基于新型光伏发电系统的子模块电压调制策略

阳鹏飞张程辉彭荣楚陈绍华

(湖南省水运建设投资集团有限公司土谷塘航电枢纽分公司,湖南省 衡阳市 421100)

0 引言

光伏并网系统一般采用基于二、三电平逆变器的两级光伏并网系统,通过串联光伏组件改变逆变侧输出电压,这种并网结构的缺点是:当光伏组件出现局部阴影时,光伏电池的最大功率点电压无法稳定控制,影响整个系统的输出电压,且单个逆变器的开关管承受电压应力大、容量有限,无法适应高电压、大功率光伏发电需求,若是并联多个逆变器又易引发输出电流不均衡问题[1-3]。两级光伏逆变系统不仅需要增加DC/DC 电路稳压控制,还需添加LCL滤波器来减少系统输出电压的谐波含量和电磁干扰[4-8]。

模块化多电平换流器器(modular multilevel converter,MMC)具有易级联扩展的优点,通过增减子模块个数改变其输出电压和功率,可以满足任意输出电压等级的要求,随着子模块个数增加,输出电平越多,系统的输出谐波含量越低,因此研究MMC在光伏发电系统的应用成为必要。文献[9]指出光伏发电拓扑中,PV 组件并联于MMC 总直流侧,难以实现局部阴影条件下的最大功率点电压跟踪。文献[10-11]将PV 组件通过DC/DC变换电路与MMC子模块并联,这种拓扑不仅繁琐,而且增加了设备经济成本,不利于现实生产。文献[12]提出的新型光伏系统采用MMC子模块与PV 组件直接并联的方式,但是控制策略过于复杂,其控制精度无法保证。

为消除子模块电压受光伏电池局部阴影的干扰,达到子模块电压稳定控制在光伏电池最大输出点电压处,本文设计一种独立控制策略,将PM的电容电压保持在光伏电池最大输出功率的电压值处。

1 新型光伏拓扑及原理

基于MMC 的新型光伏并网拓扑如图1 所示[13-15]。其主电路总共分为三相,每相包含2个桥臂,每个桥臂由n个PM 子模块串联1个电感组成。PM 子模块将光伏组件直接与子模块的电容并联,半桥型子模块结构不具备直流故障清除能力,故本文对PM 模块进行了细微改进。

图1 MMC主电路及PM 模块结构Fig.1 MMC main circuit and PM module structure

改进的PM 模块结构具有如下优势:在子模块端口并联了1 个高速开关K1 和2 个晶闸管D4、D5,当子模块发生故障时,闭合K1将子模块从系统中切除,不影响MMC 的正常运行,晶闸管D3、D4、D5用来防止故障电流冲击续流二极管。当电容电压过大或者MMC 闭锁时,将VT3导通后,用电阻R 消耗掉剩余能量。

根据桥臂电流ijp(j=a,b,c)的方向,调整PM的工作状态使得PM 模块的电容电压稳定在最大功率点电压,从而达到PV 组件最大输出功率状态。表1显示PM 模块根据开关动作和电流方向(ijp流入PM 模块时为正)呈现出不同的工作状态。表1中:开关VT1、VT2 导通表示为1,关断表示为0。参照光伏电池的电压-电流曲线,当子模块电容电压超过一定值时,光伏电池输出电流接近0,此时的PM 工作状态为普通半桥子模块工作方式。

表1 PM 模块工作状态Table 1 Working status of the PM module

2 系统控制策略

2.1 子模块独立调制策略

当PV 组件处于局部阴影状态下时,本文设计一种控制策略调整子模块的电压,使其保持在光伏阵列最大输出功率点电压附近,达到MMC 子模块电压的单独控制效果,其控制策略如图2所示。

图2 独立控制策略Fig.2 Independent control strategy

传统MMC的子模块调制策略是实现子模块均压,而这种新型光伏系统中,为消除PV 组件局部阴影带来的子模块电压变化,需要控制每个子模块独立最大功率点追踪(maximum power point tracking,MPPT)。因此,通过子模块独立控制环节进行子模块的电容电压控制,保持子模块电容电压稳定跟踪光伏组件最大功率点的电压[16-18]。

光伏阵列的最大输出功率点电压作为子模块电压调制策略的参考值设为Umppt,Ujp为上桥臂子模块实际电压值,Ujn为下桥臂子模块实际电压值,则有

为实现单个子模块能量的独立控制,本文通过上、下桥臂的子模块电容电压叠加后控制MMC 桥臂的输出电压,通过式(1)得到子模块独立控制环节的指令值iref,将指令值iref与上、下桥臂电流相加后除以2的环流值相减,得到子模块独立控制的调制波信号ujdref,从而保证MMC 的总输出功率与光伏电池输出功率一致,达到每个子模块最大输出功率点电压的控制。

