一種基于MMC的分布式單級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研究

陽鵬飛 王衛(wèi) 陳瀚

摘要：結(jié)合MMc和光伏電源的工作特性，利用模塊化多電平換流器具有易級(jí)聯(lián)擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于MMC的分布式單級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能解決局部陰影條件下，光伏電源功率配置不平衡問題。即在級(jí)聯(lián)式MMc中的每一個(gè)半橋子模塊中并聯(lián)一組光伏陣列，并且這種新型子模塊具備一定的故障切除能力。這種分布式單級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在減少DC/Dc環(huán)節(jié)的情況下，本文設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的控制方法，其中MMC的并網(wǎng)控制采用基于PI的電流解耦并網(wǎng)控制，子模塊的電容電壓控制采用微調(diào)穩(wěn)壓的方法。通過PSCAD/EMTDc仿真軟件驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性，結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以提高光伏陣列的太陽能利用率，滿足對(duì)每一個(gè)光伏陣列的單獨(dú)控制、適合高電壓等級(jí)的要求，而且對(duì)電網(wǎng)的諧波污染少。

關(guān)鍵詞：模塊化多電平換流器;光伏陣列;子模塊;電流解耦控制

0引言

我們目前使用的光伏系統(tǒng)中，一般串聯(lián)數(shù)十個(gè)光伏電池來提高逆變側(cè)輸出電壓。對(duì)于這種連接方式，當(dāng)出現(xiàn)局部陰影時(shí)，會(huì)降低整個(gè)直流端的電流輸出，影響整個(gè)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)追蹤控制。文獻(xiàn)[1]在每個(gè)光伏組件旁反并聯(lián)一個(gè)二極管，當(dāng)發(fā)生局部陰影時(shí)，二極管電路會(huì)取代光伏電池運(yùn)行，以免陰影組件影響整個(gè)系統(tǒng)輸出。這種結(jié)構(gòu)帶來的新問題，該陰影組件被取代后，會(huì)變成負(fù)載消耗系統(tǒng)能源，降低了整個(gè)光伏系統(tǒng)的輸出效率。

現(xiàn)在運(yùn)行的VSC逆變器中，采用二三電平居多，如文獻(xiàn)[2]研究了在不同容量要求下，可以采用不同的三電平光伏逆變器，但一般應(yīng)用在低電壓和中小容量場(chǎng)所，單個(gè)逆變器無法承受高壓和大容量的要求。若直接把傳統(tǒng)的二三電平逆變器并聯(lián)運(yùn)行，如何確保開關(guān)器件的同步觸發(fā)、如何使各逆變器的輸出電流平衡又稱為一個(gè)難點(diǎn)，文獻(xiàn)[3-6]研究的是兩級(jí)式光伏逆變，中間采用boost/buck電路穩(wěn)壓，使得直流輸出端達(dá)到最大效率值運(yùn)行。文獻(xiàn)[7]的光伏逆變系統(tǒng)中，交流端需要添加LCL濾波器，不僅增加經(jīng)濟(jì)成本，整體諧波也偏高。相反，模塊化多電平換流器（MMC）不僅能滿足大容量和高壓的需求，而且MMC的輸出電壓波形為多電平的階梯波，輸出諧波THD含量低，無需添加額外的濾波器，波形質(zhì)量較傳統(tǒng)逆變器而言相對(duì)更好，因此探索MMC在光伏并網(wǎng)中的應(yīng)用是許多學(xué)者目前都在從事的研究，文獻(xiàn)[8]針對(duì)MMC在光伏中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但是采用的是把每一個(gè)光伏電池經(jīng)過DC/Dc變換之后，與MMC的每個(gè)子模塊電容并聯(lián)的形式，這種整合形式增加了經(jīng)濟(jì)成本，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得異常復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]提出的一種基于MMC的新型光伏系統(tǒng)，控制過于復(fù)雜。

基于上述研究情況，所以本文提出一種基于MMC的分布式單級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)MMC與光伏陣列結(jié)合的新型子模塊（PM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)機(jī)理分析，把本文設(shè)計(jì)的MMC新型子模塊與傳統(tǒng)半橋MMC子模塊對(duì)比，說明其特點(diǎn)。對(duì)新型子模塊（PM）的穩(wěn)壓控制進(jìn)行介紹，使得PM的電容電壓工作在光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓附近。該系統(tǒng)的并網(wǎng)控制采用基于PI的電流解耦并網(wǎng)控制。最后，通過PSCAD/EMTDC仿真軟件驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性。

1基于MMC的光伏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

本文提出的一種基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。本文設(shè)計(jì)的MMC光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)主電路跟傳統(tǒng)一般MMC一樣，總共分為三相，其中每一相包含兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂中不僅包含N個(gè)PM子模塊，而且每個(gè)上下橋臂各自都有一個(gè)電感L1、L2。這種光伏陣列和子模塊結(jié)合成的PM模塊與一般MMC級(jí)聯(lián)電路不同，PM模塊省略了DC/DC變換電路，將光伏組件直接與子模塊的電容并聯(lián)而成。另外傳統(tǒng)MMC的子模塊結(jié)構(gòu)包括半橋型子模塊、全橋型子模塊和雙箝位型子模塊。其中具有支流故障穿越能力的是全橋型子模塊和雙箝位型子模塊，缺點(diǎn)是成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前流行的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(hù)線路。為此本文特意設(shè)計(jì)的MMC光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，也對(duì)PM模塊進(jìn)行了細(xì)微改進(jìn)。

