基于MMC子模塊獨(dú)立控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

　　陽鵬飛

　　(湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412008)

　　摘要：當(dāng)代傳統(tǒng)的二、三電平變換器已不能滿足高電壓，大容量光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的要求，而模塊化多電平換流器（MMC）因具有易擴(kuò)展、功率器件容量大、諧波含量低等特質(zhì)而成為光伏發(fā)電領(lǐng)域的新研究。本文介紹了光伏并網(wǎng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）和模塊化多電平換流器（MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、控制方法，提出一種基于MMC子模塊控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及控制方式，即在模塊化多電平換流器中的每一個子模塊中通過DC/DC變換器并聯(lián)一組光伏陣列，系統(tǒng)控制是電壓外環(huán)提供與電網(wǎng)同步的參考電流，電流內(nèi)環(huán)則實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的調(diào)節(jié)，MPPT則采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)，從而得到每一個子模塊的參考電壓，閥級控制采用正弦載波移相脈寬調(diào)制（CPS-SPWM）來調(diào)制MMC，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建一個9電平的MMC光伏并網(wǎng)模型。結(jié)果表明：基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在子模塊獨(dú)立控制下成功并網(wǎng)行，而且具有電網(wǎng)諧波少、光伏能源利用率高的優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：模塊化多電平換流器;光伏并網(wǎng);最大功率點(diǎn)跟蹤;子模塊;PSCAD/EMTDC

　　0 引言

　　目前，新能源發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，隨著可再生能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電所占比例越來越大，電力系統(tǒng)對光伏發(fā)電提出了更高的要求，提高并網(wǎng)逆變器容量、加強(qiáng)光伏發(fā)電效率將是今后光伏并網(wǎng)的研究重點(diǎn) ^[1] 。

　　目前最常用的逆變器為二電平或者三電平，適用于低電壓場所，而且對于功率器件損耗較大。為了提高太陽能利用率，使其工作在最大功率狀態(tài)，許多學(xué)者都致力于研究光伏陣列最大功率跟蹤(maximum powerpoint tracking，MPPT)技術(shù)，對于逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究較少 ^[2] 。模塊化多電平技術(shù)發(fā)展迅速，將級聯(lián)式多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與分布式發(fā)電相結(jié)合逐漸成為熱門。針對這種情況，許多研究人員都在從事模塊化多電平換流器（MMC）的研究，文獻(xiàn) ^[3-5] 針對MMC展開了一系列研究，可是并沒有應(yīng)用在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；文獻(xiàn) ^[6-7] 把MMC應(yīng)用到了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，但是其仿真模型都是在Matlab/Simulink上搭建的，具有局限性；文獻(xiàn) ^[8] 提出將MMC 運(yùn)用在低壓集中式并網(wǎng)模式的光伏系統(tǒng)中，并把雙閉環(huán)控制與最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)結(jié)合在一起，但是對MMC 研究不夠深入，而且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一。

　　所以，為了解決大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)目前所存在的上述問題，本文提出一種基于MMC子模塊獨(dú)立控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，對MMC與光伏陣列結(jié)合的子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，著重研究了新型子模塊的的原理和控制方式，把本文設(shè)計(jì)的MMC新型子模塊與一般MMC子模塊對比，說明其特點(diǎn)。通過這種結(jié)構(gòu)，可以提高光伏陣列的太陽能利用率，滿足對每一個光伏陣列的單獨(dú)控制、適合高電壓等級的要求，而且對電網(wǎng)的諧波污染少，最后通過PSCAD/EMTDC仿真軟件驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

