单相级联H桥多电平光伏并网逆变器控制方法*

邓永艳　龚世缨

(1.金盘电气有限公司　海口　541004)(2.华中科技大学电气学院　武汉　430074)



单相级联H桥多电平光伏并网逆变器控制方法*

邓永艳1龚世缨2

(1.金盘电气有限公司海口541004)(2.华中科技大学电气学院武汉430074)

级联H桥多电平逆变器的效率高、电流谐波小,易于扩展和模块化。各H桥直流侧的独立电源便于由论伏组件提供,这些优点使其在光伏并网发电系统中的应用引起重视。由于各级PV组件在不同的最大功率点运行,造成功率不平衡从而产生直流侧电压波动。另外,由于各个功率单元相串联,输出同一个并网电流,因此不可能由电流环直接去控制各个功率单元的直流侧电压。本文分析了单相级联H桥多电平光伏并网逆变器控制方法,将各单元直流侧电压与参考电压偏差之和经调节后转换为输出电流参考值,再采用可变调制系数抑制直流环节电压漂移。仿真结果证明了这种扩展方法是有效的。

单相级联H桥多电平逆变器; 光伏发电系统；并网电流；直流侧电压漂移

Class NumberTM762

1　引言

光伏是取之不尽的清洁可靠能源。随着器件价格下降、国家扶持政策的激励机制以及能源结构的变化,光伏市场前景愈加广阔。光伏发电正在向高压大容量方向发展。

并网型光伏发电系统主要有光伏屋顶发电和光伏地面电站。前者优点是可以与建筑物已有的供电线路并网,构成分布式供电系统。后者建在空旷的场地上,与高压电网相联接。

大型并网光伏地面发电系统的容量在MWp级以上,目前一般都是采用分块发电、集中并网的方式。这种方式使用的逆变器容量小(几百千瓦～1兆瓦),出口电压低(400V左右),所需要的逆变器数量庞大,要用变压器升压,使得网络结构复杂、损耗大、成本高。因此,研制容量大、输出电压高、制造及运行成本低的大型光伏并网逆变器,由此来简化电路结构、提高运行可靠性、改善输出电能质量、增强对电网的适应性,是迫切需要解决的课题[1～3]。

级联H桥多电平逆变器由多个H桥单元串联而成。每个H桥的直流侧需要独立的直流电源,并且直流电压可控,这正好适合光伏阵列要求具有独立MPPT的特点。当有N个H桥级联单元时,输出电压的电平数为2N+1,谐波含量小。由于开关频率低和开关器件的电压应力低,效率和可靠性得到提高。另外级联H桥型逆变器不存在箝位二极管与箝位电容,有利于结构模块化和容量扩展[4]。

由于光照不均匀、环境温度不一致以及光伏阵列性能差异,每级光伏阵列需要采用独立的MPPT控制,于是每级的直流侧就有不同的功率输出,将造成直流母线电压发生波动。由此影响了输出电能质量,降低了运行可靠性。 因此,必须采取一定的控制策略来克服这种缺陷[5～6]。

2　级联H桥多电平光伏并网逆变器主电路结构

级联H桥大功率光伏并网逆变器单相电路如图1所示,三相电路的结构完全相同。图中,PV为独立MPPT的光伏阵列。为了获得较高电压和大电流,PV由多个光伏组件串、并联而成,每级的PV模块数相同。C1,…,Cn为各级直流侧滤波电容。功率单元的输出级为H桥逆变器,各个逆变器输出端相串联后构成无变压器高压大电流输出。RS表示回路的损耗电阻,LS为连接电抗器,用来减少并网电流中的谐波。

由图1可知,级联H桥多电平光伏并网逆变器交流侧输出电压vc为各个功率单元输出交流电压之和,即

vc=vc1+vc2+…+vcn

(1)

忽略回路电阻影响,电压平衡方程式为

(2)

式(2)说明,通过控制光伏并网逆变器输出电压vc就可以控制并网电流。

图1　级联H桥多电平光伏并网逆变器主电路拓扑

3　控制方法

3.1并网电流及输出电压控制

3.2最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracking, MPPT)

常见的MPPT方法有恒定电压跟踪法(constant voltage tracking, CVT)、扰动观察法(perturb and observe, P&O)、神经网络算法(neural network algorithm)、粒子群优化算法(particle swam optimization algorithm)等。其中扰动观察法用的较多[8～9]。

