光伏并網三相電流型多電平變流器拓撲與控制

鮑建宇鮑衛兵李玉玲

（1. 浙江大學寧波理工學院自動化與電氣工程研究所 寧波 315100 2. 浙江工業大學之江學院 杭州 310024 3. 浙江大學電氣工程學院 杭州 310027）

光伏并網三相電流型多電平變流器拓撲與控制

鮑建宇1鮑衛兵2李玉玲3

（1. 浙江大學寧波理工學院自動化與電氣工程研究所 寧波 315100 2. 浙江工業大學之江學院 杭州 310024 3. 浙江大學電氣工程學院 杭州 310027）

由于光伏電池具有電流源輸出特性，因此電流型變流器非常適合于光伏并網系統。采用多電平結構，具有輸出電流波形正弦度好、輸出電流控制直接、開關器件電流應力低以及等效開關頻率高等優點。提出一種三相電流型多電平變流器光伏并網系統，采用兩組光伏電池陣列供電。通過插入一級直流-直流變換電路，實現最大功率點跟蹤獨立控制。網側采用一種新型三相電流型多電平變流器，通過移植電壓型多電平變流器的PD-PWM技術，有效減小入網電流諧波畸變。結合鎖相環與功率解耦控制，提出基于電流型多電平變流器的并網控制策略，實現網側的任意功率因數運行。基于 PSIM仿真環境搭建系統模型，仿真結果說明了光伏并網三相電流型多電平變流器拓撲與控制的有效性。

光伏并網 電流型多電平變流器 最大功率點跟蹤 PD-PWM 功率因數

0 引言

隨著世界性能源緊張和環境污染加劇，光伏發電已成為未來新能源發電的重要方向之一。光伏發電系統和其他大部分可再生能源一樣，其直接產生的能量通常是不穩定的，因此需要在光伏電池與電網之間配置容量適合的電力電子變流器，再與公共電網相連，以實現并網。因此，電力電子變流器的性能和控制對光伏并網發電具有極其重要的意義。

目前，并網系統主要采用電壓型變流器作為電路接口，電流型變流器由于儲能電感效率、功率器件需串聯二極管等因素，在一定程度上限制了其應用范圍。然而，作為電壓型變流器的對偶拓撲，電流型變流器的一些內在電路特性也非常適合于光伏并網系統[1]，如太陽能光伏電池本身具有電流源型特性；內在升壓特性使得無需采用中間升壓斬波器（Boost）即可實現弱光至強光的光能利用；對輸出電流的直接控制，使能量回饋控制更方便；發生過流時容易得到及時保護，系統可靠性提高；采用多電平結構可保證低諧波電流進電網，諧波總畸變率（THD）指標容易滿足并網要求；低開關頻率工作，可減少開關損耗，提高系統的功率傳輸能力[2,3]。

隨著可再生能源發電技術的不斷發展，國內外一些學者開始嘗試將電流型變流器及其多電平結構應用于風力發電或光伏并網發電系統。在傳統電流型變流器并網應用方面，文獻[4-6]分別介紹了新型多電平電流型變流器拓撲及其調制技術。文獻[7,8]討論了電流型多電平變流器的均流特性以及相應的均流控制方法。文獻[9]提出電流型變流器（Current Source Converter，CSC）在并入公用電網時的功率控制方法，包括有功與無功控制。文獻[10]采用滑模控制實現了以電流為控制目標的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法，基于電流型變流器同樣可以實現光伏電池的最大功率跟蹤。上述研究成果有效解決了傳統電流型變流器在系統并網應用時的一些實際問題。為適應大電流工作場合并獲得更好的諧波性能，電流型多電平變流器的應用研究逐漸引起關注。P. G. Barbosa等將一種單相電流型多電平變流器用于單相光伏并網應用系統，變流器輸出電流獲得了較好的諧波特性[11]。文獻[12]將組合式的電流型多電平變流器結構用于光伏發電并網系統，提出具體的MPPT算法以及交直流側的電流控制方法，并對相關結論進行了仿真。由于在電流型多電平變流器光伏并網系統中，直流側需要采用多組光伏電池模塊供電，光照不均等外界條件變化容易產生電流型多電平變流器的中間電平電流不平衡問題，從而影響合成后多電平輸出電流的諧波特性，文獻[13]考慮了此問題，提出交流側抑制低次諧波的解決方法，但沒有提出相應的均流控制方法。

在現有研究的基礎上，本文以三相光伏并網系統為研究對象，采用兩組獨立的光伏電池板陣列供電，每組光伏陣列分別配置一個直流-直流變換電路，以實現獨立的最大功率跟蹤控制；網側采用三相電流型多電平變流器，并移植電壓型多電平變流器的PD-PWM技術；結合鎖相環與功率解耦控制，提出基于電流型多電平變流器的并網控制策略，實現了網側可任意功率因數運行，使系統具有良好的動態和穩態性能。

