結合五電平逆變和功率前饋的光伏并網系統

張勤進， 劉彥呈， 王 川

(大連海事大學輪機學院， 大連 116026)

結合五電平逆變和功率前饋的光伏并網系統

張勤進， 劉彥呈， 王 川

(大連海事大學輪機學院， 大連 116026)

針對傳統單相光伏并網系統中逆變器輸出的并網電流諧波畸變率高、動態響應速度慢的缺點，提出一種主拓撲電路的改進方法，在直流母線與全橋逆變電路之間添加輔助電路，組成五電平全橋逆變器，再配合多載波脈寬調制PWM(pulse width modulation)技術，使逆變器具有五級電壓輸出，從而降低并網電流的諧波含量。同時在傳統的控制方法中引入了功率前饋算法，將光伏電池輸出功率作為前饋量加入電流內環，使電流環的給定值含有輸入功率的信息，提高了并網電流對輸入功率發生變化時的響應速度。仿真實驗驗證了該文提出方法的有效性。

光伏并網逆變器； 五電平逆變； 多載波脈寬調制； 功率前饋； 總諧波畸變率

能源短缺和溫室效應是當今世界面臨的兩項重大問題，如何優化能源結構，改善能源效率和發展可再生能源已成為世界各國可持續性發展的關鍵。太陽能以其卓越的優勢，越來越成為人們關注的焦點[1，2]。作為光伏并網發電技術的重要設備，光伏并網逆變器是太陽能應用研究的一個熱點，研究新型的拓撲結構和控制方法[3～8]已經成為了重點。

光伏并網發電系統主要由光伏陣列、DC/DC升壓電路、逆變器、濾波電路及電網構成。其中逆變器是連接光伏陣列和電網的關鍵部分，它主要實現了將直流電轉換為交流電并注入電網的功能。如今，并網逆變器的研究主要集中在兩個方面：一是低污染，即降低并網電流的諧波畸變，提高功率因數；二是高穩定性，即提高系統的動態響應速度和安全性。針對單相光伏并網系統，文獻[3]提出了一種基于多級逆變的光伏電能轉換系統，其光伏陣列由多塊或串或并的太陽能電池板組成，通過分級模塊實現了多級直流母線電壓，但造成了輸入功率的損耗；文獻[4]提出在全橋逆變電路的前一橋臂中點與直流母線中點加兩路雙向可控開關，從而實現多級逆變；文獻[5]提出在全橋電路輸出側加入兩支有源開關管和分壓電容組，通過適當控制保證并網電流的低污染，其控制方法較為復雜。文獻[6]提出了一種基于輸入功率前饋控制的并網逆變控制算法，能夠有效提高系統的動態響應速度，但算法中關于指令電流的獲取與實際偏差較大。

本文針對上述幾種電路及控制方法的不足，改進了傳統單相光伏系統的主電路拓撲，并在此基礎上提出了基于五電平逆變與功率前饋控制算法相結合的單相光伏并網控制策略。采用五電平逆變，將光伏系統中的直流母線電壓逆變為多級脈沖電壓，從而能夠改善并網電流的輸出波形，降低電磁干擾；功率前饋算法的代入能夠有效提高輸出電流在外界環境發生變化時的響應速度，使系統的動態響應性能更加優越。

1 改進的拓撲結構及其工作原理

1.1 改進電路的構成

傳統單相逆變單元采用雙橋臂，其輸出的電流畸變率較高，本文改進了文獻[4]提出的五級電平全橋逆變器。如圖1所示，用輔助電路替代兩路雙向可控開關，降低了控制的復雜性及開關管的導通損耗。整個并網電路由光伏陣列、DC/DC變換器、直流母線、輔助電路、全橋逆變器及升壓變壓器組成。

圖1 改進的單相光伏并網系統主電路

1.2 工作原理

圖1中，直流母線端采用了兩個相同大小的電容C2和C3進行分壓，電容兩端電壓均為Ud/2。輔助電路的功能就是通過S2的導通與否來控制全橋電路前一橋臂中心點的電壓，再配合全橋電路中的晶閘管S3～S6，即可控制逆變器輸出電壓的大小。晶閘管的有效導通狀態如表1所示。

