基于級聯(lián)式逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應用研究

0引言

隨著國際上對于清潔能源的要求越來越高，我國逐漸開始加大光伏發(fā)電等清潔能源在整個電網(wǎng)發(fā)電中的比重。光伏并網(wǎng)技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能板、DC-DC升壓電路、逆變器、用戶（電網(wǎng)）等組成。目前，大多數(shù)逆變器采用傳統(tǒng)的單級式或多級式，基于這些形式下的太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在著如下不足：并網(wǎng)逆變器中開關管的工作頻率較高，損耗較大；逆變器工作需要足夠的直流電壓，這需要多個光伏電池串聯(lián)起來以達到電壓等級的要求，同時，逆變器開關管承受的du/dt較大，整個系統(tǒng)的可靠性下降。采用級聯(lián)式逆變器就可以很好解決這些傳統(tǒng)方式下的不足，本文旨在探討級聯(lián)式逆變器在光伏并網(wǎng)中的特點以及基于級聯(lián)式逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真研究。

1基于級聯(lián)式逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.1級聯(lián)式逆變器的結(jié)構(gòu)

1988年日本學者M.Marchesoni等人在PESC年會上提出了基于H橋級聯(lián)的多電平逆變電路結(jié)構(gòu)。該種電路結(jié)構(gòu)以多電平階梯波來模擬逼近正弦波，從而可以提高輸出電壓的等級，同時減小高次諧波含量。圖1是三相四級級聯(lián)電路的拓撲結(jié)構(gòu)圖。從圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu)分析可以得知：逆變H橋直流測電壓為UDC時，單級H橋輸出有UDC，0以及-UDC三種電平，則N級級聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出共有2N+1種電平。這種多電平結(jié)構(gòu)使得級聯(lián)式逆變器具有如下幾個優(yōu)點：各個模塊相對獨立，可以方便進行更換或擴展成更高電壓等級；各個模塊的開關器件（IGBT）承受電壓相對普通逆變器要低，系統(tǒng)的可靠性增加。

1.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

基于級聯(lián)式逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中前級為太陽能電池板和DC—DC升壓電路（BOOST）電路，后級為多個H橋（DC-AC）級聯(lián)而成的逆變器，其輸出通過網(wǎng)側(cè)濾波器與電網(wǎng)相連。

圖2中光伏電池提供各個部分的獨立直流電源，DC—DC電路對光伏電池電壓升壓并完成實現(xiàn)最大功率跟蹤控制，DC-AC電路完成實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位一致。在本文光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模中，級聯(lián)逆變器輸出通過濾波電感與電網(wǎng)相連，在一定控制方式下，完成實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位一致（功率因素為1），使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)。2光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

結(jié)合單級光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略以及級聯(lián)式逆變器控制策略兩者的特點，為獲得與電網(wǎng)側(cè)同相位的并網(wǎng)電流，前級DC-DC電路對光伏電池電壓升壓并實現(xiàn)最大功率跟蹤控制，后級DC-AC電路采用階梯波控制和電流環(huán)控制的混合控制策略。在這種策略控制下的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位保持一致，并能實現(xiàn)最大功率跟蹤。限于篇幅，前級的最大功率跟蹤控制本文將不作介紹，本文重點介紹級聯(lián)式逆變器部分的控制策略。

