級聯(lián)式逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘要：采用級聯(lián)式多電平逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對基于此結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究。為實(shí)現(xiàn)有效并網(wǎng)，使得并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位一致，在結(jié)合單級光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略和級聯(lián)式逆變器控制策略兩者特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用階梯波控制與電流環(huán)控制的混合控制方式，并對此系統(tǒng)進(jìn)行Matlab／Simulink仿真分析，驗(yàn)證這種控制方法的可行性。采用PR調(diào)節(jié)器的電流環(huán)控制，提高了級聯(lián)式逆變器的效率。
關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；級聯(lián)式逆變器；PR調(diào)節(jié)器；混合控制

0 引言
隨著國際上對于清潔能源的要求越來越高，我國逐漸開始加大光伏發(fā)電等清潔能源在整個電網(wǎng)發(fā)電中的比重。光伏并網(wǎng)技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能板、DC-DC升壓電路、逆變器、用戶(電網(wǎng))等組成。目前，大多數(shù)逆變器采用傳統(tǒng)的單級式或多級式，基于這些形式下的太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在著如下不足：并網(wǎng)逆變器中開關(guān)管的工作頻率較高，損耗較大；逆變器工作需要足夠的直流電壓，這需要多個光伏電池串聯(lián)起來以達(dá)到電壓等級的要求，同時，逆變器開關(guān)管承受的du／dt較大，整個系統(tǒng)的可靠性下降。采用級聯(lián)式逆變器就可以很好解決這些傳統(tǒng)方式下的不足，本文旨在探討級聯(lián)式逆變器在光伏并網(wǎng)中的特點(diǎn)以及基于級聯(lián)式逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的Matlab／Simulink仿真研究。

1 基于級聯(lián)式逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)
1．1 級聯(lián)式逆變器的結(jié)構(gòu)
1988年日本學(xué)者M(jìn)．Marchesoni等人在PESC年會上提出了基于H橋級聯(lián)的多電平逆變電路結(jié)構(gòu)。該種電路結(jié)構(gòu)以多電平階梯波來模擬逼近正弦波，從而可以提高輸出電壓的等級，同時減小高次諧波含量。圖1是三相四級級聯(lián)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。從圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析可以得知：逆變H橋直流測電壓為UDC時，單級H橋輸出有UDC，0以及-UDC三種電平，則N級級聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出共有2N+1種電平。這種多電平結(jié)構(gòu)使得級聯(lián)式逆變器具有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：各個模塊相對獨(dú)立，可以方便進(jìn)行更換或擴(kuò)展成更高電壓等級；各個模塊的開關(guān)器件(IGBT)承受電壓相對普通逆變器要低，系統(tǒng)的可靠性增加。

1．2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
基于級聯(lián)式逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中前級為太陽能電池板和DC—DC升壓電路(BOOST)電路，后級為多個H橋(DC-AC)級聯(lián)而成的逆變器，其輸出通過網(wǎng)側(cè)濾波器與電網(wǎng)相連。

圖2中光伏電池提供各個部分的獨(dú)立直流電源，DC—DC電路對光伏電池電壓升壓并完成實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制，DC-AC電路完成實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位一致。在本文光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模中，級聯(lián)逆變器輸出通過濾波電感與電網(wǎng)相連，在一定控制方式下，完成實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位一致(功率因素為1)，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)。