局部阴影条件下基于MMC换流器的光伏并网

罗诚安，于惠钧，李 林，闵 婕

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

局部阴影条件下基于MMC换流器的光伏并网

罗诚安，于惠钧，李 林，闵 婕

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

提出了局部阴影条件下基于模块化多电平（MMC）的光伏并网系统，并设计了该系统的控制策略。光伏阵列经DC-DC变换电路调节后并入电压源型换流器，构成子模块PSM，子模块PSM和电抗器串联组成MMC。控制系统包括启停控制、最大功率点控制以及并网控制。启停控制，在能量反馈阶段采用直流电压控制策略，在电容放电阶段采用三相同时放电策略；最大功率点跟踪控制采用扰动观测法。利用Matlab/Simulink对光伏并网系统进行仿真，仿真结果表明：该系统能提高太阳能利用率，降低并网输出波形的谐波含量，实现功率独立控制。

局部阴影；模块化多电平逆变器；光伏并网；最大功率点跟踪

0 引言

近年来，环境污染和能源枯竭的问题越来越严重，许多国家开始重视环保并积极地开发清洁能源。太阳能作为一种具有可再生性的清洁能源，成为了各国争相开发和研究的对象[1]。我国开发和利用太阳能、优化能源结构的步伐也在不断加快，并走在了世界前列。随着我国光伏产业的快速发展，太阳能发电的装机容量得到了大幅提升的同时，一些问题也相继显现出来，如发电效率和输出电压等级低等[2]。

当光照发生变化时，光伏阵列（photovoltaic array，PV）的性能、输出特性等都会随之变化。因此，国内外学者对局部阴影条件下最大功率点跟踪算法（maximum powerpoint tracking，MPPT）进行了大量研究[3-8]。文献[3]提出了一种新型的电感拓扑结构，在光照强度分配不均匀的情况下，零序电流和负序电流通过接在不同组件之间的电感实行分流，进而提高输出效率。文献[4]提出了一种基于干扰观测法的最大功率点跟踪算法，该算法提高了光电的转换效率和电力系统的动态稳定性。文献[5]研究了粒子群优化算法在光伏阵列多峰值的最大功率点跟踪控制中的应用，设计了一种具有较高鲁棒性的模糊控制器。文献[6]提出了在局部阴影条件下光伏阵列的最大功率跟踪算法，但是该算法实现较困难。

为了提高光伏发电系统的输出电压等级，学者们提出了逆变输出多电平电压，以此减小谐波，提高电能质量。文献[9]提出了一种基于MMC（modular multilevel converter）的光伏并网系统，但是该系统的造价过高，算法实现较难。文献[10]提出了基础MMC的光伏并网系统，将功率单元改为半桥式结构，实现了相近的控制，还增加了系统的稳定性。文献[11]提出了一种新的调制策略，该策略能实现MMC上下桥臂的平衡控制，很好地解决了级联式MMC应用于光伏并网系统的技术难题。

综上所述，本文提出了一种在局部阴影条件下基于MMC的光伏并网系统。本系统能在光照分配不均匀时实现光伏的最大功率点跟踪，提高了光能利用率；具有较高的电压等级，降低了光伏逆变输出对电网的谐波污染；实现了有功功率和无功功率的单独控制，并无需进行额外的无功补偿。

1 光伏并网系统

1.1 光伏并网系统的拓扑结构

本文所设计的光伏并网系统采用级联式模块化多电平（MMC）结构，如图1所示。MMC每相由上下2个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块PSM（photovoltaic array sub-module，PSM）和1个电抗器L串联组成[12]。

MMC子模块的结构如图2所示。图中，VSC（vehicle stability control）换流器是由2个绝缘栅双极型晶体管（T1, T2）、2个反向二极管（D1, D2）和1个电容C构成的半H桥结构。

在光伏并网系统中，PV经DC-DC变换电路进行升降压变换，以满足逆变时直流侧的电流要求；控制直流侧电压能实现光伏阵列的最大功率点跟踪；通过脉冲宽度调制技术（pulse width modulation，PWM）触发或关断子模块上的开关器件，控制子模块的投入或切出，以保证子模块的电压恒定、输出电压的稳定，实现功率的独立控制。本文所设计的光伏并网系统能实现交流侧的多电平输出、功率的独立控制，具有输出电压谐波小、输出效率高等优点。

