基于級聯式逆變器在光伏并網系統的應用研究

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發(fā)電中的比重。光伏并網技術是光伏發(fā)電系統的核心技術之一，光伏發(fā)電系統主要由太陽能板、DC-DC升壓電路、逆變器、用戶（電網）等組成。目前，大多數逆變器采用傳統的單級式或多級式，基于這些形式下的太陽能光伏并網系統在結構上存在著如下不足：并網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，整個系統的可靠性下降。采用級聯式逆變器就可以很好解決這些傳統方式下的不足，本文旨在探討級聯式逆變器在光伏并網中的特點以及基于級聯式逆變器的光伏并網系統的Matlab/Simulink仿真研究。

1基于級聯式逆變器的光伏并網發(fā)電系統

1.1級聯式逆變器的結構

1988年日本學者M.Marchesoni等人在PESC年會上提出了基于H橋級聯的多電平逆變電路結構。該種電路結構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是三相四級級聯電路的拓撲結構圖。從圖1所示的拓撲結構分析可以得知：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級級聯結構輸出共有2N+1種電平。這種多電平結構使得級聯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，系統的可靠性增加。

1.2光伏并網發(fā)電系統的拓撲結構

基于級聯式逆變器的光伏并網系統的拓撲結構如圖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）級聯而成的逆變器，其輸出通過網側濾波器與電網相連。

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最大功率跟蹤控制，DC-AC電路完成實現并網電流與電網電壓相位一致。在本文光伏并網系統建模中，級聯逆變器輸出通過濾波電感與電網相連，在一定控制方式下，完成實現并網電流與電網電壓相位一致（功率因素為1），使系統能夠實現并網。2光伏并網系統的控制策略

結合單級光伏并網系統控制策略以及級聯式逆變器控制策略兩者的特點，為獲得與電網側同相位的并網電流，前級DC-DC電路對光伏電池電壓升壓并實現最大功率跟蹤控制，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系統，并網電流與電網電壓相位保持一致，并能實現最大功率跟蹤。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載波調制控制

對于級聯式逆變器部分的控制系統，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，以電網側理想正弦波減去疊加的階梯波作為第4個H橋的調制波，調制波與傳統三角載波進行比較，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所示系統中，前3個H橋采用的階梯波控制是利用級聯式多電平結構特點實現控制。圖3以三級級聯電路為例說明，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，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，為了保證并網電流與電網電壓相位一致，需在第4個H橋引入電流環(huán)控制。如圖2所示的級聯式逆變器電流環(huán)控制系統中：前級DC-DC電路的最大功率跟蹤控制決定直流側電壓參考值UDC（ref），此參考值與實際直流側電壓值UD的差值通過PI調節(jié)器決定并網電流的幅值指令，該幅值指令與電網電壓的相位正弦值sinωt相乘，得到電流調節(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調節(jié)器進行設計而得到的。級聯式逆變器電流環(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調節(jié)器得到的信號，與電網側電壓以及前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調節(jié)器采用其改進形式為：

選擇PR調節(jié)器的好處是：選擇合適的參數（ωc）得到更好地控制調節(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基于級聯式逆變器光伏并網系統的仿真研究

本文仿真是基于級聯式逆變器光伏并網系統的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進行仿真。部分參數的選擇為：并網電感4 mH，PR調節(jié)器參數選擇為：KP=0.2，ω=314 rad/s，KI=20，ωc=10，PI調節(jié)器參數比例系數取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級級聯的方式，電網有效值220 V，頻率50 Hz.設定強弱光照下并網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，并網電流與電網電壓同相位，能夠進行并網，驗證了前文所述控制方式的可行性。

4結語

級聯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。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，開關管的耐壓與du/dt只取決于與之并聯的直流電源，將會減小。這些都能很好地解決傳統的單級式或多級式太陽能光伏并網系統結構上一些不足，提高系統的穩(wěn)定性和效率。