表1 通過S2～S6的通斷狀態決定輸出電壓

由上表可知，逆變器的有效輸出為±Ud/2、±Ud、0五種電平狀態，這就是五電平逆變的本質。為了保證功率始終是由光伏陣列流向電網，逆變器的輸出電壓Vinv必須大于電網電壓Vg，因此采用了比率為1∶2的升壓變壓器，Vg必須滿足以下公式：

(1)

這里濾波電感Lf用來平滑并網電流，使其輸出低諧波的正弦電流。

2 多載波PWM技術及五電平逆變的實現

如圖2所示，將一個周波的正弦電壓分為4個部分。通過分析，每部分所對應的高低電平共有5個狀態，分別為±Ud/2 、±Ud、0，在每個部分中可以分別進行PWM調制，再將調制結果相加，其調制方法如圖3所示，參考正弦信號將分別與4條同頻的三角波進行比較，從而得到開光管S2，S3，S4，S5，S6的觸發脈沖。

圖2 多級逆變輸出狀態分區

(a) PWM產生原理

(b) S2～S6觸發脈沖

這里定義五電平逆變器的調制參數為Ma：

(2)

其中，Ac為載波的峰值，Am為參考正弦波的峰值。根據以上所述PWM調制原理，Ma的值應當在1和2之間。當Magt;2時，參考正弦波將超出4個部分，產生過調制，并網電流中會產生大量諧波污染；當Malt;1時，整個波形只能分為兩個部分，五電平逆變將失去意義。Ma選取不同的值時，逆變后開路電壓的波形情況如圖4所示。

(a) Ma=1.5

(b) Ma=2.2

(c) Ma=0.7

3 單相光伏并網系統控制策略及實現

圖5為改進的單相光伏并網系統的控制結構圖，根據主電路的結構，控制部分可分為兩個獨立的環節。MPPT控制器配合Boost升壓電路，根據光伏陣列輸出電流和電壓的變化，通過控制PWM信號的占空比來調節光伏電池的輸出功率保持最大。并網控制環節中，本設計除采用電流內環實現并網電流同相位運行，還采用了輸出功率前饋算法用于提高系統的動態響應特性。

圖5 改進的單相光伏并網系統控制結構圖

3.1 光伏陣列模型的建立及MPPT的實現

一般來說，太陽能光伏陣列是由很多太陽能電池板組成的，而每一個太陽能電池都是由同一半導體基體上的多個串、并聯的PN結構成。在光照條件下，如果有外電路與電池相連，就會形成穩定的電流。太陽能電池的輸出特性是非線性的，它受到光照強度、環境溫度等多重因素的影響，此外光伏電池的工作電壓和工作電流還受負荷電阻的影響，不同的負荷電阻與特性的交點確定了不同的工作電流和工作電壓。所以當外界環境變化時，控制好負荷電阻的變化就可以保證輸出電流和電壓的乘積保持最大，也就是說可以通過改變負載電阻跟蹤最大功率點[9]。對于圖1所示的系統，DC/DC變換器采用了Boost斬波電路，通過控制S1的占空比D即可改變整個系統的等效阻抗，從而實現最大功率點跟蹤。

圖6 MPPT算法流程圖

圖1中，Ui和Uo是DC/DC變換器的輸入和輸出電壓，Ii是輸入的平均電流，假定Boost電路以后部分的等效阻抗為R2，D為S1的占空比且所有元件均為理想元件，則可得到以下關系：

Uo=Ui/(1-D)

(3)

(4)

令

Req=Ui/Ii

(5)

由式(1)～(3)可得：Req=(1-D)2R2。由此可知Boost電路及負載組成的等效阻抗Req，其大小由占空比D和負載R2決定。當負載R2不變的情況下，通過改變占空比D的大小就可以使Req等于光伏電池的等效內阻，從而獲得太陽能電池的最大功率輸出。

本文利用Simulink建立了光伏電池的行為模型，即根據電池的外特性擬合出相應的電壓與電流關系曲線，并采用了電導增量法作為MPPT的控制算法[9，10]，算法流程圖如圖6所示。