图1 基于MMC的光伏并网系统的拓扑结构图Fig. 1 Topological structures of grid-connected PV system based on MMC

图2 子模块结构图Fig. 2 PSM structures

1.2 PSM的工作原理

通过调节上下桥臂的电压比率，同时串联叠加各子模块的输出电压，就可以在交流侧得到所期望的多电平电压。上下桥臂间电压比率是通过调整上桥臂PSM的投入运行模块数Np以及下桥臂PSM的投入运行模块数Nn来实现，即通过设置T1、T2的不同开关状态实现Np、Nn的控制。子模块PSM的工作状态分为3种情况。

1）闭锁状态

闭锁状态下，T1和T2同时处于关断状态。当系统处于初始状态或出现故障时，PSM会被强制闭锁，如图3所示。由图可知，上下桥臂的所有IGBT都处于关闭状态。当没有电流流进或流出PSM时，PV对电容进行充电。当有电流正向流入PSM时，子模块电流ipsm通过续流二极管D1和光伏阵列PV一起向电容充电；反之，ipsm通过反向二极管D2流出PSM，由光伏阵列产生的电流ipv对电容进行充电。

图3 闭锁状态时子模块的工作情况Fig. 3 Working condition of PSM in the lock-out state

2）投入状态

投入状态下，T1导通，T2关断，如图4所示。由图可知，如果电流ipsm是流入状态，则电流ipsm与光伏阵列产生的电流ipv共同向电容C充电（见图4a）。如果电流ipsm是流出状态，则当光伏阵列电流ipvipsm时，PV向电容充电，电容电压UC上升，PSM的输出电压为UC，投入工作的子模块PSM数量增加（见图4c）；当ipv=ipsm时，电容处于平衡状态，PV产生的电流通过T1流出子模块。

图4 投入状态时子模块的工作情况Fig. 4 Working condition of PSM in the input state

3）切出状态

切出状态下，子模块PSM的工作情况如图5所示。电流ipsm正向流入时，经T2流出，由PV向电容C充电；当ipsm为流出状态时，ipsm通过反向二极管D2流出，也是由PV向电容C充电，但投入工作的子模块数量减少。

图5 切出状态时子模块的工作情况Fig. 5 Working condition of PSM in the cut-out state

综合以上分析结果可以得知，只需要根据模块电流ipsm制定合理的控制方案，控制PSM中全控器件的开通及关断，即可使输出电压为最大功率点电压，从而实现光伏阵列的最大功率输出，控制功率的输入输出平衡。

2 控制策略

本文对MMC控制系统进行改进，设计了基于MMC光伏并网的控制策略。控制策略包括启停控制、最大功率点跟踪控制、并网控制。

2.1 启停控制

MMC装置的启动过程可以分为不可控阶段和可控阶段[11]。不可控阶段中，所有的子模块PSM都处于闭锁状态，模块化多电平结构近似的等效于三相六脉波的不可控电路。光伏阵列给电容充电，电流ipv达到最大值时，电容电压UC能达到Us（Us为交流输出端线电压的有效值）。进入可控阶段后，在光伏阵列和电流ipsm共同作用下继续向电容充电，充电电流i=ipv+ipsm。当UC达到额定值时，MMC进入正常工作状态。

MMC装置的停机一般分为正常检修停机和故障紧急停机。本文仅对正常检修停机进行分析。该过程可以分为能量反馈阶段和电容放电阶段。

能量反馈阶段，MMC与交流系统之间交换的有功功率和无功功率分别为

式中：Ub为交流输出端基波有效值，

X为与交流系统连接的等效连接阻抗；

因此，在能量反馈阶段，采用直流电压控制策略控制光伏阵列的直流电压Udc，使其不断下降，当Udc下降至1.633Us时，整个能量反馈过程完成。

电容放电阶段，本文采用三相同时放电策略。以其中一相进行说明：控制器接收到放电指令后，首先断开交流侧断路器，封锁触发脉冲；然后先将上桥臂的PSM1进行放电，使传输的有功功率和无功功率逐步降低至零，再对PSM2进行放电，以此类推，待所有子模块都放电完毕时闭锁MMC，从而实现MMC的停机控制。

