多電平并網(wǎng)逆變器H橋功率跟蹤及功率匹配控制

摘 要： H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器可實(shí)現(xiàn)光伏電池單級(jí)式并網(wǎng)，但是由于該系統(tǒng)只在各H橋單元存在一次能量變換，除了要考慮常規(guī)逆變器控制及并網(wǎng)控制外，還需要同時(shí)考慮到各H橋單元所接光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）及H橋傳輸功率匹配的問題。對此提出對每個(gè)H橋單元加入一個(gè)MPPT控制器的控制方法，使得各H橋所接光伏電池均能工作在各自的最大功率點(diǎn)，能有效提高各H橋單元光照不均衡條件下MPPT跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，同時(shí)基于各H橋單元最大功率跟蹤過程中的電壓誤差，對各H橋的SPWM調(diào)制波幅值進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)各H橋傳輸功率與光伏電池最大輸出功率相匹配。最后在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明以七電平級(jí)聯(lián)光伏并網(wǎng)逆變器為例證實(shí)了該系統(tǒng)的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 級(jí)聯(lián)多電平逆變器； H橋獨(dú)立MPPT控制； 載波水平移相調(diào)制； 傳輸功率匹配

中圖分類號(hào)： TN820.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0104?04

Abstract： The H?bridge cascaded multilevel inverter can realize the single?stage grid?connection of photovoltaic （PV） cell. However， as this system has only once energy conversion in each H?bridge module， besides the conventional inverter control and grid?connected control， the maximum power point tracking （MPPT） of PV cell connected with each H?bridge module and H?bridge power matching should also be considered. The control method of adding a MPPT controller into each H?bridge module is proposed to make the PV cells connected with each H?bridge module work at the maximum power point respectively， which can improve the MPPT accuracy and stability of each H?bridge module effectively in the condition of imbalance illumination. According to the voltage error of each H?bridge module in the maximum power tracking process， the amplitude of SPWM modulating wave of each H?bridge module is controlled proportionally to match the maximum output power of PV cells with each H?bridge transmission power. The system was tested on Matlab/Simulink simulation platform. The system feasibility and reliability were verified by taking 7?level cascaded H?bridge PV grid?connected inverter as an instance.

Keywords： cascaded multilevel inverter； H?bridge independent MPPT control； carrier wave phase?shifting modulation； transmission power matching

太陽能作為一種無污染、資源充足的綠色可再生能源已成為人類開發(fā)利用的焦點(diǎn)，通過光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)換成可并網(wǎng)的電能是當(dāng)今世界光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過去的3年里有近1 000 GW的光伏發(fā)電系統(tǒng)并入了電網(wǎng)[1?4]。非凡的市場增長速度促進(jìn)了并網(wǎng)逆變器的迅猛發(fā)展，高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)必將成為光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

但是現(xiàn)今光伏并網(wǎng)實(shí)際運(yùn)用中，往往需要將大量光伏電池進(jìn)行串并聯(lián)之后才能滿足光伏變換器輸入端要求的電壓和功率等級(jí)，需要DC/DC，DC/AC兩級(jí)功率變換裝置才能實(shí)現(xiàn)光伏電池并網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]。對此，本文基于級(jí)聯(lián)多電平變換器的相電壓冗余特性實(shí)現(xiàn)了光伏電池單級(jí)式并網(wǎng)，提出了一種適用于級(jí)聯(lián)多電平逆變器多H橋結(jié)構(gòu)的MPPT控制策略，能有效提高光伏電池輸出效率。

1 H橋級(jí)聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

級(jí)聯(lián)多電平逆變器具有相電壓冗余和易于模塊化的特點(diǎn)，適用于光伏電池并網(wǎng)這種多個(gè)獨(dú)立電源輸入的系統(tǒng)[5?7]。多個(gè)H橋串聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)能有效提高光伏電池輸入電壓和容量等級(jí)，可避免大規(guī)模的電池串并聯(lián)，還能減小熱斑效應(yīng)和多峰值效應(yīng)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的影響，無需變壓器直接實(shí)現(xiàn)高低電壓變換，可以實(shí)現(xiàn)光伏電池單級(jí)式并網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。同時(shí)，級(jí)聯(lián)多電平逆變器每一個(gè)H橋都有獨(dú)立的直流母線，這使得對每一個(gè)H橋所接光伏電池實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的MPPT控制成為可能，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

2 多電平逆變器H橋單元MPPT控制

級(jí)聯(lián)多電平逆變器具有多個(gè)H橋，每個(gè)H橋所接光伏電池可視為功率源輸入，都以各自的功率向逆變器輸出[8]，但由于光照和溫度的影響每個(gè)H橋所接光伏電池最大功率輸出點(diǎn)可能不一致。對此，本文提出了對每個(gè)H橋所接光伏電池進(jìn)行獨(dú)立MPPT控制的策略，使得每個(gè)H橋所接光伏電池均工作在各自的最大功率輸出點(diǎn)，當(dāng)部分H橋光照環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，其他H橋輸出不受干擾。控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，在多電平逆變器控制系統(tǒng)中給每一個(gè)H橋單元加入了一個(gè)MPPT控制模塊，用來計(jì)算各H橋單元光伏電池的參考電壓Vref，并得到與實(shí)際輸出電壓vPV的誤差ev，并將其總誤差經(jīng)過PI控制器計(jì)算后作為逆變器輸出電流控制參考值Iref，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)etotal零誤差控制。