3.2 帶功率前饋算法的并網控制策略

單相光伏發電并網系統本質上是一個電流控制電壓型逆變器(VSI)，將光伏陣列輸出功率與直流母線電壓相除的結果作為給定電流的峰值，再與由鎖相環PLL獲得的電網電壓相位信息相乘作為電流內環的給定，與輸出電流比較后經過PI控制器輸出，最后由PWM發生器產生控制信號。

對于傳統的光伏并網系統，當光伏電池的輸出功率變化時，并網電流的動態響應速度比較慢。因此本文在傳統的閉環系統基礎上設計了一種基于功率前饋的控制算法，使得交流側輸出能夠更快地隨光伏陣列輸出功率的變化而變化，其控制結構如圖5所示。

假設主電路中的元件均為理想元件，那么并網回饋到電網的功率就應該為光伏電池的輸出功率Ppv與并網回路中損耗的功率之差，根據公式

(6)

可以求得并網側最大輸出電流的峰值IR：

(7)

式中：Ugf為電網電壓的峰值，Req為逆變器側等效阻抗。將IR與電網電壓相位信息的乘積作為電流內環的給定值，與并網電流iac的瞬時值進行比較，兩者的差值經并網電流控制環節和PWM信號發生器輸出PWM信號驅動五電平全橋逆變器。

通過本文所設計的功率前饋控制算法，在輸入功率與輸出電流之間建立了直接聯系。當輸入功率發生變化的時候，不需要前級DC/DC變換器和電壓外環的處理，直接將輸入功率變化信息傳遞給并網電流控制環節，提高了整個光伏并網系統對光伏陣列輸出功率變化的動態響應性能。

4 仿真實驗及分析

為驗證上述控制方法的有效性，在Matlab/Simulink環境下對基于多載波PWM技術和功率前饋控制算法的單相光伏并網系統進行了建模仿真，系統總體仿真模型如圖7所示。

圖7 系統仿真模型

根據表2所示的PV參數，建立了光伏電池的行為模型，并利用電導增量法實現最大功率跟蹤，從而使光伏陣列獲得了較好的輸出電壓、輸出電流及輸出功率。在標準溫度及光照條件下，光伏陣列的輸出電壓穩定在280V左右，工作電流在14A附近，輸出功率約為3900W。

圖8中，針對本文改進的單相光伏并網系統與傳統的單相光伏系統，就輸出的并網電流進行了比較。

表2 單相PV并網仿真參數

(a) 傳統光伏并網系統

(b) 改進光伏并網系統

如圖8所示，圖(a)是傳統光伏并網系統的輸出電流，通過FFT分析，可求的其諧波畸變率為5.99%，圖(b)是本文改進系統的輸出電流，其諧波畸變率為2.36%。由此可以證明本文提出的基于多載波PWM技術的改進型五電平逆變電路的有效性。

本文還基于改進后的拓撲結構，分別對無功率前饋控制環節和有功率前饋控制環節的系統進行了仿真研究，其仿真結果如圖9所示。

(a) 無功率前饋環節

(b) 有功率前饋環節

在0.2 s時，光照強度由1000 W/m2變為600 W/m2，此時系統的輸出功率將減少。從圖9的仿真結果可以看到未加功率前饋環節時，系統需要2～3個周波才能趨于穩定；而有功率前饋環節時，系統只需0～1個周波就可趨于穩定。由此可以證明本文所設計的控制算法能夠有效地提高輸出電流對輸入功率變化的響應速度，從而提高整個系統的動態特性。

最后對本系統做總體性分析，仿真結果表明：本文改進的單相光伏并網系統，結合了五電平逆變電路和功率前饋控制算法，與傳統的單相光伏并網系統相比，它能夠明顯地改善并網電流的電能質量，同時提高了系統的動態響應速度。

5 結語

本文改進了傳統的單相光伏并網系統，提出由輔助電路和全橋逆變器構成的五電平全橋逆變策略；介紹了光伏陣列的輸出特性以及兩級能量變換環節的基本原理，建立了等效光伏模型，并利用電導增量法實現了不同環境下最大功率點的跟蹤；在并網控制過程中還提出一種基于功率前饋的并網電流控制算法，并對其原理進行了分析。最后通過仿真比較，本文所提并網控制策略能夠有效提高輸出電能的質量，且具有更好的動態特性。

[1] Yan Huimin, Zhou Zhizhi， Lu Huayong． Photovoltaic industry and market investigation [C]∥International Conference on Sustainable Power Generation and Supply, Nanjing, China: 2009．

[2] 程軍照,李澍森,張騰飛(Cheng Junzhao, Li Shusen, Zhang Tengfei).多路并網光伏發電系統的仿真與分析(Simulations and analysis on a multi-branch grid-connected photovoltaic system)[J]. 電力系統及其自動化學報 (Proceedings of the CSU-EPSA), 2009, 21(4):58-62.

