相角,以了解它们对电网电压不平衡百分比的依赖关系,从而确定在给定不平衡条件下,任何特定桥臂所能允许通过的最大电流。随后提出了一种利用升压转换器最小化各个直流母线电容电压纹波的控制方法,该方法可确保在有限的中性线电流运行条件下,电容不会出现电压过冲。在基于实验室的缩小比例实验样机上实现了光伏并网发电系统,以验证上述论断并证实所提出控制技术的有效性。
English Abstract
This article analyzes the performance of a three-phase four-leg three-level neutral-point-clamped-based photovoltaic (PV) inverter, which is connected to an unbalanced grid. The PV source terminals are connected to the dc link of the inverter through a three-level dc–dc boost converter, which helps in controlling the individual dc-link capacitor voltages. In this article, a space-vector-control-based voltage balancing strategy is introduced for balancing the individual dc-link capacitor voltages under unbalanced grid operation. In addition, the amplitude and phase angle of individual-phase currents are thoroughly studied to understand their dependence on the percentage of unbalancing in the grid voltage and, therefore, to decide the maximum allowable current that can flow through any particular phase leg under a given unbalancing condition. A control method for minimizing voltage ripple of the individual dc-link capacitors using the boost converter is then proposed, which ensures that the capacitors do not persist any voltage overshoot under limited neutral current operation. The PV-generated grid-tied system is implemented on a scaled-down laboratory-based experimental prototype to validate the aforementioned claims and substantiate the efficacy of the proposed control techniques.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的三相四桥臂三电平中点��钳位型光伏逆变器技术具有重要的应用价值。该技术针对电网不平衡运行工况下的关键痛点,提供了系统性的解决方案,与我司在分布式光伏和复杂电网环境下的产品需求高度契合。
技术核心价值体现在三个层面:首先,四桥臂拓扑结构能够独立控制中性点电流,这对于我司在欧洲、东南亚等电网质量欠佳地区的市场拓展至关重要,可显著提升逆变器在不平衡工况下的适应性。其次,论文提出的有功无功解耦控制策略与空间矢量电压平衡方法,能够在电网不平衡度达20-30%时仍保持稳定运行,这将增强我司产品在弱电网场景下的竞争力。第三,通过Boost变换器实现的直流侧纹波抑制技术,可有效延长电解电容寿命,降低系统维护成本,符合我司"高可靠、长寿命"的产品定位。
从技术成熟度评估,三电平NPC拓扑已在我司中大功率产品线中得到验证,但四桥臂结构会增加约15-20%的器件成本和控制复杂度。建议在工商业分布式场景和微电网应用中优先试点,特别是针对三相负载严重不平衡的工业园区。技术挑战主要集中在中性点电流的精确控制算法优化和多目标协同控制策略的工程化实现。
该技术与我司储能变流器产品线存在协同效应,四桥臂拓扑的控制经验可迁移至储能系统的不平衡补偿功能开发,为构建"光储一体化"解决方案提供技术储备,建议启动预研项目进行深度评估。