基于MMC的光伏逆變并網系統仿真研究

姜婷婷

（國網江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222000）

0 引言

隨著人類社會經濟的不斷發展，能源越來越多的被人類所需求，但同時有限的化石能源儲量不斷減少，并日趨枯竭。因此，為實現社會經濟可持續發展，人類對太陽能、風能等可再生新能源的開發和利用就成為了必然選擇。太陽能作為一種清潔、可再生能源，受到世界各國的重視。2013年，我國光伏裝機容量已經達到1942萬千瓦，位居世界第二位。國家電網公司提出：到2020年，我國光伏發電總裝機容量將達到1億千瓦。隨著大規模的光伏產業的興起，逆變器作為光伏并網系統的最為核心器件，其性能的好壞影響著光伏電站輸出效率以及電能質量的好壞，而傳統VSC的光伏逆變器已不能滿足高電壓等級、高電能質量的要求[1-2]。

目前，已有不少專家學者對新型光伏逆變器進行了研究。文獻[3]研究了飛跨電容多電平逆變器在光伏系統中的應用，需改善輸出電壓的波形，但其需要昂貴的飛跨電容，成本太高，性價比低。文獻[4]研究了二極管鉗位多電平換逆變器，電平數越多，其均壓問題引起的設計復雜度越高，并且需要的鉗位二極管數量也大幅度增加，因此，在實際應用中電平數不會太高，一般不超過5電平。文獻[5]研究了級聯H-橋在應用在光伏并網系統中，可適應高電壓等級，但在控制策略上存在缺點，即不能對多個光伏陣列同時實現最大功率點跟蹤。隨著MMC逆變器技術發展成熟，將其應用在風電、光伏等新能源并網方面，均取得了較好的逆變效果，文獻[6]提出了將MMC應用在低壓集中式光伏并網系統中，并對MMC雙閉環控制結合最大功率點跟蹤技術重點研究，但對MMC研究不夠深入。文獻[7]將MMC應用在低壓集中式光伏并網系統中，提出了將MMC功率單元由H橋結構改為半橋結構，并且光伏逆變效果較好，但其研究偏向于拓撲結構。

鑒于以上分析，本文提出了一種基于MMC的光伏逆變系統。在光伏系統中，外環采用電壓控制，可穩定直流側電壓，內環采用電流控制，實現了無功、有功解耦，并采用均壓控制方法控制了子模塊電容電壓波動。MMC的光伏逆變系統不僅可以提高光能利用率，還可以滿足高電壓等級、高電能質量的要求。

1 工作原理

1.1 光伏系統工作原理

光伏并網系統由光伏陣列、Boost升壓電路、MMC逆變電路、最大功率點跟蹤模塊以及電網組成,如圖1所示。其中Boost升壓電路完成直流電壓等級轉換，最大功率點跟蹤模塊完成光伏陣列的MPPT控制，而MMC逆變器具有逆變功能并控制逆變器直流側電壓恒定及故障情況下的無功補償功能。

圖1 基于MMC的光伏并網逆變系統Fig.1 Photovoltaic grid-connected inverter system based on MMC

1.2 MMC逆變器工作原理

三相MMC是由六個橋臂構成的，每相的相單元中包含兩個對稱橋臂，每個橋臂由結構個數相同的子模塊SM和橋臂電感構成，一個橋臂由多個子模塊級聯構成，圖2所示為MMC的三相拓撲結構。

圖中，Udc為直流母線電壓額定值，L為橋臂電感，Lx為網側電感。從圖中分析可知這種新型的模塊化多電平電壓源型換流器通過各子模塊的級聯實現交直流能量的變換，MMC中每相具有上、下兩個橋臂結構，其中橋臂電感和N個子模塊又構成一個橋臂。而每一個SM，由一個半橋功率開關和一個直流電容并聯組成。由圖分析可知，每個子模塊基本都有用于串聯接入主電路的連接端口。MMC的各相相單元并聯后形成公共的直流母線，并在上、下橋臂相交的交點處形成各相相單元的交流輸出端，所以MMC型換流器具有整流和逆變的功能[7-8]。

可以看到通過控制子模塊的兩個IGBT開關S1，S2通斷便可以控制子模塊的投入和切除，從而控制MMC的輸出電壓，通過改變每相上下橋臂處于投入運行狀態的子模塊數量，可以使MMC輸出不同電平數的階梯波。

