基于單極MMC 拓撲的光伏并網系統仿真分析

彭華廈，陽鵬飛，肖會芹

（湖南工業大學，湖南 株洲 412008）

0 引言

近年來，環境污染和能源枯竭問題表現得越來越嚴重，太陽能作為取代化石能源的理想能源之一，已經受到世界各國的重視。目前，光伏發電技術已經趨于成熟，同時，光伏產業發展速度迅猛，光伏發電在電力系統中的裝機容量占比越來越重，因此對光伏并網發電系統提出了更高的要求，例如增強光伏并網逆變器容量、提高光伏陣列發電效率等[1]。

傳統的VSC 逆變器一般采用二電平結構，只適用于小容量、低電壓的應用場合，無法滿足高電壓、大容量的要求。針對這種情況，許多研究人員都在從事MMC（模塊化多電平換流器）的研究，文獻[2-3]針對MMC 展開了一系列研究，但是都沒有應用在光伏并網系統；文獻[4]研究了基于MMC 的光伏并網，但是所用MMC 都不具備子模塊保護的能力，并且仿真模型都是在MATLAB/Simulink 上搭建的，帶有一定的局限性。大型光伏并網發電系統中，光伏陣列的數量非常多，需要采取最大功率追蹤技術提高光伏陣列的太陽能利用率，讓其盡可能工作在最大功率狀態，大幅度提高光伏系統的發電效率，文獻[5]研究了基于擾動觀察法的MPPT（最大功率點跟蹤）光伏并網，但是擾動觀察法容易造成能量損失，導致系統效率降低。文獻[6]將光伏電源整合到每一個子模塊中，但是加重了系統的復雜以及不穩定性，對現有的光伏系統需要進行較大的改造，缺乏經濟適用性。文獻[7-10]研究的都是雙極式光伏并網系統，在光伏陣列和逆變器之間需要DC/DC 變換器來實現最大功率點追蹤。文獻[11]還需要加入LCL 濾波器，增加了經濟成本。

為了解決大型光伏并網發電系統存在的上述問題，本文提出了一種具備子模塊保護能力的單極MMC 光伏并網系統，對系統每個組成部分進行了詳細的介紹和分析，重點介紹了MMC 的原理和拓撲結構，把本文設計的MMC 子模塊與一般半橋型子模塊對比，說明其優點。該系統不僅可以提高光伏陣列的太陽能利用率，而且滿足高電壓、大容量的要求，系統控制簡單而且易實現，還能減小對電網的諧波污染。最后，通過PSCAD/EMTDC 仿真軟件搭建仿真模型，驗證了該系統的有效性。

1 具備子模塊保護能力的MMC 拓撲結構及原理

MMC 通用結構如圖1 所示。本文設計的MMC 三相拓撲結構跟傳統MMC 一樣，都是由3個相單元構成，每個相單元包含上、下2 個橋臂，三相總共是6 個橋臂，每個橋臂包含N 個SM（子模塊）和1 個換流電抗L。目前常見的子模塊有半橋型子模塊、全橋型子模塊和雙箝位型子模塊。其中全橋型子模塊和雙箝位型子模塊都具備直流故障穿越的能力，但是成本太貴，不劃算。半橋型子模塊是目前應用最廣泛的一種MMC 拓撲，但是半橋型子模塊不具備直流故障清除能力，基本上都是需要額外加裝交流斷路器來保護線路。所以本文設計了具備子模塊保護能力的MMC拓撲結構。

圖1 MMC 通用結構

半橋型子模塊拓撲結構如圖2 所示，與傳統的半橋型SM 不同的是：本文提出的SM 在每個半橋型子模塊中的電容旁并聯了一個由IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和大電阻R 組成的旁路，在AB端口處并聯了一個高速開關K1和一個晶閘管K2。當子模塊發生故障時，K1閉合用于保護子模塊，K2用于保護D2。當電容電壓過大或者MMC 閉鎖時，IGBT 導通，使大電阻R 用于電容的緩慢放電。

圖2 半橋型子模塊拓撲結構

1.1 子模塊運行原理

正常工作狀態下，MMC 子模塊的工作原理與MMC 子模塊一樣，包括2 個IGBT 和1 個直流儲能大電容。圖2 中設ISM流入子模塊方向為正，根據電流ISM的方向以及上下開關S1和S2的狀態，子模塊的端口輸出電壓在UC和0 之間變換。MMC 子模塊工作狀態由表1 可見，其中“1”代表開關導通，“0”代表開關關斷。

1.2 MMC 的基本原理

正常工作狀態下，換流電路并不會起作用，以A 相為例對MMC 的基本原理進行闡述。為便于計算，暫時不考慮電抗L 的作用，uap和uan分別為A 相上、下橋臂直流側電壓，直流側的正負母線相對于參考點O 的電壓分別為Udc/2 和-Udc/2，usa為A 相交流輸出側的電壓，得到：

表1 MMC 子模塊工作狀態

因為子模塊的投入數量決定了橋臂電壓，所以通過調整子模塊的投入來控制三相交流電壓。為了維持直流電壓的穩定，一般要求3 個相單元投入的子模塊數量是相等且不變的，由此可得：

假設A 相上橋臂所有子模塊都關閉時，要求下橋臂的子模塊全部投入，總之單相子模塊的投入數量恒定，所以一般來說，每個相單元投入開通狀態的子模塊為N。由于3 個相單元的對稱性，總的直流電流被3 個相單元平均分配，即每個相單元的直流電流為Idc/3，又因為上、下橋臂電抗器L 相等，上、下橋臂電流為：