2.2 最大功率点跟踪控制

目前，光伏阵列的最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）算法有电导增量法和扰动观测法[13]。电导增量法虽然响应较快，但其存在控制精度要求较高、噪声大、测量误差较大等问题。而扰动观测法更易于硬件实现，控制算法简单。因此本文采用扰动观测法实现最大功率点跟踪。

根据图1分析可知，最大功率点的跟踪受电容电压的影响，电容电压由子模块电流ipsm和光伏阵列电流ipv共同作用，通过控制子模块IGBT的开通与关断实现功率控制。因此，本文选取某桥臂的第i个模块的电压增量ΔUi作为扰动步长，其是控制IGBT的开通与关断的依据。

控制流程设置为：当ΔUi>0时，子模块电容电压Uc在下一时刻应该增大，子模块的电容进入充电状态，若此时ipsm>0，则T1导通，T2关断；若ipsm<0，则T1关断，T2导通。同理，当ΔUi<0时，则电容电压Uc下降，电容处于放电状态，若ipsm>0，则T1关断，T2导通；若ipsm<0，则T1导通，T2关断。

最大功率点跟踪控制器如图6所示。图中U为最大功率点跟踪控制器的输入量，ip,ref为桥臂电流参考值。

图6 光伏阵列的最大功率点跟踪控制Fig. 6 Diagram of maximum power point tracking control of PV arrays

2.3 并网控制

光伏并网系统达到稳定时，MMC的数学模型如式（3）所示。

式中：R为逆变侧的等效电阻；

L为桥臂上串联电抗器的电抗；

Ud,Uq分别为MMC交流侧电压的d-q轴分量；

Us,d,Us,q分别为交流电网电压的d-q轴分量。

从式（3）可以看出：MMC交流侧电流的d-q轴分量id,iq会受到交流侧电压Ud,Uq以及交流电网电压Us,d,Us,q的影响，同时还具有一定的耦合效应。为了去耦合，令

式中：ω为工频；

ΔUd、ΔUq分别为d-q轴耦合因子。

式中：id,ref、iq,ref分别为d轴电流和q轴电流的参考值；

Kp、Ki分别为比例系数、积分系数。

MMC并网逆变电路的解耦控制器如图7所示。此控制器为双闭环控制器，包含外环直流母线PI控制器1个，内环有功和无功电流PI控制器各1个。图中：U*dc为直流侧电压的参考值，经过调制后获得MMC各子模块投入或切除的控制信号；为电流有功分量的参考值，由直流母线电压PI控制器给定。

图7 系统并网控制原理图Fig. 7 The grid control diagram of system

3 仿真分析

3.1 参数设置

为了验证局部阴影下基于MMC的光伏并网系统的有效性、可行性，本文利用Matlab/Simulink搭建了该系统模型，采用扰动观测法追踪光伏最大功率点。PV阵列的相关参数设置如表1所示。

表1 PV阵列参数设置Table 1 Parameters of PV modules

基于MMC光伏并网系统仿真模型的参数设置如表2所示。仿真中，0.5 s前为正常光照下，光照强度为1 000 W/m2，温度为25 ℃；0.5 s后受局部阴影影响，光照强度为800 W/m2，温度为25 ℃。为了降低逆变后输出电压谐波的畸变度，上下桥臂各设置8个PSM子模块，三相一共48个子模块。光伏阵列的输出电压通过BOOST电路进行调压，再通过MMC逆变，最后经过变压器升压至35 kV并入电网。

表2 仿真系统参数Table 2 Parameters of simulation system

3.2 仿真结果

图8为MMC子模块的电容电压仿真波形，其额定值为500 V。

图8 光照变化时子模块的电容电压波形图Fig. 8 Capacitance voltage of sub-modules in light changing

由图8可以看出：启动时，子模块的电容电压迅速达到500 V左右的稳态值，波纹为±10 V，波动率为2%，可知，正常光照下，桥臂上的各个光伏阵列都能工作在最大功率点；0.5 s后，光照条件变为局部阴影，光照强度为800 W/m2，受光照强度下降的影响，子模块电压轻微回落后，又迅速回到额定电压附近波动，光伏阵列仍能工作在最大功率点。因此，局部阴影条件下，子模块电容电压的控制能实现电容电压的均衡控制，使光伏阵列工作在最大功率点。