2.2 子模块稳压保护策略

当单个子模块PM 电压Uc的值与参考值Umppt相差很多,就会造成系统的输出电压不平衡,则需要采取子模块的稳压保护策略对其电压进行调整,当子模块电容电压Uc偏小时,子模块需要少输出能量,当子模块电容电压Uc偏大时,子模块需要多输出能量。因此,需要在参考值Umppt上叠加1个修正分量ΔUjc,具体控制策略如图3所示。以上桥臂电流Iap为例,当桥臂电流为输出时Iap≥0,令K=1。若此时该桥臂上的子模块电容电压Uc＜Umppt,需要调制波增大,子模块导通时间延长,子模块多输出能量,则ΔUjc＞0,给调制波叠加1个正分量。相反的,若此时该桥臂上的子模块电容电压Uc＞Umppt,则ΔUjc＜0,给调制波叠加1个负分量,使得调制波减小,子模块导通时间变短,等于子模块少输出能量。当桥臂电流为输入时Iap＜0,令K=-1,参照以上方法同样可以实现子模块电容电压的平衡控制,如此反复几个周期,系统输出电压趋于平衡。

图3 PM 稳压保护策略Fig.3 PM voltage regulation protection strategy

通过光伏阵列最大功率追踪控制环节得到每个子模块的Umppt值后,叠加由子模块稳压控制环节得到的修正分量ΔUjc,形成调制波的参考电压。当参考电压加上独立控制环节分量ujdref,最后与子模块实际电压解耦,求得子模块的最终开关信号波,控制框图见图4。

图4 子模块开关触发信号Fig.4 Trigger signal of submodule switch

3 子模块的调制方式

MMC的调制方式有载波移相、载波层叠、最近电平逼近、空间矢量等,当MMC输出电平数相同,子模块的调制方式采用载波移相调制策略(carrier phase shift-pulse width modulation,CPS-PWM)得到的输出电压总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)较其他方式低[19-20],上下桥臂子模块的导通时间和次数一致,能够实现天然的电压平衡作用,所以本文采用的调制方式为载波移相调制策略,调制原理见图5。

图5 载波移相调制原理Fig.5 Principle of carrier phase shift modulation

由图1可知,新型光伏发电拓扑中的每个桥臂都包含 2n个子模块,系统输出侧直流电压由每个桥臂上的子模块电容电压叠加形成,而采用载波移相调制策略则必须保证每个桥臂时刻有n个子模块投入,这样才能维持MMC整体直流电压稳定。

以a相桥臂为例,调制原理为:上、下2个桥臂的调制波初相位相差180°或者为同一调制波皆可,这里上、下桥臂子模块采用初相位相差180°的调制波更为高效,调制波的相位角如表2所示。每个子模块所对应的载波相位差为2π/n,每个三角载波与调制波交叉比较形成n个子模块驱动信号,保证a相桥臂投入运行的子模块个数时刻为n,且上、下桥臂每个子模块的开关次数、时间相等,实现桥臂电压均衡控制。

表2 三相调制波相位角Table 2 Phase angle of three-phase modulated wave (°)

4 仿真验证

为验证上述控制策略的有效性,凭借PSCAD仿真软件搭建1个新型的光伏并网模型,MMC 上下各有8个子模块,交流输出为9电平,仿真时间设置为1s,设MMC输出电压参考值为3kV,载波频率500Hz,桥臂电感为0.05H,交流侧阻抗为10Ω。子模块并联的光伏阵列参数见表3。

表3 光伏阵列参数Table 3 PV array parameters

当光伏电池没稳压保护控制时,子模块并联的光伏阵列一旦处于阴影条件下,其输出功率会急骤变下,具体如图6所示。

图6 光伏阵列功率-电压曲线Fig.6 PV array power-voltage curve

由图6可知:光伏阵列输出电压维持在0.65kV左右时,光伏电池的最大功率输出能得以保证,才能消除阴影条件下带来的不利影响。

MMC中的PM 模块经过稳压保护控制后的电容电压值见图7,其值稳定在0.65kV 左右,不仅达到了子模块稳压保护的效果,也让光伏阵列一直保持在最大功率点输出。

图7 PM 电容电压Fig.7 PM capacitor voltage

MMC经过子模块独立控制环节后得到的三相交流输出电压和电流见图8。

图8 三相交流电压和电流Fig.8 Three-phase AC voltage and three-phase AC current

为验证调制策略的良好谐波特性,分析得到的a相谐波畸变率,结果表明a相输出电压的最大总谐波畸变率为0.519%,具备优良的谐波特性,完全符合电能质量要求。

5 结论

基于MMC的新型光伏发电系统子模块相比较以往的大型光伏并网系统具有很大优势,不仅适用大电容、高电压的场合,子模块的结构更加简洁,无需DC/DC 变换电路,整个系统的输出电压和电流无需通过滤波,具有很好的抗谐波干扰能力,通过独立调制策略能够很好地控制系统整体能量,保持MMC桥臂能量平衡。子模块稳压保护调制策略易实现单独子模块的稳压控制,保证光伏阵列持续最大功率输出。随着系统中子模块的数量增多,基于MMC的新型光伏发电系统输出电压、电流波形更加平滑。