由于單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)只有一次能量變換，若只采用定步長MPPT跟蹤控制，通常會(huì)產(chǎn)生直流母線電壓跌落的現(xiàn)象，在MPPT跟蹤過程中當(dāng)選取的調(diào)整步長不合適時(shí)也會(huì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象。經(jīng)過Matlab仿真，單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在光照強(qiáng)度突然減小時(shí)，引起的母線電壓跌落過程波形如圖3所示，由圖3可以看到這一擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)逆變器輸出功率參考值偏離并超出光伏電池當(dāng)前的最大輸出功率，這時(shí)光伏電池并聯(lián)電容放電，直流母線電壓持續(xù)降低，光伏電池工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)左邊移動(dòng)，導(dǎo)致光伏電池輸出功率進(jìn)一步減小，產(chǎn)生惡性循環(huán)造成直流母線電壓跌落。

針對光伏單級(jí)并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏電池輸出側(cè)母線電壓跌落現(xiàn)象，本文在變步長電壓擾動(dòng)觀測法[8?9]基礎(chǔ)上對內(nèi)環(huán)電流參考值的運(yùn)算進(jìn)行了改進(jìn)，算法流程圖如圖4所示。通過檢測到的光伏電池輸出電壓Upv和電流Ipv計(jì)算電池輸出功率變化值[ΔP]，當(dāng)檢測到[ΔP]減小幅值超過設(shè)定閾值[ΔPmax]時(shí)，則認(rèn)為光照強(qiáng)度發(fā)生階躍變化。這時(shí)跳出MPPT運(yùn)算模塊，參照這時(shí)的光伏板實(shí)際輸出功率PPV來設(shè)定內(nèi)環(huán)電流參考值Iref，從而限制逆變器輸出功率，使母線電容上的輸入輸出功率基本保持平衡，繼而有效避免發(fā)生母線電壓跌落。圖4中IPV為輸出電流設(shè)定修改值，比例K為變步長比例常數(shù)，K與[ΔP]的乘積為擾動(dòng)電壓變步長給定值。

3 H橋傳輸功率匹配控制

對逆變器整體的控制可以實(shí)現(xiàn)etotal的零誤差，而為了實(shí)現(xiàn)各H橋單元在最大功率跟蹤過程中的電壓誤差evi也為零，還需要完成H橋傳輸功率與光伏電池輸出功率的匹配。然而由于多電平逆變器各H橋單元的傳輸功率受調(diào)制方法影響，往往在逆變器總輸出功率一定時(shí)，各H橋的傳輸功率也是一定的[10?12]。多電平脈寬調(diào)制策略中，假設(shè)兩H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器輸出功率因數(shù)為1，若使用載波層疊（Carrier Disposition，CD）調(diào)制策略，兩個(gè)H單元的傳輸功率為：

式中：[vPVi]為第i個(gè)H橋光伏電池實(shí)際輸出電壓；Vrefi為第i個(gè)H橋光伏電池輸出參考電壓。如圖5所示，將比例系數(shù)ri與調(diào)制波m的乘積作為各H橋新的調(diào)制波m1，m2，m3，再與載波水平移相調(diào)制方法中的各組載波比較，得到各個(gè)H橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

當(dāng)H橋傳輸功率與光伏電池最大輸出功率不匹配時(shí)，光伏電池實(shí)際工作電壓與參考電壓會(huì)產(chǎn)生誤差，當(dāng)[vPVi]Vrefi時(shí)，調(diào)制波調(diào)節(jié)系數(shù)ri>1，該H橋調(diào)制波幅值mi增大，H橋傳輸功率增大，光伏電池并聯(lián)電容放電，光伏電池實(shí)際輸出電壓降低，從而實(shí)現(xiàn)逆變器各H橋傳輸功率的匹配。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)本文提出的控制方法，基于Matlab/Simulink仿真軟件搭建了H橋級(jí)聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用光伏電池作為獨(dú)立電源給七電平級(jí)聯(lián)逆變器各H橋供電，其中光伏電池模型的參數(shù)基于中國安利公司的YEG?250W光伏組件參數(shù)設(shè)定，具體參數(shù)如下：Voc=36.5 V，Isc=9.1 A，Vmp=30.4 V，Imp=8.2 A，Tref=25 ℃，Sref=1 000 W/m2。仿真過程中，當(dāng)各H橋所接光伏電池環(huán)境溫度為25 ℃，光照條件如圖6所示變化時(shí)，各H橋調(diào)制波調(diào)節(jié)系數(shù)r1，r2，r3與各H橋輸出功率如圖7、圖8所示。可知，七電平逆變器內(nèi)3個(gè)H橋所接光伏電池均工作在各自的最大功率輸出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了H橋傳輸功率和光伏電池最大輸出功率的匹配。逆變器級(jí)聯(lián)H橋輸出電壓和并網(wǎng)電流波形如圖9、圖10所示，可見系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

本文采用了H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對其多H橋串聯(lián)輸入的特點(diǎn)，提出了新的最大功率跟蹤控制算法和控制策略，并對多電平SPWM調(diào)制策略進(jìn)行了改進(jìn)。在新控制策略下，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，在部分H橋光伏電池光照環(huán)境發(fā)生突變的情況下能快速尋找各自新的工作點(diǎn)，對逆變器內(nèi)各H橋所接收光伏電池實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的最大功率跟蹤。在光照不均衡情況下，各H橋所接光伏電池的輸出相互之間不受影響，有效提高了光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤精度，并完成了各H橋傳輸功率與光伏電池最大輸出功率的實(shí)時(shí)匹配控制，整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定特性和動(dòng)態(tài)特性。

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