结合五电平逆变和功率前馈的光伏并网系统

张勤进， 刘彦呈， 王 川

(大连海事大学轮机学院， 大连 116026)

结合五电平逆变和功率前馈的光伏并网系统

张勤进， 刘彦呈， 王 川

(大连海事大学轮机学院， 大连 116026)

针对传统单相光伏并网系统中逆变器输出的并网电流谐波畸变率高、动态响应速度慢的缺点，提出一种主拓扑电路的改进方法，在直流母线与全桥逆变电路之间添加辅助电路，组成五电平全桥逆变器，再配合多载波脉宽调制PWM(pulse width modulation)技术，使逆变器具有五级电压输出，从而降低并网电流的谐波含量。同时在传统的控制方法中引入了功率前馈算法，将光伏电池输出功率作为前馈量加入电流内环，使电流环的给定值含有输入功率的信息，提高了并网电流对输入功率发生变化时的响应速度。仿真实验验证了该文提出方法的有效性。

光伏并网逆变器； 五电平逆变； 多载波脉宽调制； 功率前馈； 总谐波畸变率

能源短缺和温室效应是当今世界面临的两项重大问题，如何优化能源结构，改善能源效率和发展可再生能源已成为世界各国可持续性发展的关键。太阳能以其卓越的优势，越来越成为人们关注的焦点[1，2]。作为光伏并网发电技术的重要设备，光伏并网逆变器是太阳能应用研究的一个热点，研究新型的拓扑结构和控制方法[3～8]已经成为了重点。

光伏并网发电系统主要由光伏阵列、DC/DC升压电路、逆变器、滤波电路及电网构成。其中逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部分，它主要实现了将直流电转换为交流电并注入电网的功能。如今，并网逆变器的研究主要集中在两个方面：一是低污染，即降低并网电流的谐波畸变，提高功率因数；二是高稳定性，即提高系统的动态响应速度和安全性。针对单相光伏并网系统，文献[3]提出了一种基于多级逆变的光伏电能转换系统，其光伏阵列由多块或串或并的太阳能电池板组成，通过分级模块实现了多级直流母线电压，但造成了输入功率的损耗；文献[4]提出在全桥逆变电路的前一桥臂中点与直流母线中点加两路双向可控开关，从而实现多级逆变；文献[5]提出在全桥电路输出侧加入两支有源开关管和分压电容组，通过适当控制保证并网电流的低污染，其控制方法较为复杂。文献[6]提出了一种基于输入功率前馈控制的并网逆变控制算法，能够有效提高系统的动态响应速度，但算法中关于指令电流的获取与实际偏差较大。

本文针对上述几种电路及控制方法的不足，改进了传统单相光伏系统的主电路拓扑，并在此基础上提出了基于五电平逆变与功率前馈控制算法相结合的单相光伏并网控制策略。采用五电平逆变，将光伏系统中的直流母线电压逆变为多级脉冲电压，从而能够改善并网电流的输出波形，降低电磁干扰；功率前馈算法的代入能够有效提高输出电流在外界环境发生变化时的响应速度，使系统的动态响应性能更加优越。

1 改进的拓扑结构及其工作原理

1.1 改进电路的构成

传统单相逆变单元采用双桥臂，其输出的电流畸变率较高，本文改进了文献[4]提出的五级电平全桥逆变器。如图1所示，用辅助电路替代两路双向可控开关，降低了控制的复杂性及开关管的导通损耗。整个并网电路由光伏阵列、DC/DC变换器、直流母线、辅助电路、全桥逆变器及升压变压器组成。

图1 改进的单相光伏并网系统主电路

1.2 工作原理

图1中，直流母线端采用了两个相同大小的电容C2和C3进行分压，电容两端电压均为Ud/2。辅助电路的功能就是通过S2的导通与否来控制全桥电路前一桥臂中心点的电压，再配合全桥电路中的晶闸管S3～S6，即可控制逆变器输出电压的大小。晶闸管的有效导通状态如表1所示。

表1 通过S2～S6的通断状态决定输出电压

由上表可知，逆变器的有效输出为±Ud/2、±Ud、0五种电平状态，这就是五电平逆变的本质。为了保证功率始终是由光伏阵列流向电网，逆变器的输出电压Vinv必须大于电网电压Vg，因此采用了比率为1∶2的升压变压器，Vg必须满足以下公式：

(1)