1 系統構成

整個光伏并網系統主要由以下幾部分組成：光伏電池陣列、基于MPPT的恒流變換電路、三相五電平電流型變流器和電容濾波器。系統構成如圖 1所示。

圖1　電流型多電平變流器光伏并網系統構成Fig.1 Multilevel CSC-based photovoltaic grid-connection system

由于網側的三相五電平電流型變流器需要兩個獨立電流源供電，因此整個系統需配置兩組獨立的光伏電池板陣列，每組光伏陣列后分別插入一級直流-直流變換電路，以實現光伏電池的最大功率跟蹤控制以及直流側電流的最優控制。電網側采用一種新型三相五電平電流型變流器拓撲，該拓撲與三相五電平飛跨電容鉗位電壓型變流器完全對偶，通過移植電壓型多電平變流器的多載波PWM技術，同樣可以有效消除并網電流的低次諧波含量。

2 MPPT控制及實現

電壓型變流器主要依據太陽電池的P-V曲線來尋找最大功率點[14]。電流型變流器和電壓型變流器的工作方式不同，電壓型的MPPT已不再適用。根據圖2得到的太陽電池P-I曲線，以電流為控制目標，讓直流側輸出的電流跟蹤太陽電池輸出的最大功率點處的電流值，所以MPPT算法可采用以電流為變量的電流型電導增量法，MPPT的輸出就是最大功率點處的電流值。

圖2 太陽電池P-I特性曲線Fig.2 P-I curve of photovoltaic battery

圖3給出了具體的控制電路，以PV1陣列為例進行說明。系統實時采集 PV1的輸出電流 iPV1和輸出電壓vPV1，由MPPT控制器計算得到一個最優占空比 Dref，經波形調制電路后產生 PWM脈沖信號來調節開關管 VT1以實現最大功率跟蹤。Idc1為網側三相五電平電流型變流器的其中一個直流電流源。同理，可以產生另一路直流電流源 Idc2為網側變流器供電。

圖3　基于MPPT的恒流控制電路Fig.3 Constant current circuit based on MPPT

3 并網控制及實現

網側采用一種新型三相五電平電流型變流器，該拓撲是以三相飛跨電容鉗位五電平電壓型變流器作為原始拓撲，通過對偶變換推導得到，電路如圖4所示。主電路需要2個獨立電流源、3個分流電感、12個開關器件和 12個快恢復二極管；三相負載呈星形聯結方式而無需中性線。根據電路對偶關系，所有適用于三相電壓型多電平變流器的PWM調制策略都可以在該類拓撲中應用。

3.1多電平電流產生機理

假設分流電感 La上的電流穩定在中間電平電流Idc，由于與分流電感連接在同一端點的兩個開關分別工作在互補狀態，則電流ia1可以產生三種電平電流：①Sa1和 Sa2導通，ia1=+2Idc；②Sa1和 Sa3或Sa2和Sa4導通，ia1=+Idc；③Sa3和Sa4導通，ia1=0。

同理，可得到ib1產生三電平電流的工作方式：①Sb1和 Sb2導通，ib1=+2Idc；②Sb1和 Sb3或 Sb2和Sb4導通，ib1=+Idc；③Sb3和Sb4導通，ib1=0。

由圖4可知，a相的輸出總電流ia=ia1?ib1，由于ia1和ib1都為三電平電流，兩者相減后就可獲得五電平的輸出電流，即變流器a相輸出電流ia為五電平電流。同理，可以推導出b、c兩相輸出電流ib、ic的五電平產生方式。其實，五電平電流的產生機理與三相電壓型多電平變流器中五電平電壓的產生方式完全一致，即輸出的相電壓為三電平，而相電壓之差就產生了五電平的線電壓。

圖4　新型三相電流型五電平變流器Fig.4 A new three-phase current-source five-level converter

圖5　三電平PD-PWM載波與調制波Fig.5 Carrier and modulation waveforms of PD-PWM

3.2PD-PWM實現

在電壓型多電平變流器中，采用PD-PWM技術可以獲得較低的線電壓諧波。根據對偶理論，PD-PWM 同樣適用于電流型多電平變流器以獲得較低的電流諧波畸變。PD-PWM實現原理如圖5所示。圖中和為三相電流調制信號，WC1和WC2為三角載波，從上至下，兩個三角載波的相位保持一致。在每一瞬時，兩個三角載波與同一個正弦波進行比較，得到相應的二電平開關信號，根據表1所列的規律分別分配給相對應的開關器件。同理，可獲得其他兩相開關器件的驅動脈沖信號。

表1　三電平PD-PWM開關狀態譯碼Tab.1 Switching-states decoding for three-level PD-PWM

3.3并網控制

基于電網電壓定向電壓矢量控制[15]，三相電網電壓經 dq變換后得到直流電壓分量 Vsd和 Vsq，通常設Vsq=0，因此有功功率或無功功率僅與Vsd有關，即

由式（1）可知，并網逆變器的輸出有功功率受控于d軸電流，而無功功率則受控于q軸電流。圖6示出了具體的實現方案。

圖6 并網控制實現方案Fig.6 Implementation method for grid-connection

為提高光伏并網系統的靈活性，通常要求網側變流器可實現任意功率因數運行。在圖6所示控制系統中，如給定即可實現單位功率因數運行；而都給定正值，則可實現超前功率因數運行；反之給定正值給定負值，則實現滯后功率因數運行。