改進(jìn)的PM模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，與一般的PM模塊不同的是：加入了快速開關(guān)和壓接式封裝晶閘管，在AB端口處并聯(lián)了一個(gè)高速開關(guān)K1和兩個(gè)晶閘管D4、D5，當(dāng)子模塊發(fā)生故障時(shí)，使用K1閉合快速旁路故障，用于保護(hù)子模塊，使得橋臂電流連續(xù)，晶閘管D3、D4、D5則用來保護(hù)與之對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管，防止故障電流沖擊續(xù)流二極管。當(dāng)電容電壓過大或者M(jìn)MC閉鎖時(shí)，VT3導(dǎo)通，使大電阻R成為電容和光伏電池的負(fù)載。

1.1子模塊運(yùn)行原理

根據(jù)電流Iam的大小和方向，采用合適地開關(guān)狀態(tài)，就可使PM模塊的電容電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)電壓，從而保證了PV組件的最大功率輸出。表1給出了PM模塊處于不同開關(guān)狀態(tài)和電流方向（Ism流入PM模塊時(shí)為正）時(shí)的PM模塊電容電壓U的變化過程。表中：開關(guān)狀態(tài)1對(duì)應(yīng)IGBT開通，0對(duì)應(yīng)IGBT關(guān)斷。根據(jù)光伏電池的不同光照下的V-I曲線可知，當(dāng)光伏電池的輸出電壓過高時(shí)，也就是子模塊電容電壓過高時(shí)，光伏電池的輸出電流基本為零，PM工作模式相當(dāng)于普通的半橋子模塊工作方式。

2.2 PM模塊電容電壓微調(diào)制

僅靠上層控制的并網(wǎng)電流解耦控制調(diào)節(jié)并不能保證每個(gè)電容電壓平衡。為此通過對(duì)各子模塊的參考電壓進(jìn)行微調(diào)，間接地調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)子模塊開關(guān)管在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的占空比，最終達(dá)到橋臂內(nèi)部電容電壓平衡的控制效果。以MMc的A相橋臂第，個(gè)子模塊的驅(qū)動(dòng)電壓生成過程為例，控制拓?fù)淙鐖D4所示。第，個(gè)子模塊電容電壓實(shí)際值Uacj與整個(gè)橋臂的子模塊電容電壓之和Ua-cj平均值做差，所得的偏差量與該橋臂環(huán)流電流ij-ac的乘積經(jīng)過比例和限幅環(huán)節(jié)，即為參考電壓的微調(diào)量Uajcrefo然后把A相的并網(wǎng)電流參考值Ua-ref與微調(diào)量相加，得到A相上下橋臂每個(gè)子模塊的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)信號(hào)Uadiffj，最后通過閥級(jí)調(diào)制策略對(duì)IGBT進(jìn)行調(diào)制。

調(diào)制流程為：對(duì)于每個(gè)橋臂中的N個(gè)子模塊，采用相同開關(guān)頻率的正弦波，每個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)的三角載波依次移開1/Ⅳ個(gè)周期，即每一個(gè)子模塊三角波之間相差2π/N目位角，上、下2個(gè)橋臂的調(diào)制波相差180°或者為同一調(diào)制波皆可，再讓每一個(gè)子模塊的載波與對(duì)應(yīng)的調(diào)制波進(jìn)行比較，生成N組子模塊對(duì)應(yīng)的PWM調(diào)制信號(hào)，這樣的話，任意時(shí)刻MMC投入運(yùn)行的子模塊個(gè)數(shù)為Ⅳ，且每相的中上、下橋臂入的模塊個(gè)數(shù)互補(bǔ)。MMC的三相橋臂調(diào)制波的相位角參考值見下表2。

Uadiff-j，為本文設(shè)計(jì)的CPS-PWM，載波采用高頻率的三角波fc，幅值為0～1，相位角設(shè)置如表2所示，最后由調(diào)制波與三角載波的比較獲得子模塊的觸發(fā)信號(hào)。

4仿真驗(yàn)證

本文仿真利用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件搭建了一個(gè)基于MMC的分布式單級(jí)光伏并網(wǎng)模型，交流輸出為MMC的9電平構(gòu)成，仿真時(shí)間為0.6 s，設(shè)直流電壓參考值為6 kV，橋臂電感為20 mH子模塊電容大小為5 000uf，載波頻率為500 Hz，交流側(cè)阻抗為10Ω。其中每個(gè)子模塊中并聯(lián)的光伏陣列的參數(shù)見表3。

PM模塊的電容電壓經(jīng)過微調(diào)控制，電壓值穩(wěn)定在0.67 kV左右，與光伏陣列的最大功率點(diǎn)追蹤控制電壓數(shù)值相差不大，其中一個(gè)PM模塊的電容電壓仿真結(jié)果見圖6。

MMC經(jīng)過基于PI的電流解耦控制以后，三相交流輸出電壓和電流見圖7和圖8。

對(duì)A相的交流輸出電流進(jìn)行諧波畸變率（THD）分析，結(jié)果如圖9所示，結(jié)果顯示最大畸變率為0 268%，仿真結(jié)果表明，本文所提出的MMc拓?fù)浣Y(jié)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，輸出電流最高諧波畸變率為0.268%，符合IEEEl547的電能質(zhì)量要求。

5結(jié)論

本文提出的分布式單極MMC光伏并網(wǎng)系統(tǒng)適用大電容、高電壓的場(chǎng)合，而且子模塊直接與光伏電池并聯(lián)，省去DC/DC變換電路環(huán)節(jié)，MMC的交流輸出電壓和電流符合電能質(zhì)量要求，無需濾波電路。通過基于PI的電流解耦控制和電容電壓微調(diào)控制，能夠使得每一個(gè)子模塊的電容電壓能夠穩(wěn)定在與其并聯(lián)的光伏組件最大功率點(diǎn)電壓附近，從而確保PM模塊輸出效率最優(yōu)。當(dāng)MMC的電平數(shù)量增多時(shí)，本文設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)更加明顯。