基于H橋的光伏并網逆變器不平衡功率控制

劉志堅， 侯文寶， 李德路

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑節(jié)能與建造技術協同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

級聯H橋變換器(Cascaded H-bridge Converter， CHB)在儲能、高壓大功率交流傳動、大規(guī)模光伏電力系統(tǒng)應用廣泛[1-5]。在大規(guī)模光伏電力系統(tǒng)中，功率等級為100 kW～1 GW的光伏并網逆變器具有三相拓撲和模塊化設計。對于此類由大規(guī)模光伏電池陣列、DC-DC變換器、逆變器組成的光伏并網逆變器均采用H橋拓撲鏈接其獨立的直流母線與獨立的光伏組件，因而更易于擴展至更高的功率等級[6]。也因此，CHB被稱為“下一代光伏發(fā)電系統(tǒng)最合適的拓撲”[7]。

在各H橋與光伏組件之間一般采用帶有高頻隔離變壓器的獨立DC-DC變換器實現MPPT算法并與電網隔離[8-10]。在單相內采用上述單元化組件進行級聯實現高壓大功率逆變。需要指出的是，在某些情況下三相光伏組件可輸出的總功率不均衡，這主要由光照條件、溫度、各模塊的差異等原因導致的[11-13]。非均衡的輸出功率導致非均衡的三相交流電流，甚至導致并網逆變系統(tǒng)脫離電網[14-15]。鑒于此，文獻[8]中提出了采用零序電壓注入法的功率不均衡控制策略，使得三相功率生成系數達到其期望值，然而該文尚未分析三相功率系數能達到的極限值。

本文提出一種不平衡功率控制策略(Unbalanced Power Control Method, UPCM)。該控制策略可以解決光伏板直流側輸出功率不均衡問題，通過實時計算三相交流功率獲得三相不平衡功率系數，并加入占空比修正量使得各相直流側功率趨向期望值。該控制策略計算方法簡單、精度較好、易于實現。最后通過Matlab/Simulink和實驗平臺對比了文獻[11]中的FFZSI、DMM和本文所提出的UPCM方法，驗證了所提出方法的可行性和有效性。

1 簡化調制策略引入

以圖1所示級聯H橋逆變器主電路為例，設各H橋子模塊直流母線電壓為Udc_Xn(X=A/B/C，n=1,2,…)且相等，即：

Udc_X1=Udc_X2=Udc_Xn=Udc

(1)

圖1 級聯H橋逆變器主電路

依據文獻[16]及圖1，可建立如下所示端口電壓方程：

表1 各級子模塊的開關狀態(tài)和端口電壓

(2)

(3)

式中，uz為與零序分量等效uOO’的部分。

(4)

由式(3)和(4)可得：

(5)

式中，ΔT=uzTs/Udc。

由式(5)可以寫出三相占空比求解的統(tǒng)一表達式：

(6)

為獲得線性調制范圍，ΔT需滿足：

(7)

(8)

2 直流側功率計算與分析

2.1 直流側功率計算

交流側三相輸出功率

(9)

若忽略變換器損耗，在一個基波周期內直流電源輸出功率與由直流側傳遞至變換器交流側的功率PX_ac相等，即各H橋子模塊直流側輸出的“直流功率”PXn與該相直流功率總和PX滿足:

(10)

idc_Xn=iXSXn

(11)

式中：idc_Xn是流經母線的直流側電流；iX是交流側輸出電流；SXn為各子模塊開關函數，滿足SXn=SXn1-SXn2；T為基波周期。

結合式(6)、(10)及(11)可得：

(12)

假設直流側電壓、電流在一個載波周期Ts內保持不變，式(12)可以改寫為

(13)

式中，pX(k)表示X相在載波周期內的瞬時功率值，

(14)

N=floor(T/Ts)

(15)

2.2 直流側功率分析

采用FIFO數據序列實現直流側功率的實時計算，如圖2所示。該數據序列長度為N，并且每隔一個Ts會有一個新的數據填入。進入FIFO的下一拍數據pX(k+1)可以按照下式計算：

(16)

因此直流功率PX可以按照下式更新計算：

(17)

圖2 FIFO數據隊列圖

2.3 直流側功率與三相不平衡功率系數關系

由式(12)可得三相直流功率平均值

Pave=(PA+PB+PC)/3

(18)

可得，三相不平衡功率系數kX：

(19)

kA+kB+kC=3

(20)

將式(13)、(14)代入式(19)有：

(21)

將式(13)和(21)代入式(19)，整理可得：

(1-kX)Pave

(22)

由式(22)可看出，kX與ΔT的相關實際的三相功率不平衡系數可以通過動態(tài)調整占空比修正量ΔT來實現。

2.4 不平衡功率控制策略

(2) 計算ΔT數值。結合式(16)、(17)和式(19)可計算獲得：

(23)

(3) 限制ΔT范圍。為獲得線性調制，Δ(k+1)需滿足式(8)，即當Δ(k+1)超出限制范圍[Δmin，Δmax]時需對其值進行相應限制。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立一個容量為750 VA的三相五電平級聯H橋并網逆變器，如圖3所示。為簡化模擬，將圖3中光伏組件、隔離DC-DC變換器視為直流電源。仿真與實驗拓撲如圖4所示，仿真中，各級H橋直流側電壓設定為48 V，其他仿真參數為：額定功率750 VA，額定線電壓95 V，開關頻率8 kHz，各H橋電容容值1.2 mF，濾波電感值4 mH，鉛酸電池電壓12 V，H橋單元數目2。

圖3 三相五電平級聯H橋并網逆變器主電路

圖4 三相五電平級聯H橋并網逆變器仿真/實驗拓撲

仿真采用的控制策略如圖5所示，其由傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制環(huán)節(jié)與所提出的不平衡功率控制策略組成。

圖5 并網逆變器的控制策略

4 實驗驗證

在實驗室條件下，建立容量為750 VA的三相五電平級聯H橋并網逆變器，并驗證所提出的UPCM控制策略。在實驗中采用圖5所示控制策略，對比本文提出的UPCM不平衡功率控制策略與文獻[6]中的DMM策略，且實驗拓撲與圖4一致。需要說明的是，各H橋采用普通鉛酸電池串聯作為直流電源。實驗控制芯片采用DSP28335和Xilinx FPGA實現。

(a) FFZSI

(b) DMM

(c) UPCN

(d) FFZSI

(e) DMM

(f) UPCN

圖6 仿真結果

(a) DMM

(b) DMM

(c) UPCM

(d) UPCM

圖7 實驗結果

5 結 語

本文提出了一種基于H橋的不平衡光伏供電系統(tǒng)功率控制策略UPCM，其用于解決不平衡直流功率供電問題并能夠實現三相均衡電流輸出。通過分析H橋單元直流功率獲得三相不平衡系數的控制方法，并依據期望的三相功率系數計算占空比修正量，進而實時的調整三相直流側輸出功率。本文對比了所提出的方法與DMM方法，并通過仿真和實驗平臺驗證了所提出方法在三相功率控制、平衡電流輸出上的有效性和可靠性。該方法對于提升光伏供電系統(tǒng)效率、實現不平衡直流輸出功率控制上具有很高的實用價值。