级联H桥光伏并网逆变器过调制控制策略

陈 威

(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001)

随着光伏发电在电网中所占比例的增加,其对电网的影响日益显著。光伏并网逆变器作为光伏板与电网之间能量转换的桥梁,发挥着关键作用[1-2],相较于传统的两电平逆变器,级联H桥 (Cascaded H-bridge,CHB)逆变器具有多电平输出电压、开关器件应力小、并网电流谐波含量低、滤波器体积小以及易于模块化拓展等特点[3-4]。此外,通过合理配置级联数目,可使其输出电压达到电网电压水平,从而实现无变压器并网,进一步降低了系统成本。因此,级联H桥光伏逆变器尤其适用光伏并网发电系统[5-6]。

对于CHB光伏逆变器,每个H桥连接1个光伏面板且各H桥相互独立,所有光伏面板在最大功率点MPP(Maximum Power Point)下工作。在实际工作中 ,光伏电池板接收不同的辐照强度、温度以及老化程度不同,则每个光伏模块的输出功率可能不同,那么功率输出较大的H桥单元易发生过调制,从而导致并网电流发生畸变。针对这个问题,文献[7]有功占空比修正法是一种根据单元光伏面板输出功率大小调节占空比的方法,保证直流母线电压的稳定,进而实现功率平衡,但其稳定运行范围小,无法应对H桥单元调制度大于1的场合。文献[8-9]提出无功补偿控制策略,保证功率严重不平衡时所有功率单元均不会过调制,但是会降低系统功率因数。文献[10-11]提出了一种三次谐波补偿策略(THCS)来解决CHB逆变器中相间功率不平衡的问题,但其线性调制范围较小,为1.155。文献[12-15]提出谐波补偿法(HCS),由于方波的基频最大调制度为 4/π,通过补偿多次谐波将调制波补偿为准方波,能够将逆变器线性调制范围提高至4/π,但是此类方法H桥单元共模电压输出谐波成分高且控制较为复杂。

综上所述,针对现有CHB光伏并网逆变器控制策略调制范围较小,并网电流质量不高的问题,本文在THCS的基础上,提出一种新型控制策略,调整调制波幅值并补偿三次谐波,使得过调制单元调制波幅值刚好为1,同时,在非过调制单元中进行谐波抑制控制。即使H桥单元调制度大于1.155,也能避免系统发生过调制。

1 CHB并网逆变器过调制问题与补偿策略

图1给出了单相CHB光伏并网逆变器的电路拓扑,逆变器由n个H桥模块组成, H桥模块直流侧与光伏组件相连,交流侧级联后通过滤波电感与电网连接。图中IPVn和Vdcn为各个光伏面板输出电流和输出电压,Cn为直流侧电容,LS为滤波电感,VHn为H桥单元输出电压,vg和ig分别表示电网电压和并网电流。并网逆变器稳定运行时,定义第i个H桥单元的调制波mi和调制度Mi分别为

(1)

(2)

式中:vi、Vi分别为第i个H桥单元输出电压VHi的基波分量和基波分量幅值。

图1 CHB光伏并网逆变器拓扑

1.1 过调制问题分析

光伏电池板受辐照强度、温度以及老化程度不同影响,H桥模块间输入功率不同。如图1所示,假设光伏组件(PV1～PVx)光照强度下降与其连接的H桥单元输出功率(P1～Px)下降,光伏组件(PVx～PVn) 光照强度不变与其连接的H桥单元输出功率(Px～Pn)不变,系统的总输出功率PT就会下降,实际情况中电网电压vg不变,并网电流ig就会减小,而流经各H桥单元的电流相同,最终会使输出功率不变的H桥单元输出电压上升,调制波幅值变大直到大于1发生过调制。根据文献[9]所述,为确保CHB逆变器的稳定运行,避免H桥模块过调制,须遵循以下条件,即

(3)

式中:Ig为电网电流ig的有效值。

式(3)条件生效时,则每一个H桥单元的调制度将小于1,CHB逆变器稳定运行,反之则调制度大于1,CHB逆变器将向电网注入大量谐波电流。因此,为解决H桥单元调制度大于1而引起并网电能质量变差这一问题,须采取措施来扩大并网逆变器的稳定运行范围。根据文献[10]通过补偿三次谐波,将H桥单元的线性调制范围提高到1.155。与文献[12]所提的准方波为调制波(调制度4/π)相比,还有一定的提升空间。

1.2 本文所提补偿策略

针对 THCS无法应对模块间输入功率严重不平衡时导致过调制单元调制度大于1.155的场合这一问题,提出一种新的补偿策略,以扩大CHB逆变器的工作范围。过调制单元调整调制波幅值并补偿三次谐波,非过调制单元进行谐波抑制控制。图2为第i个H桥单元补偿方法的原理图,其中ma为过调制单元的原调制波,mx为补偿和调整后的调制波,可见其峰值刚好为1。mc为补偿的三次谐波,mb为调整后的调制波。

设定调制波ma和mb幅值分别为Ma和Mb,可得到mx的表达式,即

mx=Mbcos(ωt)+kxcos(3ωt),

(4)

式中:kx为补偿系数。

图2 调制波调整幅值和注入三次谐波

2 控制策略

2.1 系统控制策略

图3 CHB 光伏并网逆变系统控制框图

θr=arctan(Uq/Ud).