　　1 基于MMC的新型光伏拓?fù)浼霸?/p>

　　MMC拓?fù)渫ㄓ媒Y(jié)構(gòu)如圖1所示。本文設(shè)計(jì)的MMC總體三相結(jié)構(gòu)跟傳統(tǒng)MMC一樣，由3個相單元構(gòu)成，每個相單元包含兩個上下橋臂以及上下?lián)Q流電抗L，總共6個橋臂，1個橋臂由N個子模塊級聯(lián)構(gòu)成。目前常見的子模塊有是半橋型子模塊、全橋型子模塊和雙箝位型子模塊。其中半橋型子模塊應(yīng)用最廣泛。所以本文基于半橋型子模塊設(shè)計(jì)一種將光伏陣列、DC/DC變換電路和SM 組成的MMC子模塊拓?fù)?，命名為PSM，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　本文提出的PSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)跟一般PSM不同的是;在每一個子模塊中，PSM出口端并聯(lián)了一個由IGBT和大電阻R組成的旁路，在AB端口處并聯(lián)了一個高速開關(guān)K1和一個晶閘管K2。當(dāng)子模塊發(fā)生故障時，K1閉合用于保護(hù)子模塊，K2用于保護(hù)D2。DC/DC變換電路與SM之間并聯(lián)1個大電容，當(dāng)電壓過大或者M(jìn)MC閉鎖時，IGBT導(dǎo)通，使大電阻R用于電容的緩慢放電。

　　2 PSM模塊運(yùn)行原理

　　正常工作狀態(tài)下，保護(hù)電路并不會起作用。其中DC-DC電路用于追蹤光伏陣列最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行之前，光伏陣列經(jīng)DC-DC電路給電容預(yù)充電，當(dāng)電容電壓都達(dá)到預(yù)定值后解鎖各子模塊。設(shè)ISM電流流入方向?yàn)檎?，根?jù)電流 ISM的方向以及開關(guān)S1和S2的狀態(tài)，子模塊的輸出電壓在UC和 0 之間切換。具體的開關(guān)狀態(tài)由表 1 可見，其中“1”代表開關(guān)導(dǎo)通，“0”代表開關(guān)關(guān)斷。

　　2.1 MMC逆變器的工作原理

　　以A相為例對MMC逆變器的原理進(jìn)行闡述。先不考慮電抗L的作用，uap和uan分別為上、下橋臂直流側(cè)電壓，直流側(cè)的正負(fù)母線相對于參考點(diǎn)ｏ的電壓分別為Udc/2和-Udc/2，usa為A相交流輸出側(cè)的電壓，得到公式

　　為了維持直流電壓的穩(wěn)定，每個相單元中投入的子模塊數(shù)量是相等且不變的，由此可得

　　以本文所搭建的9電平MMC逆變器為例，在每個橋臂上串聯(lián)8個子模塊．為了能夠使逆變器輸出的波形接近正弦波，單相橋臂的投入模塊個數(shù)按照正弦規(guī)律變化，且上下橋臂子模塊對稱互補(bǔ)投入，設(shè)輸出電平數(shù)Nlevel和橋臂模塊數(shù)N，滿足下面公式：

　　其中，nap為上橋臂投入子模塊個數(shù)；uan為下橋臂投入子模塊個數(shù)。

　　3 基于MMC子模塊的控制策略

　　3.1 子模塊中光伏陣列的MPPT控制

　　圖3給出了PSCAD軟件中搭建的Boost電路以及MPPT控制，由光伏陣列、DC/DC變換電路組成。

　　為了實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的追蹤控制，本文采用電導(dǎo)增量法MPPT控制 ^[9] 改變Boost電路中晶閘管的占空比D，使光伏的輸出電壓與在最大功率點(diǎn)處的電壓相等，這里不再贅述，控制過程如圖4所示。

　　設(shè)MMC交流側(cè)輸出電壓和電流為Ua(t)和Ia(t)，則

　　相應(yīng)的公式為：

　　其中MV和MI分別為電壓調(diào)制比和電流調(diào)制比，由于MPPT控制穩(wěn)定了子模塊的電容電壓，在三相自然對稱的工況下，又可以推導(dǎo)出橋臂輸出電壓公式為：