图9为使用扰动观测法的最大功率跟踪，单个光伏阵列的输出功率。

图9 光伏阵列的输出功率波形图Fig. 9 Output power of PV

由图9可以看出，正常光照下，系统启动时，单个光伏阵列的输出功率从7.0 kW快速达到9.5 kW，并处于稳定状态；0.5 s后，局部阴影（光照强度为800 W/m2）条件下，单个光伏阵列的输出功率降低，并迅速稳定在7.6 kW。因此，基于MMC的光伏并网系统采用扰动观测法跟踪最大功率点，在正常光照和局部阴影条件下都能稳定运行。

图10为基于MMC光伏并网逆变侧的输出有功功率波形。由图可以看出，在正常光照强度下达到稳态时，有功功率为456 kW；0.5 s，局部阴影条件下，有功功率有所下降，稳态时有功功率为364.8 kW。而由光伏参数及系统参数所计算的理论值为：正常光照强度下，有功功率为460.8 kW；局部阴影条件下，有功功率为369.6 kW。可知，仿真结果与理论值较接近。这证明了本文提出的基于MMC的光伏并网系统，除去自身消耗的有功功率外，几乎把所有的有功功率都输出到逆变侧。

图10 有功功率波形图Fig. 10 Active power waveform

图11为基于MMC光伏并网的无功功率波形。

图11 无功功率波形图Fig. 11 Reactive power waveform

由图11可以看出，系统的无功功率为2.3×105Var；0.5 s后局部阴影条件下，无功功率经过短暂的震荡后，又恢复正常。

根据功率因数公式

图12为MMC逆变侧输出的三相电流ia、ib、ic波形。由图可以看出，正常光照时，三相电流的幅值为700 A左右，并且输出波形非常接近正弦波，谐波含量较少；0.5 s光照变为800 W/m2后，输出功率降低，输出电流也随之减小，三相电流的幅值在550 A左右，波形仍然非常接近正弦波，该波形没有因光照的变化而失真。由MMC的输出功率和三相电流可知，三相电压也接近正弦波，且谐波含量较少。因此基于MMC的光伏并网系统输出的谐波含量较少，对电网的冲击较小。

图12 三相电流波形图Fig. 12 Current waveform

4 结语

光伏发电是解决能源短缺、改善我国能源结构的重要途径[12]。针对光伏并网系统存在光伏阵列功率受光照影响以及并网要求较高等问题，本文设计了模块化多电平的拓扑结构，介绍了其子模块的运行状态、数学模型、控制方法，并通过Matlab/Simulink进行仿真分析。仿真结果表明，基于MMC的光伏并网系统在正常光照及局部阴影条件下都能实现最大功率点跟踪，逆变输出为多电平输出，同时控制全控器件的开通与关断还可以实现有功功率和无功功率的单独控制，从而无需加装无功功率补偿设备。模块化多电平结构在光伏并网中的使用，能提升光伏并网的电能质量，具有较高的可靠性。

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（责任编辑：邓 彬）

Grid-Connected PV System Based on MMC Under Partial Shading

LUO Cheng’an，YU Huijun，LI Lin，MIN Jie
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A grid-connected PV system has been proposed based on MMC (modular multilevel converter) under partial shading, followed by a design of the control strategy of the system. Each photovoltaic array is connected with a VSC by a DC-DC converter circuit, thus forming a sub-module PSM, PSM and reactor in series to form MMC. The whole control system includes the start-stop control, the maximum power point control, and the grid connected control system. The start-stop control adopts DC voltage control strategy in the energy feedback phase, three phase simultaneous discharge strategy is used in capacitor discharge phase. By using Matlab/Simulink simulation software, a simulation test of the system has been carried out, with its results to verify the effectiveness and feasibility of the system in that it helps to improve the solar energy utilization, reduce the harmonic content of the grid connected output waveform, and realize the independent control of the output power.

partial shading；MMC；grid-connected PV；MPPT

TM615

A

1673-9833(2017)02-0049-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.009

2016-11-25

罗诚安（1991-），男，广东湛江人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为柔性直流输电技术，E-mail：334909@qq.com