基于级联H桥变换器的光伏并网系统研究

鲁西坤 石峰 马鑫鑫

摘要：H桥型多电平变换器的研制工作已经进入较为深入的发展阶段，技术较为成熟、稳定。文章以单一H桥变换器的基本原理为基础，分析了级联H桥多电平变换器的发展、工作原理以及相关拓扑结构。为了研究级联H桥变换器光伏并网系统，文章对光伏并网系统进行了建模和分析，并分析了Boost变换器的工作原理，介绍了最大功率点跟踪算法，并对两级H桥变换器三相光伏并网系统进行了仿真与分析，验证了级联H桥变换器光伏并网系统能够达到很好的发电效果。该研究为光伏发电系统的应用提供了良好的支撑。

关键词：光伏并网系统；Boost变流器；最大功率点追踪；级联H桥变换器

中图分类号：TM46;TM615文献标志码：A

0 引言

随着H桥级联变换器的不断发展，光伏并网逆变器由单一级发展为多级^[1-2]，由集中式发展为级联型^[3-4]。级联H桥型光伏并网变换器具有电压等级高、容量大等优势，大部分变换器无需变压器即可直接连接到电网^[5]，H桥型拓扑串联在光伏并网时具有较低的谐波。当采用光伏阵列电源时，H桥型变换器作为光伏并网转换器所形成的独立直流电源能够解决谐波问题。将最大功率点追踪（maximum power point tracking，MPPT）控制应用于串联H桥型光伏并网逆变器中，可以实现每个串联单元在最大功率点下工作^[6]，同时保证了每个单元的最大功率输出，从而提高了并网系统的效率和能源利用率^[7]。

级联H桥变换器是将一个简易的H桥作为一个单独的功率小模块^[8]，使各个单独的单元模块串联起来，从而实现输出电压的逐步累加，形成多电平的输出效果^[9]。直流电源给单元模块提供电流，两者之间没有任何联系，不存在分压问题。目前，级联H桥变换器主要被应用于轧压机等容量较大的传动系统中^[10]。

1 级联H桥型变换器工作原理

级联H桥型变换器的电压通过多个模块的电平输出叠加而成，使输出波形的谐波成分相对较小。若各电源装置H桥路的输出是三电平，则两路H桥的输出电压可视为首端的电压与另一端的电压之和。3个电压等级E、0、-E构成一个独立的三级输出。由上述原理可以看出，最大的输出电压V_ABmax、最小的输出电压V_ABmin分别为：

V_ABmax=2E（1）

V_ABmin=-2E（2）

通过上述公式可得2个单元级联变换器的最大输出电压值的电平等级数表达式为：

M=（V_ABmax-V_ABmin）/E+1=4+1=5（3）

三相系统的负荷接线模式主要有三角形接线和星形接线。在三角形接线模式下，负载的线路电压与相电压一致，因此三相系统的分析结果与单相系统的分析结果一致；若三相负荷接线模式为二次接线，则线路电压与相位电压值互不相同，由此可以得到三相五电平转换器输出的线路电压电平数为：

M=2（V_ABmax-V_ABmin）/E+1=9（4）

因此可得级联H桥变换器输出的相电压为：

M=2N+1（5）

输出的线电压电平数为：

M=4N+1（6）

通过对单相电源系统的分析，本文提出了一种级联H桥型变换器，将其推广到三相系统，对其工作原理进行详细阐述。作为光伏并网转换器，级联H桥变换器有如下优点：结构简单，输出电平数目完全相同，所需的电力设备也相对较少；各电源模块彼此独立，便于模块间的串联、并联；无须平衡电容器电压。

本文以三电平三相串联H桥型变换器光伏并网系统为例进行分析，系统拓扑结构如图1所示。在此基础上，光伏逆变器中的DC/DC变换器采用MPPT控制，使光电转换效率达到最大。

首先，系统光伏阵列发出的直流电转化为交流电，其所转换的交流电流是一种高频的交流脉冲；随后，由一台高频变压器将转换后的交流电流分割并传输，通过整流器将交流电流变为直流电流；最后，利用大电解电容对其进行滤波，以达到满足电网要求的稳定的中间直流电压。在此基础上，串联H桥型逆变器将直流电压转化为交流电压，再将其进行滤波，H桥型变换器级联为2个半桥，能够产生三电平，减少了并网时的谐波含量。