4 仿真分析

為驗證該光伏并網系統的工作機理，基于PSIM仿真環境，分別對基于電流控制的MPPT技術、三相電流型五電平變流器以及并網控制策略進行了仿真研究。PSIM中自帶物理模型MSX—60，其最大功率為60W，最大功率點處的電壓為17.1V、電流為3.5A，光伏系統中的電池板由30串、20并MSX—60組成。直流側濾波電感L1=L2=100mH，五電平變流器中分流電感La=Lb=Lc=10mH，采用PD-PWM調制，開關頻率fc=5 000Hz。電網電壓380V、頻率50Hz，網側等效電感Lg=0.2mH、等效電阻Rg=100mΩ，濾波電容為100μF。

圖7a中，Idc1為光照強度1 000W/m2時的直流側總電流，經三個均流電感分流后獲得電流值等于Idc1/2的中間電平電流，分別為iLa、iLb和iLc。圖7b的仿真波形證明了 3.1節所描述的五電平電流產生機理，ia1、ib1分別為PD-PWM調制的三電平開關電流波形，由于 ia=ia1?ib1，兩者相減后即產生 a相的五電平PWM電流波形。

圖7　恒定光照強度下變流器電流波形Fig.7 Current waveforms of CSC under constant light intensity

圖8　光照強度變化時變流器輸出電流波形Fig.8 Current waveforms of CSC with varied light intensity

圖 8a示出了光照強度分別為 600W/m2、800W/m2和1 000W/m2時，直流側母線電流可以實時跟蹤太陽電池輸出最大功率時的電流值，從而說明了以電流為調節變量的電導增量MPPT算法用于電流型變流器的可行性。當光照強度變化引起直流母線電流變化時，該五電平電流型變流器的三相輸出電流可以快速實時響應，其波形如圖8b所示。圖9a中，給定I*sd=0.8、I*sq=0，通過PI調節，實測的 isd、isq分別穩定在給定值，網側電壓 vsa和電流isa同相位，即單位功率因數運行；同理，圖9b中，給定I*sd=0.8、I*sq=0.2，實現超前功率因數運行；如 I*sd=0.8、I*sq= ?0.2，則實現滯后功率因數運行，波形如圖9c所示。仿真結果說明了網側變流器可實現任意功率因數運行。

圖9　電網側電壓和電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms on the grid side

5 結論

針對由光伏電池陣列、MPPT恒流變換電路和三相五電平電流型變流器組成的光伏并網系統，直流側采用兩組獨立恒流變換電路，采用基于電流的電導增量法實現MPPT控制。網側采用一種與三相電壓型多電平變流器對偶的新型電流型多電平變流器，采用 PD-PWM調制有效降低低次電流諧波含量；結合鎖相環與功率解耦控制，通過設定有功與無功給定，可實現網側任意功率因數運行，使系統具有良好的動態和穩態性能。

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Topology and Control of Three-Phase Multilevel Current-Source Converter for Photovoltaic Grid-Connection

Bao Jianyu1Bao Weibing2Li Yuling3
（1. Institute of Automation and Electrical Engineering Ningbo Institute of Technology Zhejiang University Ningbo 315100 China 2. Zhijiang College Zhejiang University of Technology Hangzhou 310024 China 3. College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China）

Since photovoltaic cell behaves the characteristics of current source, current-source converter (CSC) is suitable for grid-connected photovoltaic (PV) system. Using multilevel structure has the advantages of good sinusoidal current wave, direct control to output current, low current stress for switching device and high equivalent switching frequency. A grid-connected PV system based on a new three-phase multilevel CSC is proposed, herein two PV modules are used as the DC supplies. Two DC-DC converters are inserted behind PV modules to implement maximum power point tracking (MPPT). On the grid side, a new three-phase multilevel CSC is used as grid-connected converter, by implanting PD-PWM technique of multilevel voltage-source converter (MVSC) into such multilevel CSC, which can effectively reduce the harmonic distortion. Combined with phase lock loop (PLL) and power decoupling control, the grid-connected strategy for such multilevel CSC is obtained to achieve random power factor (PF) operation. All the proposed concepts are verified by simulation models built in PSIM.

Photovoltaic grid-connection, current-source multilevel converter, maximum power point tracking, PD-PWM, power factor

TM464

鮑建宇 男，1976年生，博士，副教授，研究方向為電流型多電平變流技術。

E-mail: jianyu_bao@126.com（通信作者）

鮑衛兵 女，1966年生，碩士，副教授，研究方向為工業自動化應用技術。

E-mail: baoweibing@zjut.edu.cn

國家自然科學基金（51277164）和浙江省自然科學基金（Y1111002）資助項目。

2014-04-22 改稿日期 2014-08-10