这里滤波电感Lf用来平滑并网电流，使其输出低谐波的正弦电流。

2 多载波PWM技术及五电平逆变的实现

如图2所示，将一个周波的正弦电压分为4个部分。通过分析，每部分所对应的高低电平共有5个状态，分别为±Ud/2 、±Ud、0，在每个部分中可以分别进行PWM调制，再将调制结果相加，其调制方法如图3所示，参考正弦信号将分别与4条同频的三角波进行比较，从而得到开光管S2，S3，S4，S5，S6的触发脉冲。

图2 多级逆变输出状态分区

(a) PWM产生原理

(b) S2～S6触发脉冲

这里定义五电平逆变器的调制参数为Ma：

(2)

其中，Ac为载波的峰值，Am为参考正弦波的峰值。根据以上所述PWM调制原理，Ma的值应当在1和2之间。当Magt;2时，参考正弦波将超出4个部分，产生过调制，并网电流中会产生大量谐波污染；当Malt;1时，整个波形只能分为两个部分，五电平逆变将失去意义。Ma选取不同的值时，逆变后开路电压的波形情况如图4所示。

(a) Ma=1.5

(b) Ma=2.2

(c) Ma=0.7

3 单相光伏并网系统控制策略及实现

图5为改进的单相光伏并网系统的控制结构图，根据主电路的结构，控制部分可分为两个独立的环节。MPPT控制器配合Boost升压电路，根据光伏阵列输出电流和电压的变化，通过控制PWM信号的占空比来调节光伏电池的输出功率保持最大。并网控制环节中，本设计除采用电流内环实现并网电流同相位运行，还采用了输出功率前馈算法用于提高系统的动态响应特性。

图5 改进的单相光伏并网系统控制结构图

3.1 光伏阵列模型的建立及MPPT的实现

一般来说，太阳能光伏阵列是由很多太阳能电池板组成的，而每一个太阳能电池都是由同一半导体基体上的多个串、并联的PN结构成。在光照条件下，如果有外电路与电池相连，就会形成稳定的电流。太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等多重因素的影响，此外光伏电池的工作电压和工作电流还受负荷电阻的影响，不同的负荷电阻与特性的交点确定了不同的工作电流和工作电压。所以当外界环境变化时，控制好负荷电阻的变化就可以保证输出电流和电压的乘积保持最大，也就是说可以通过改变负载电阻跟踪最大功率点[9]。对于图1所示的系统，DC/DC变换器采用了Boost斩波电路，通过控制S1的占空比D即可改变整个系统的等效阻抗，从而实现最大功率点跟踪。

图6 MPPT算法流程图

图1中，Ui和Uo是DC/DC变换器的输入和输出电压，Ii是输入的平均电流，假定Boost电路以后部分的等效阻抗为R2，D为S1的占空比且所有元件均为理想元件，则可得到以下关系：

Uo=Ui/(1-D)

(3)

(4)

令

Req=Ui/Ii

(5)

由式(1)～(3)可得：Req=(1-D)2R2。由此可知Boost电路及负载组成的等效阻抗Req，其大小由占空比D和负载R2决定。当负载R2不变的情况下，通过改变占空比D的大小就可以使Req等于光伏电池的等效内阻，从而获得太阳能电池的最大功率输出。

本文利用Simulink建立了光伏电池的行为模型，即根据电池的外特性拟合出相应的电压与电流关系曲线，并采用了电导增量法作为MPPT的控制算法[9，10]，算法流程图如图6所示。

3.2 带功率前馈算法的并网控制策略

单相光伏发电并网系统本质上是一个电流控制电压型逆变器(VSI)，将光伏阵列输出功率与直流母线电压相除的结果作为给定电流的峰值，再与由锁相环PLL获得的电网电压相位信息相乘作为电流内环的给定，与输出电流比较后经过PI控制器输出，最后由PWM发生器产生控制信号。

对于传统的光伏并网系统，当光伏电池的输出功率变化时，并网电流的动态响应速度比较慢。因此本文在传统的闭环系统基础上设计了一种基于功率前馈的控制算法，使得交流侧输出能够更快地随光伏阵列输出功率的变化而变化，其控制结构如图5所示。

假设主电路中的元件均为理想元件，那么并网回馈到电网的功率就应该为光伏电池的输出功率Ppv与并网回路中损耗的功率之差，根据公式

(6)

可以求得并网侧最大输出电流的峰值IR：

(7)

式中：Ugf为电网电压的峰值，Req为逆变器侧等效阻抗。将IR与电网电压相位信息的乘积作为电流内环的给定值，与并网电流iac的瞬时值进行比较，两者的差值经并网电流控制环节和PWM信号发生器输出PWM信号驱动五电平全桥逆变器。