式中：iap為上橋臂的橋臂電流；ian為下橋臂的橋臂電流；ia為輸出電流。

2 單極MMC 光伏并網系統光伏陣列結構及控制

2.1 基于MMC 的單極光伏并網系統拓撲結構

圖3 給出了由PSCAD 軟件搭建的光伏并網主電路，該系統由光伏陣列、直流母線、MMC 逆變器、負載組成。

圖3 模塊化多電平逆變器并網拓撲

2.2 光伏電池的數學模型

光伏組件等效電路如圖4 所示。

圖4 光伏組件等效電路

式中：Gref為參考照度；Tref為參考溫度；aT為溫度系數；Isc為標準測試條件Tref=25 ℃，光照強度Gref=1 000 W/m2下的短路電流；Voc為標準測試條件下的開路電壓；Rs為固定電阻；G，T 為實際值；A 為材料常系數；VT為實際電池溫度；IOR為保和電流；Eg為光伏電池的帶隙能量。

2.3 MMC 直流電壓控制

由公式（4）得出：光伏陣列的輸出功率P 以及輸出電流IPV的大小由輸出電壓VPV所決定。隨著光照強度和溫度的變化，光伏輸出電壓大小也隨機波動。為了使光伏陣列的輸出信號達到最優，對其進行最大功率點跟蹤控制，使其時刻輸出最大功率點處的電壓。為了實現光伏陣列最大功率點的追蹤控制，本文采用電導增量法MPPT控制技術[12]取得MMC 直流電壓控制的所需參考電壓Umppt，將Umppt與Upv做差之后，經過PI 控制得到電流內環的參考電流信號，電流內環的控制主要是使得MMC 輸出電流Ia盡量與Iref保持一致，這樣就省去了DC/DC 控制環節，MMC 直流電壓控制策略如圖5 所示。

2.4 MMC 子模塊電容電壓平衡控制

子模塊電容電壓不均衡會造成橋臂電流畸變，因此為確保MMC 各個子模塊電容電壓均衡，本文額外增加了電容電壓均衡控制。以MMC 的A 相上橋臂子模塊電容電壓平衡控制為例，控制拓撲如圖6 所示。Ucref為子模塊電容的參考電壓；Ucj為電容實際電壓；Iap為橋臂電流；Uref為電流內環控制輸出的信號；Uaref為最終生成的調制波。

圖5 MMC 直流電壓控制策略

圖6 電壓均衡控制

3 MMC 調制方式

本文采用的調制方式為CPS-PWM[13]，調制原理如圖7 所示。

圖7 載波移相調制原理

以A 相為例來說明，調制流程為：上下橋臂各自有N 個子模塊，有N 個相位差依次為2π/N的載波按順序分配給上橋臂（或下橋臂）的N 個子模塊，然后子模塊的N 個載波依次與同一個調制波比較，當調制波幅值大于載波幅值時子模塊投入運行，于是N 個載波即可得到N 組PWM 調制波信號，分別驅動N 個子模塊單元，且上、下橋臂的調制波反向，為了維持電壓的穩定，任意時刻投入的子模塊個數互補且等于N，ABC 三相的每相調制波之間相差120°。最后上橋臂（或下橋臂）的輸出電壓波形Upj（或Unj）由各個子模塊的輸出電壓疊加得到。

因為MMC 三相單元的對稱性，由文獻[14]得知MMC 各相上、下橋臂輸出電壓為：

式中：ujo為交流側輸出電壓；Uaref為CPS-PWM所需調制波；載波采用的頻率為高頻率fc，最大幅值為Udc，最小幅值為0，相位角依次移相2π/N（N 為每個橋臂的子模塊數）的三角波形，調制波與依次移相的三角載波比較，得到各個子模塊的觸發信號。

4 仿真驗證

利用PSCAD/EMTDC 電力系統電磁暫態仿真軟件[15]搭建9 電平的MMC 光伏并網模型，仿真時間為0.5 s，光伏陣列由250 個模塊串并聯，每個模塊串聯222 個光伏模塊，每個光伏模塊由36個光伏電池單元串聯，光照強度為1 000 W/m2，環境溫度為25 ℃，MMC 各相橋臂電感為20 mH，子模塊電容為1 600 μF，載波頻率為500 Hz，交流負載每相為10 Ω，直流母線參考電壓為6.3 kV，平衡電容為6 000 μF，有功功率為1.23 MW，無功功率為0 Mvar，功率波形見圖8。

圖8 有功功率與無功功率

經過直流電壓控制，光伏陣列的輸出直流電壓Upv一直維持在6.3 kV 左右，仿真結果見圖9。

光伏陣列電源經過MMC 逆變后輸出的三相交流電壓波形見圖10。三相輸出電流波形見圖11。

以A 相輸出電流為例，經過單極MMC 逆變并網輸出的A 相輸出電流總諧波畸變率THD 見圖12。

圖9 直流母線電壓

圖10 三相交流電壓

圖11 三相交流電流

圖12 A 相電流THD 分析

仿真結果表明，本文所提出的MMC 拓撲結構是正確的，輸出電流總諧波畸變率最高為0.36%，完全符合IEEE 1547 中要求的并網電流電能質量，光伏陣列電源可以通過本文提出的MMC 拓撲結構實現并網。

5 結語

本文提出的單極MMC 光伏并網系統適用于大電容、高電壓的場合，與基于二電平、三電平逆變器光伏并網系統相比，本文提出的單極MMC光伏并網系統省去了DC/DC 變換電路環節，也不需要LCL 濾波電路。該系統整體結構清晰，易控制，理論上子模塊可以無限疊加，對原有光伏并網系統的改造具有參考價值。MMC 逆變器采用CPS-PWM 控制方式，具有諧波小，開關頻率低的優點。基于具備子模塊保護能力的單極MMC光伏并網系統在PSCAD/EMTD 軟件中的仿真結果正確，為進一步研究光伏并網以及MMC 的相關保護提供了基礎。