2.1基于階梯波控制的PWM載波調(diào)制控制

對于級聯(lián)式逆變器部分的控制系統(tǒng)，文獻提出一種高效PWM載波控制方式，此方式是基于階梯波控制的前提下形成。PWM載波控制策略是：前3級采用階梯波控制，第4個H橋引入PWM方式。具體操作為：前3個H橋輸出的波形疊加后形成階梯波，以電網(wǎng)側(cè)理想正弦波減去疊加的階梯波作為第4個H橋的調(diào)制波，調(diào)制波與傳統(tǒng)三角載波進行比較，確定第4個H橋的PWM控制。這種PWM載波控制方式比4個H橋都使用階梯波控制方式效果更好。圖2所示系統(tǒng)中，前3個H橋采用的階梯波控制是利用級聯(lián)式多電平結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)控制。圖3以三級級聯(lián)電路為例說明，在導通角分別為θ1，θ3，θ5時，控制3個H橋依次導通，輸出電壓逐級增加，且波形對稱分布。導通角度的計算可以采用面積等效法進行計算獲得，也就是以階梯波與橫軸的面積等于正弦波與橫軸的面積為準則。如果計算得到的導通角為θ1，θ3，θ5，在正半周期內(nèi)，在[θ1，π-θ1]，[θ3，π-θ3]，[θ5，π-θ5]區(qū)間3個H橋分別導通輸出正向電壓。負半周期導通方式與正半周期類似，輸出負電壓疊加，其余時間各H橋則輸出零電壓。

2.2電流環(huán)捏制

前文介紹了前3個H橋的控制方式，為了保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位一致，需在第4個H橋引入電流環(huán)控制。如圖2所示的級聯(lián)式逆變器電流環(huán)控制系統(tǒng)中：前級DC-DC電路的最大功率跟蹤控制決定直流側(cè)電壓參考值UDC（ref），此參考值與實際直流側(cè)電壓值UD的差值通過PI調(diào)節(jié)器決定并網(wǎng)電流的幅值指令，該幅值指令與電網(wǎng)電壓的相位正弦值sinωt相乘，得到電流調(diào)節(jié)器的參考值（Iref），此參考值與實測電流值誤差通過電流控制器得到的PWM信號，再通過驅(qū)動電路去控制第4個H橋的開關管，電流控制器是基于PR調(diào)節(jié)器進行設計而得到的。級聯(lián)式逆變器電流環(huán)控制流程圖如圖4所示，其中電流控制器部分的設計思路為：電流參考值與實測電流值誤差通過PR調(diào)節(jié)器得到的信號，與電網(wǎng)側(cè)電壓以及前3級輸出疊加階梯波電壓的運算值作為第4個H橋的調(diào)制波信號，然后將此信號與三角載波比較生成的PWM信號來控制第4個H橋的開關管。圖4中PR調(diào)節(jié)器采用其改進形式為：

選擇PR調(diào)節(jié)器的好處是：選擇合適的參數(shù)（ωc）得到更好地控制調(diào)節(jié)器性能，對于ωc的選擇，可以得到不同的基頻處增益，以滿足對于穩(wěn)定性的要求。

3基于級聯(lián)式逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真研究

本文仿真是基于級聯(lián)式逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真。Matlab版本為Matlab R2012a，基于上文所描述的控制方式，通過選擇合適的參數(shù)進行仿真。部分參數(shù)的選擇為：并網(wǎng)電感4 mH，PR調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇為：KP=0.2，ω=314 rad/s，KI=20，ωc=10，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)比例系數(shù)取0.4，假設標準光照環(huán)境下光伏電池DC取36 V，DC-DC升壓電路占空比取0.64.主電路采用4級級聯(lián)的方式，電網(wǎng)有效值220 V，頻率50 Hz.設定強弱光照下并網(wǎng)電流參考值幅值分別為30 A，20 A，得到的仿真波形分別如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以得知：在此種控制方式下，不管光照強度如何，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位，能夠進行并網(wǎng)，驗證了前文所述控制方式的可行性。

4結(jié)語

級聯(lián)式逆變器其輸出的波形接近正弦波，具有更小的諧波，采用階梯波控制與電流環(huán)控制方式能夠在強弱光照下進行很好的并網(wǎng)。Matl ab/Simulink仿真分析驗證此種方法的正確性。同時由于多個獨立電源的串聯(lián)，開關管的耐壓與du/dt只取決于與之并聯(lián)的直流電源，將會減小。這些都能很好地解決傳統(tǒng)的單級式或多級式太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上一些不足，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。