2 三相光伏并网系统的仿真及分析

两级三相光伏并网系统的仿真模型如图2所示，主要由光电阵列组件、MPPT升压电路、三相级联H桥逆变器模块、LCL滤波器、并网负载、dq-abc变换、脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）模块构成。光伏阵列利用逆变器将直流电转换为交流电，也可以设置其所需的光伏模组数量，以便达到理想的并网功率。MPPT升压电路中采用扰动观测法，使光伏输出功率能够随着光伏系统工作点位置的变化而改变，从而实现最大功率点的跟踪。三相级联H桥逆变器模块是由三相桥式电路构成，能够将直流电转化为交流电，其基本的工作原理为正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）。LCL滤波器由电感和电容组成，该系统不仅能有效地抑制外部的高频干扰，还能有效地抑制开关电源对外部传输的干扰。

其主要参数设置为：输入电压U_in=850 V；输入分压电容C₁=C₂=10 mF，开关频率f=10 kHz；输出LCL滤波器参数L=0.1 mH，C=300 μF；输出功率为210 kW。

如图3所示为经LCL滤波后的逆变器输出电压波形与电网电压波形对比。从波形可以看出：经过闭环和锁相控制后的三电平逆变器的输出电压能够很好地跟踪电网电压的波形，并且幅值和频率相位都与电网保持一致。

如图4所示为三电平逆变器输出的并网电压和电流波形，电路在0.15 s后并入电网。可以看出：并网前逆变器空载运行的输出电流为0，与电压独立；并网后逆变器输出的并网电压和电流具有同步的相位与频率，并且电流波形的谐波含量较小，实现了光伏发电的并网功能。

3 结语

三相级联H桥变换器已被广泛地用于中压、大功率的光伏并网系统。本文介绍了多电平变换器的发展和光伏并网的研究现状，阐述了级联H桥变换器的工作原理和拓扑结构，搭建了级联H桥三电平变换器光伏并网系统的仿真模型。仿真结果验证了级联H桥型变换器光伏并网系统能够输出与电网同步、同频的电压和电流，并且电流波形的谐波含量较小，实现了光伏发电的并网功能。

参考文献

[1]付裕.级联H桥光伏并网逆变器研制[D].南昌：南昌大学，2018.

[2]王宇.光伏发电建模与并网仿真[D].石家庄：河北科技大学，2017.

[3]王康安.基于级联H桥变换器并网光伏系统研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.

[4]潘涛.单相级联H桥光伏并网逆变器控制策略研究[D].南昌：华东交通大学，2018.

[5]杨森.级联多电平动态电压恢复器电压跌落检测与补偿策略[D].石家庄：河北工业大学，2014.

[6]王继平.MR阻尼器的太阳能供能控制系统研究[D].南京：南京林业大学，2017.

[7]董振华.不对称电网故障下光伏逆变器的控制策略研究[D].兰州：兰州理工大学，2014.

[8]雷慧杰.电力电子应用技术[M].重庆：重庆大学出版社，2015.

[9]蒋晨.基于直流母线的串联型光伏效率优化器并网系统研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[10]王赟程，陈新，张旸，等.三相并网逆变器锁相环频率特性分析及其稳定性研究[J].中国电机工程学报，2017（13）：3843-3853.

（编辑 沈 强编辑）

Research on grid-connected photovoltaic system based on cascaded H-bridge converter

Lu  Xikun， Shi  Feng， Ma  Xinxin

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Anyang Institute of Technology， Anyang 455000， China）

Abstract：  The research on multilevel H-bridge converter has entered a relatively deep stage of development， which is a stable and mature technology. Based on the basic principle of a single H-bridge converter， this article analyzes the development， working principle， and related topology structures of multilevel cascaded H-bridge converter. In order to study the grid-connected photovoltaic system based on cascaded H-bridge converter， the grid-connected photovoltaic power generation system model is built and the operation principle of the system is analyzed in this paper. Furthermore， the working principle of the Boost converter is analyzed， and the maximum power point tracking algorithm is introduced. This paper simulates and analyzes the two-stage three-phase grid-connected photovoltaic system. It is verified that the cascaded H-bridge converter can achieve good power generation efficiency. The proposed research provides a good support for the application of photovoltaic power generation system.

Key words： grid-connected photovoltaic system; Boost converter; maximum power point tracking; cascade H-bridge converter