通过本文所设计的功率前馈控制算法，在输入功率与输出电流之间建立了直接联系。当输入功率发生变化的时候，不需要前级DC/DC变换器和电压外环的处理，直接将输入功率变化信息传递给并网电流控制环节，提高了整个光伏并网系统对光伏阵列输出功率变化的动态响应性能。

4 仿真实验及分析

为验证上述控制方法的有效性，在Matlab/Simulink环境下对基于多载波PWM技术和功率前馈控制算法的单相光伏并网系统进行了建模仿真，系统总体仿真模型如图7所示。

图7 系统仿真模型

根据表2所示的PV参数，建立了光伏电池的行为模型，并利用电导增量法实现最大功率跟踪，从而使光伏阵列获得了较好的输出电压、输出电流及输出功率。在标准温度及光照条件下，光伏阵列的输出电压稳定在280V左右，工作电流在14A附近，输出功率约为3900W。

图8中，针对本文改进的单相光伏并网系统与传统的单相光伏系统，就输出的并网电流进行了比较。

表2 单相PV并网仿真参数

(a) 传统光伏并网系统

(b) 改进光伏并网系统

如图8所示，图(a)是传统光伏并网系统的输出电流，通过FFT分析，可求的其谐波畸变率为5.99%，图(b)是本文改进系统的输出电流，其谐波畸变率为2.36%。由此可以证明本文提出的基于多载波PWM技术的改进型五电平逆变电路的有效性。

本文还基于改进后的拓扑结构，分别对无功率前馈控制环节和有功率前馈控制环节的系统进行了仿真研究，其仿真结果如图9所示。

(a) 无功率前馈环节

(b) 有功率前馈环节

在0.2 s时，光照强度由1000 W/m2变为600 W/m2，此时系统的输出功率将减少。从图9的仿真结果可以看到未加功率前馈环节时，系统需要2～3个周波才能趋于稳定；而有功率前馈环节时，系统只需0～1个周波就可趋于稳定。由此可以证明本文所设计的控制算法能够有效地提高输出电流对输入功率变化的响应速度，从而提高整个系统的动态特性。

最后对本系统做总体性分析，仿真结果表明：本文改进的单相光伏并网系统，结合了五电平逆变电路和功率前馈控制算法，与传统的单相光伏并网系统相比，它能够明显地改善并网电流的电能质量，同时提高了系统的动态响应速度。

5 结语

本文改进了传统的单相光伏并网系统，提出由辅助电路和全桥逆变器构成的五电平全桥逆变策略；介绍了光伏阵列的输出特性以及两级能量变换环节的基本原理，建立了等效光伏模型，并利用电导增量法实现了不同环境下最大功率点的跟踪；在并网控制过程中还提出一种基于功率前馈的并网电流控制算法，并对其原理进行了分析。最后通过仿真比较，本文所提并网控制策略能够有效提高输出电能的质量，且具有更好的动态特性。

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张勤进(1986-)，男，博士研究生，主要从事光伏并网发电、电能质量监控技术方面的研究。Email:zqj18@yahoo.com.cn

刘彦呈(1963-)，男，教授，博士生导师，主要从事智能电气与控制网络、机电检测与自动化技术等方面的研究。Email:liuyc3@126.com

王 川(1985-)，男，助教，博士研究生，主要从事电力系统建模与仿真、故障诊断等方面的研究。Email:chuanwang0101@163.com

Grid-connectedPVSystemontheCombinationofFive-levelInverterandPowerFeed-forward

ZHANG Qin-jin， LIU Yan-cheng， WANG Chuan

(Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In the traditional single-phase grid-connected photovoltaic (PV) system, the output grid-current has the shortcomings of high THD (total harmonic distortion) and slow dynamic response. In this paper, an improved method on the inverter is proposed to solve these problems. The improved inverter, which is called five-level inverter, is composed of full-bridge circuit and auxiliary circuit. Applying the multi-carrier PWM(pulse width modulation)technology, the output voltage of the inverter is produced in five levels. This method can reduce the THD of the grid current. At the same time, the control method is optimized with the power feed-forward algorithm. The output power information of PV arrays is added to the current close-loop as a feed-forward, which improves the grid-current's dynamic response to the changes of input power. In the end, simulation proves the effectiveness of the proposed method.

grid-connected PV(photovoltaic)inverter； five-level inverter； multi-carrier PWM(pulse width modulation)； power feed-forward； total harmonic distortion(THD)

TM615

A

1003-8930(2012)06-0052-06

2011-10-24；

2011-11-30

大连市科技攻关项目