扰动法是扰动光伏组件的端电压,计算当前采样周期内光伏组件的输出功率,并与上一个周期的输出功率相比较,若扰动后输出功率增加,说明此前的扰动能提高光伏组件的输出功率,下一个周期继续向相同方向扰动输出电压。否则,向相反方向扰动输出电压,降低光伏组件输出功率。该方法操作简单、易于实现。由于该方法是利用前后两点的功率大小来进行判断的,当太阳辐射强度发生变化时可能造成误判,使MPPT失败。本文采用导钠增量法(Incremental Conductance,IncCond)。

图2　控制系统结构框图

图3　光伏电池I-V特性

图4　MPPT控制流程

3.3单相PLL实现方法

为了进行单位功率因数控制,需要获得电网电压的相位。 对于三相对称系统,采样三相电压的瞬时值,就可计算出其幅值和相位,通常用锁相环(PLL)来实现[10]。

图5　单相系统锁相环结构框图

图5中,基于二阶广义积分器(Second Order Generalized Integrator, SOGI)的虚拟正交信号算法的结构如图6所示。

图6　虚拟正交信号算法框图

图6中,ω0为谐振频率。由图5可以得到

(3)

(4)

ks为变量,其大小将影响增益和带宽。经仿真后,当ks=0.75对谐波抑制效果较好。

由式(3)、(4)可得到频率特性如图7所示。

图7　单相锁相环的频率特性

由图7幅频特性的可以看出,在谐振频率处ω0=3.14rad/s,幅值增益为1,当ω≠ω0时,值增益小于1,说明电压谐波得到衰减,抑制了谐波对系统的干扰。由图7相频特性可以看出,在谐振频率ω0=314rad/s处,v′以及qv′分别与v相差0°和90°,得到了两个正交信号。

3.4直流侧电压波动控制

图8　直流侧电压波动控制框图

4　仿真结果

为了验证所提出方法的有效性,建立了单相级联H桥多电平光伏并网逆变器仿真模型。仿真模型参数为：功率单元数N=2,直流侧电压40V,直流环节电容3500μF连接电抗器18mH,三角载波频率1kHz,交流侧电压65V。

图9是不同辐射下两个功率单元的参考正弦波,其中光伏组件Vp1的辐射是1000W/m2,环境温度25℃。光伏组件Vp2的分别是800W/m2,环境温度25℃。

图9　不同辐射下的参考电压

5　结语

本文分析了单相级联H桥多电平光伏并网逆变器控制方法,其中采用导钠增量法实现MPPT控制、用各单元直流侧电压与最大工作点电压差值之和作为并网电流的控制值、利用虚拟正交信号算法构造单相PLL、通过实时改变调制系数来抑制直流侧电压漂移。仿真结果说明了所提出控制方法的可行性。

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Control Method of Single-phase Cascaded H-bridge Multilevel Converter for Grid Connection of Photovoltaic Systems

DENG Yongyan1GONG Shiying2

(1. Jinpan Electric CO.,LTD., Haikou541004) (2. School of Electrical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074)

The cascaded H-bridge multilevel converter has attracted much attention in grid-connected photovoltaic applications. The main reason is that each H-bridge needs isolated DC-sources, which can be easily given by PV modules. The converter structure has high efficiency, low current harmonic, and is very flexible and modular. Since the PV strings operate at different maximum power points, there is an inherent power imbalance that can produce voltage drift of the DC-links. Moreover that all the cells have the same circulating current, hence it is not possible to implement an independent grid current control loop to control each DC-link voltage. In this paper a control method for single-phase cascaded H-bridge multilevel converter for grid connection of photovoltaic systems is analyzed. Each DC-link voltage is compared to the corresponding voltage reference, and the sun of the errors is controlled through a PI controller that determines the grid current provided by the multilevel converter. The proposed control idea to overcome the drift problem in DC-link voltage, is to compensate in the modulation stage by changing the modulation index. Simulation results are presented to support the control method.

single-phase CHBMC, PV system, grid current, DC voltage drift

2016年3月5日,

2016年4月27日

邓永艳,女,工程师,研究方向：特种变压器、电力电子技术及电机控制。龚世缨,男,硕士,教授,研究方向：电力电子技术及电机控制。

TM762DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.09.049