　　以A相為例驗(yàn)證，在本文所提的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，A相上、下橋壁的輸出電壓符合公式（6），又因?yàn)镸MC換流器6個橋臂工作原理和電氣狀態(tài)一致，所有橋臂都遵循自然平衡的規(guī)律。因此，各橋臂之間不再附加平衡控制。

　　3.2 基于子模塊的并網(wǎng)控制

　　本文設(shè)計(jì)的MMC并網(wǎng)控制框圖如圖6所示，整體控制是基于電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。電壓外環(huán)主要負(fù)責(zé)為電流內(nèi)環(huán)采取與電網(wǎng)同相位的參考電流Iref，其幅值由直流側(cè)電壓參考值Uref與實(shí)際電壓Upv相減再經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)得到，相位可以通過PLL跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓得到。電流內(nèi)環(huán)主要作用是控制逆變器輸出電流Ig盡可能向參考值Iref靠近。

　　3.3 閥級調(diào)制策略

　　閥級采用的調(diào)制方式為載波移相調(diào)制策略 ^[8] （CPS-PWM）。調(diào)制原理如圖7所示。

　　調(diào)制流程為：對于每個橋臂中的N個子模塊，采用相同開關(guān)頻率的SPWM，使它們對應(yīng)的三角載波依次移開1/N三角載波周期，即每一個子模塊三角波之間相差2π/N 相位角，然后應(yīng)使上、下 2 個橋臂的調(diào)制波相差180°，再讓每一個子模塊的載波與對應(yīng)的調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生出N組PWM調(diào)制波信號，這樣在任意時刻每個相單元中上、下 2 個橋臂被觸發(fā)投入的模塊個數(shù)互補(bǔ)且為N，保證了在任意時刻每個相單元都有 N 個子模塊投入。各相橋臂調(diào)制波的相角參考見表2所示：

　　本文利用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件 ^[10] 搭建了一個基于MMC子模塊控制的光伏并網(wǎng)模型，每一相電壓為8個子模塊構(gòu)成的9電平。仿真時間為5 s，設(shè)置直流側(cè)參考電壓為4 kV，每一個子模塊中光伏陣列的參數(shù)見圖8。

　　該光伏陣列由250個模塊串并聯(lián)，每個模塊串串聯(lián)22個光伏模塊，每個光伏模塊由36個光伏電池單元串聯(lián)。光照強(qiáng)度選用標(biāo)準(zhǔn)的1000 W/m 2 ，溫度25 ℃。采用電導(dǎo)增量法時的仿真見圖9，可以看出，接近0.6 kV時，光伏陣列輸出效率最佳。

　　子模塊經(jīng)過MPPT穩(wěn)壓后的電容電壓見圖10，可以得知參考電壓為0.6 kV。

　　經(jīng)過MMC逆變后輸出的三相交流電壓波形見圖11。

　　三相交流電流波形見圖12。

　　采集A相電流進(jìn)行THD分析，得到結(jié)果如圖13所示。

　　由此可知，本文設(shè)計(jì)的MMC與光伏整合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在經(jīng)過子模塊獨(dú)立控制策略之后，成功并網(wǎng)。其中THD=0.27%，符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE1547中并網(wǎng)電流質(zhì)量的要求。

　　5 結(jié)論

　　本文對MMC與光伏陣列相結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對其中各個環(huán)節(jié)的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了一個9電平的仿真模型來進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，輸出電壓由多個PSM模塊輸出電壓疊加而成，可通過增減PSM模塊適應(yīng)多電壓等級需求環(huán)境，與傳統(tǒng)的兩級逆變并網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比更具有靈活性。另外，經(jīng)過本文子模塊獨(dú)立控制策略的并網(wǎng)系統(tǒng)能夠同時完成MPPT控制和并網(wǎng)電流控制，輸出電流為多電平，諧波含量低，減小了對接入電網(wǎng)的諧波污染，適用大電容、高電壓的場合，雙閉環(huán)的控制策略切實(shí)有效。

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第40頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處