由于流经所有H桥的电流等于电网电流,因此H桥单元的输出功率Pi与输出电压VHi的基波电压幅值Vi成比例,可表示为

(5)

由式(2)和式(5)可以计算第i个H桥单元的调制波幅值Mi为

(6)

2.2 H桥变换器调制波分配策略

假设CHB光伏并网逆变器有n个单元,根据第2.1节所述的控制策略与式(6)中的Mi的计算方法,可以将系统H桥单元划分为3种工作状态:

1) 单元 (1,2,…,p)调制度为1～1.155;

2) 单元(p+1,p+2,…,p+q)调制度大于1.155;

3) 单元(p+q+1,p+q+2,…,n)调制度小于1为非过调制单元。

2.2.1 工作状态1

向过调制单元(1,2,…,p)的调制波中注入适量的三次谐波,将调制波幅值补偿刚好为1。补偿后过调制单元的调制波幅值可以表示为

(7)

为使注入到系统中的三次谐波最少,令 max(mi)刚好为1,则ki与Mi的关系表示为

Mi=[max(cos(ωt+θr)+kicos(3ωt+3θr))]-1.

(8)

根据公式(8),绘制ki与Mi的关系曲线 ,如图4所示。可以看出随着三次谐波的补偿系数ki不断增大,过调制单元的最大基波调制度也增大。当ki=-1/6时,基波调制度达到最大Mi=1.155。同时,为了求解补偿系数ki,对关系曲线进行五次多项式拟合得到ki与Mi的关系式,即

(9)

式中:Bi为多项式拟合系数,其值可由MATLAB拟合工具箱计算得到,如表1所示。

根据式(9)可以计算出单元(1,2,…,p)补偿的三次谐波总量mT,即

注射剂口服：①氯化钾注射剂口服。临床上常使用口服氯化钾注射液补钾[10]，认为比较直接、方便、简单易行。缺点是口感苦涩，难以咽下，易出现恶心、呕吐，引起消化液丢失；应稀释于冷开水或饮料中，分次服用。②榄香稀乳注射剂口服。榄香稀乳有口服液和注射剂两种剂型。医师开具处方时恰逢口服剂型缺货，于是用注射剂代替口服剂型给患者服用。榄香稀乳注射剂说明书明确载明：该剂型口服吸收差，生物利用度仅为18.8%。药师不建议使用。

(10)

图4 三次谐波注入系数与基波调制度关系

表1 拟合系数

2.2.2 工作状态2

通过向单元(p+1,p+2,…,p+q)中注入三次谐波和调整调制波幅值,将调制波幅值补偿为1。根据图4三次谐波补偿的最大调制度为1.155,对应的补偿系数ki=-1/6,因此为使过调制单元原调制波幅值与调整后的调制波幅值差值较小 ,第i个过调制单元补偿固定幅值的三次谐波mhi为

mhi=-0.192 5cos(3ωt+3θr).

(11)

第i个过调制单元基频调制波调整量mfi为

mfi=-(Mi-1.155)cos(ωt+θr).

(12)

由公式(11)～(12)可知,补偿到单元(p+1,p+2,…,p+q)的三次谐波总量mfhT和调整的总基频调制波幅值MfT为

2.2.3 工作状态3

1) 定义第i个非过调制H桥单元可允许补偿的调制波幅值裕度Mcoi,即

Mcoi=(1-Mi).

(13)

2) 计算第i个非过调制单元所需的反向谐波调制电压vPri,即

(14)

由式(13)～(14)计算第i个非过调制单元谐波抑制调制波mhoi,则

(15)

最后,系统在工作状态3下,由式(15)计算第i个非过调制单元调制波mxi,即

mxi=mhoi+Micos(ωt+θr).