三相MMC由2N個SM組成相單元則可以構成N+1個電平，任意時刻都應保證一個相單元中有一半的SM投入，每相處于輸出狀態子模塊個數即為N。當每個橋臂有N個換流單元級聯時，橋臂輸出電壓的狀態具有N+1個電平狀態。

圖2 MMC三相拓撲結構圖Fig.2 MMC three-phase topology

表1 SM開關狀態及輸出電壓、電流情況Table 1 SM switch status and output voltage and current conditions

2 基于MMC的光伏逆變系統的控制策略

2.1 雙閉環矢量控制

通過內環電流控制，可得到分別對應MMC期望的參考電壓經過坐標變換得到的d-q坐標系下的輸出分量。依據MMC換流器電網電壓的相位信號以及電壓參考分量，經過調制后可獲得各子模塊的觸發信號。可采用電流解耦控制來消除并網系統的電壓擾動以及d軸、q軸分量二者間的電流耦合達到簡化控制器設計的目的。為了提高MMC系統動態特性，在內環電流控制中添加擾動電壓usd、usq作為前饋補償項[9]，控制結構如圖3所示：

如圖4所示，通過外環電壓控制，可使保持系統直流母線電壓穩定。udc為反饋對象并通過PI環節對電壓偏差量進行校正，輸出作為電流解耦控制的有功電流參考值

圖3 電流解耦控制Fig. 3 Current decoupling control

圖4 直流電壓控制器Fig.4 DC voltage controller

2.2 子模塊均壓

由于充電時電容電壓升高，放電時電容電壓降低。另外MMC子模塊旁路時電容電壓保持不變。在一個周期范圍內，MMC子模塊電容電壓的升降水平取決于充放電的時間長短，所以控制一相內的MMC各子模塊電容電壓可通過改變充放電時間達到電壓均衡控制[10-11]。

利用以上原理，若要達到控制MMC子模塊電容電壓的效果，每一相子模塊電容需要電壓瞬時值跟蹤參考值并進行做差比較，MMC每相上橋臂子模塊對應的控制框圖如圖5。

圖5 MMC上橋臂均衡控制Fig.5 MMC Upper Arm Balance Control

2.3 子模塊均衡控制

MMC的調制方式選擇載波移相正弦脈寬調制時，若MMC橋臂存在N個級聯的子模塊時，設置N個相位依次錯開2π/N 度的三角載波[12-13]。一般情況下MMC子模塊參考電壓均等于橋臂參考電壓，N個MMC子模塊參考電壓與N個載波進行對比，對應產生N個PWM脈沖，分別控制N個子模塊的上IGBT開關，PWM脈沖取反后用來驅動MMC子模塊的下IGBT開關。

3 仿真驗證

本文在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建基于MMC換流器的光伏并網仿真模型，仿真參數如表2。

表2 MMC主要仿真參數Table 2 MMC main simulation parameters

MMC的并網點電壓、電流，MMC將直流你變成交流，如圖7、圖8所示。

圖6 無功電流跟蹤情況Fig.6 Reactive current tracking

圖7 MMC光伏并網逆變三相電壓Fig.7 MMC photovoltaic grid-connected inverter threephase voltage

圖8 MMC光伏并網逆變三相電流Fig.8 MMC photovoltaic grid-connected inverter three-phase current

電壓諧波總畸變率僅為0.16%，電流諧波總畸變率僅為1.93%，這充分證明了MMC多電平輸出的優勢，可以減少諧波，如圖9、圖10所示。

由上述仿真分析可知，MMC可以很好的應用在光伏并網逆變系統中，并且驗證了MMC光伏并網系統控制策略的正確性。此外，MMC的光伏并網系統還具有不需要額外的無功補償設備、輸出波形較好的優點。

圖9 MMC光伏并網逆變三相電壓諧波分析Fig.9 Three-phase voltage harmonic analysis of MMC photovoltaic grid-connected inverter

圖10 MMC光伏并網逆變三相電流諧波分析Fig.10 Three-phase current harmonic analysis of MMC photovoltaic grid-connected inverter

4 結論

光伏并網逆變系統通過采用外環電壓控制和內環電流控制，可以穩定系統直流側電壓，并且實現無功和有功解耦。采用子模塊電容均壓控制方法，可以穩定子模塊電容輸出電壓，保持系統穩定運行，并采用正弦載波移相調制策略實現調制功能。在Matlab/Simulink搭建了基于MMC的光伏并網逆變系統仿真模型，驗證了MMC可應用在大規模光伏并網逆變系統中，并可減少電流、電壓諧波，提高電能質量。

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