[3] Beser E, Arifoglu B, Camur S,etal. A grid-connected photovoltaic power conversion system with single-phase multilevel inverter[J]. Solar Energy, 2010,84(12):2056-2067.

[4] Agelidis V G, Baker D M, Lawrance W B,etal. A multilevel PWM inverter topology for photovoltaic application[C]∥ IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Guimaraes, Portugal: 1997.

[5] 肖華鋒,楊晨,謝少軍(Xiao Huafeng, Yang Chen, Xie Shaojun).基于改進型全橋電路的非隔離光伏并網逆變器(A transformerless PV grid-connected inverter based on improved full bridge topology )[J].中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE), 2011, 31(3): 40-46.

[6] 姜世公,王衛,王盼寶,等(Jiang Shigong, Wang Wei, Wang Panbao ,etal).基于功率前饋的單相光伏并網控制策略(Power-feedforward-based control strategy of grid-connected single-phase PV system)[J].電力自動化設備(Electric Power Automation Equipment)，2010, 30(6): 16-19,30.

[7] Alonso-Martinez J, Eloy-Garcia J, Arnaltes S. Direct power control of grid connected PV systems with three level NPC inverter[J]. Solar Energy, 2010,84(7): 1175-1186.

[8] Choi Woo-Young, Lai Jih-Sheng. High-efficiency grid-connected photovoltaic module integrated converter system with high-speed communication interfaces for small-scale distribution power generation[J]. Solar Energy, 2010, 84(4): 636-649.

[9] 焦陽,宋強,劉文華(Jiao Yang, Song Qiang, Liu Wenhua). 光伏電池實用仿真模型及光伏發電系統仿真(Practical simulation model of photovoltaic cells in photovoltaic generation system and simulation)[J]. 電網技術(Power System Technology), 2010, 34(11):198-202.

[10]Esram T, Chapman P L. Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques[J]. IEEE Trans on Energy Conversion, 2007, 22(2):439-449.

張勤進(1986-)，男，博士研究生，主要從事光伏并網發電、電能質量監控技術方面的研究。Email:zqj18@yahoo.com.cn

劉彥呈(1963-)，男，教授，博士生導師，主要從事智能電氣與控制網絡、機電檢測與自動化技術等方面的研究。Email:liuyc3@126.com

王 川(1985-)，男，助教，博士研究生，主要從事電力系統建模與仿真、故障診斷等方面的研究。Email:chuanwang0101@163.com

Grid-connectedPVSystemontheCombinationofFive-levelInverterandPowerFeed-forward

ZHANG Qin-jin， LIU Yan-cheng， WANG Chuan

(Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In the traditional single-phase grid-connected photovoltaic (PV) system, the output grid-current has the shortcomings of high THD (total harmonic distortion) and slow dynamic response. In this paper, an improved method on the inverter is proposed to solve these problems. The improved inverter, which is called five-level inverter, is composed of full-bridge circuit and auxiliary circuit. Applying the multi-carrier PWM(pulse width modulation)technology, the output voltage of the inverter is produced in five levels. This method can reduce the THD of the grid current. At the same time, the control method is optimized with the power feed-forward algorithm. The output power information of PV arrays is added to the current close-loop as a feed-forward, which improves the grid-current's dynamic response to the changes of input power. In the end, simulation proves the effectiveness of the proposed method.

grid-connected PV(photovoltaic)inverter； five-level inverter； multi-carrier PWM(pulse width modulation)； power feed-forward； total harmonic distortion(THD)

TM615

A

1003-8930(2012)06-0052-06

2011-10-24；

2011-11-30

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