3 仿真验证与结果分析

为了验证单相CHB并网逆变器在光照不均匀 下所提控制策略的有效性,搭建了1个七电平CHB光伏并网逆变器的Simulik仿真模型。表1和表2分别为光伏面板和逆变器的具体参数。

表2 光伏组件参数

仿真设定了2组对照组,分别为对照组一:三次谐波补偿策略(THCS)与未附加功率功率均衡控制的仿真对比;对照组二:三次谐波补偿策略(THCS)与过调制控制策略仿真对比。分别对应2种工况下的光照强度,见表4。

表3 逆变器参数

表4 光伏组件光照强度设置 W/m2

3.1 对照组一

图5为工况一光照条件下,未附加功率均衡控制的仿真波形,图5(a)为3个H桥单元光伏组件输出功率Pi, 0.5 s后随着光伏组件1和光伏组件2光照强度下降,其输出功率降低,光伏组件3输出功率不变。图5 (b)为各H桥单元调制度Mi,0.5 s前未发生过调制,电流质量较好,总谐波畸变率(THD)为2.68%;0.5 s后,第三个H桥单元大于1(小于1.155)发生过调制,并网电流发生畸变,THD值为20.25%。

(a) 光伏组件输出功率

(b) H桥单元调制度Mi

(c) 电网电压与并网电流图5 工况一下未附加功率均衡控制仿真波形

图6为工况一光照条件下三次谐波补偿控制(THCS)下的仿真波形。由于在工况一光照条件下第三个H桥单元的调制度小于1.155,未超过THCS的线性调制范围。0.5 s前,与图5(a)一样并网电流THD值为2.68%;0.5 s后第三个单元经过三次谐波补偿后调制波幅值小于1(见图6(a)),并网电流质量极大改善,THD值为3.57%。

(a) H桥单元调制波mi

(b) 电网电压与并网电流图6 工况一下THCS仿真波形

3.2 对照组二

工况二光照条件下,图7为采用文献[10]中THCS控制的仿真波形。图7 (a)为3个H桥单元光伏组件输出功率Pi, 0.5 s后随着光伏组件1和光伏组件2光照强度下降,其输出功率降低,光伏组件3输出功率不变;图7 (b) 为各H桥单元调制度Mi,0.5 s后,第3个H桥单元调制度大于1.155(图中M3为1.4以上)远超THCS最大线性调制范围(1.155);图7 (c) 为各H桥单元调制波mi,0.5 s后,第3个H桥单元经过三次谐波补偿后,调制波幅值仍然大于1;图7 (d)为CHB光伏并网逆变器的并网电流ig和电网电压vg的波形,0.5 s前,所有H桥单元均未发生过调制,逆变器稳定运行,并网电流质量较好, THD值为2.68%,0.5 s后,系统发生过调制并网电流的THD为10.6%,不符合并网电流质量要求。相较于工况一,随着光伏组件一的光照强度进一步下降,THCS已不能应对输入功率不平衡程度进一步扩大的场合。

图7 工况二下THCS仿真波形

图8为工况二光照条件下,采用本文所提的过调制控制策略的仿真波形。图8(a) 为各H桥单元调制波mi,0.5 s后,第3个H桥单元原调制波经过幅值调整和三次谐波补偿后,调制波幅值刚好为1,第1和第2个H桥单元进行谐波抑制控制,系统未发生过调制;图8 (b)为CHB光伏并网逆变器的并网电流ig和电网电压vg的波形,0.5 s前,所有H桥单元均未发生过调制,并网电流THD为0.56%,0.5 s后,并网电流THD为2.03%。

3.3 结果分析

在2种工况下对2种控制策略进行了仿真验证,对比如表5所示。

表5 不同控制策略仿真结果

在工况一光照条件下,由于H桥单元调制度未超过1.155,THCS具有较好的并网电流质量,但是随着光照强度的继续下降(工况二),第三个H桥单元调制度超过1.155(达到1.4以上),THCS失效并网电流质量急剧下降。采用本文所提的过调制控制策略时,第三个 H桥单元调制波幅值刚好为1(见图8(a)),系统未发生过调制,并网电流质量较好(见图8(b))。综上所述,与THCS相比,本文所提的过调制控制策略具有更强的调节H桥间功率不平衡的能力同时保证了较好的电能质量并网。

图8 工况二下过调制控制策略仿真波形

4 结语

三次谐波补偿策略(THCS)可有效改善过调制导致的并网电流质量变差的问题,但是其线性调制范围只能达到1.155,无法应对模块间输入功率不平衡程度进一步扩大的场合,本文提出的新型控制策略有效解决了这一问题。当H桥单元发生过调制且调制度大于1.155时,过调制单元调整调制波幅值并补偿三次谐波,使其调制波幅值刚好为1,非过调制单元进行谐波抑制控制。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,在相同光照条件下,对提出的过调制控制策略与三次谐波补偿控制策略进行仿真实验。结果表明,所提的过调制控制策略具有更大的调制范围且并网电流质量更好。