基于級(jí)聯(lián)式逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

隨著國(guó)際上對(duì)于清潔能源的要求越來(lái)越高，我國(guó)逐漸開(kāi)始加大光伏發(fā)電等清潔能源在整個(gè)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(yáng)能板、DC-DC升壓電路、逆變器、用戶(hù)（電網(wǎng)）等組成。目前，大多數(shù)逆變器采用傳統(tǒng)的單級(jí)式或多級(jí)式，基于這些形式下的太陽(yáng)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(kāi)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(gè)光伏電池串聯(lián)起來(lái)以達(dá)到電壓等級(jí)的要求，同時(shí)，逆變器開(kāi)關(guān)管承受的du/dt較大，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性下降。采用級(jí)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(jí)聯(lián)式逆變器在光伏并網(wǎng)中的特點(diǎn)以及基于級(jí)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(jí)聯(lián)式逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.1級(jí)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(huì)上提出了基于H橋級(jí)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(lái)模擬逼近正弦波，從而可以提高輸出電壓的等級(jí)，同時(shí)減小高次諧波含量。圖1是三相四級(jí)級(jí)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(cè)電壓為UDC時(shí)，單級(jí)H橋輸出有UDC，0以及-UDC三種電平，則N級(jí)級(jí)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(jí)聯(lián)式逆變器具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，可以方便進(jìn)行更換或擴(kuò)展成更高電壓等級(jí)；各個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)器件（IGBT）承受電壓相對(duì)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(jí)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(jí)為太陽(yáng)能電池板和DC—DC升壓電路（BOOST）電路，后級(jí)為多個(gè)H橋（DC-AC）級(jí)聯(lián)而成的逆變器，其輸出通過(guò)網(wǎng)側(cè)濾波器與電網(wǎng)相連。

圖2中光伏電池提供各個(gè)部分的獨(dú)立直流電源，DC—DC電路對(duì)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(jí)聯(lián)逆變器輸出通過(guò)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)。2光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

結(jié)合單級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略以及級(jí)聯(lián)式逆變器控制策略?xún)烧叩奶攸c(diǎn)，為獲得與電網(wǎng)側(cè)同相位的并網(wǎng)電流，前級(jí)DC-DC電路對(duì)光伏電池電壓升壓并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制，后級(jí)DC-AC電路采用階梯波控制和電流環(huán)控制的混合控制策略。在這種策略控制下的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位保持一致，并能實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。限于篇幅，前級(jí)的最大功率跟蹤控制本文將不作介紹，本文重點(diǎn)介紹級(jí)聯(lián)式逆變器部分的控制策略。

2.1基于階梯波控制的PWM載波調(diào)制控制

對(duì)于級(jí)聯(lián)式逆變器部分的控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)提出一種高效PWM載波控制方式，此方式是基于階梯波控制的前提下形成。PWM載波控制策略是：前3級(jí)采用階梯波控制，第4個(gè)H橋引入PWM方式。具體操作為：前3個(gè)H橋輸出的波形疊加后形成階梯波，以電網(wǎng)側(cè)理想正弦波減去疊加的階梯波作為第4個(gè)H橋的調(diào)制波，調(diào)制波與傳統(tǒng)三角載波進(jìn)行比較，確定第4個(gè)H橋的PWM控制。這種PWM載波控制方式比4個(gè)H橋都使用階梯波控制方式效果更好。圖2所示系統(tǒng)中，前3個(gè)H橋采用的階梯波控制是利用級(jí)聯(lián)式多電平結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)控制。圖3以三級(jí)級(jí)聯(lián)電路為例說(shuō)明，在導(dǎo)通角分別為θ1，θ3，θ5時(shí)，控制3個(gè)H橋依次導(dǎo)通，輸出電壓逐級(jí)增加，且波形對(duì)稱(chēng)分布。導(dǎo)通角度的計(jì)算可以采用面積等效法進(jìn)行計(jì)算獲得，也就是以階梯波與橫軸的面積等于正弦波與橫軸的面積為準(zhǔn)則。如果計(jì)算得到的導(dǎo)通角為θ1，θ3，θ5，在正半周期內(nèi)，在[θ1，π-θ1]，[θ3，π-θ3]，[θ5，π-θ5]區(qū)間3個(gè)H橋分別導(dǎo)通輸出正向電壓。負(fù)半周期導(dǎo)通方式與正半周期類(lèi)似，輸出負(fù)電壓疊加，其余時(shí)間各H橋則輸出零電壓。

2.2電流環(huán)捏制

前文介紹了前3個(gè)H橋的控制方式，為了保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位一致，需在第4個(gè)H橋引入電流環(huán)控制。如圖2所示的級(jí)聯(lián)式逆變器電流環(huán)控制系統(tǒng)中：前級(jí)DC-DC電路的最大功率跟蹤控制決定直流側(cè)電壓參考值UDC（ref），此參考值與實(shí)際直流側(cè)電壓值UD的差值通過(guò)PI調(diào)節(jié)器決定并網(wǎng)電流的幅值指令，該幅值指令與電網(wǎng)電壓的相位正弦值sinωt相乘，得到電流調(diào)節(jié)器的參考值（Iref），此參考值與實(shí)測(cè)電流值誤差通過(guò)電流控制器得到的PWM信號(hào)，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制第4個(gè)H橋的開(kāi)關(guān)管，電流控制器是基于PR調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)而得到的。級(jí)聯(lián)式逆變器電流環(huán)控制流程圖如圖4所示，其中電流控制器部分的設(shè)計(jì)思路為：電流參考值與實(shí)測(cè)電流值誤差通過(guò)PR調(diào)節(jié)器得到的信號(hào)，與電網(wǎng)側(cè)電壓以及前3級(jí)輸出疊加階梯波電壓的運(yùn)算值作為第4個(gè)H橋的調(diào)制波信號(hào)，然后將此信號(hào)與三角載波比較生成的PWM信號(hào)來(lái)控制第4個(gè)H橋的開(kāi)關(guān)管。圖4中PR調(diào)節(jié)器采用其改進(jìn)形式為：

選擇PR調(diào)節(jié)器的好處是：選擇合適的參數(shù)（ωc）得到更好地控制調(diào)節(jié)器性能，對(duì)于ωc的選擇，可以得到不同的基頻處增益，以滿(mǎn)足對(duì)于穩(wěn)定性的要求。

3基于級(jí)聯(lián)式逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真研究

本文仿真是基于級(jí)聯(lián)式逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真。Matlab版本為Matlab R2012a，基于上文所描述的控制方式，通過(guò)選擇合適的參數(shù)進(jìn)行仿真。部分參數(shù)的選擇為：并網(wǎng)電感4 mH，PR調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇為：KP=0.2，ω=314 rad/s，KI=20，ωc=10，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)比例系數(shù)取0.4，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)光照環(huán)境下光伏電池DC取36 V，DC-DC升壓電路占空比取0.64.主電路采用4級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，電網(wǎng)有效值220 V，頻率50 Hz.設(shè)定強(qiáng)弱光照下并網(wǎng)電流參考值幅值分別為30 A，20 A，得到的仿真波形分別如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以得知：在此種控制方式下，不管光照強(qiáng)度如何，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位，能夠進(jìn)行并網(wǎng)，驗(yàn)證了前文所述控制方式的可行性。

4結(jié)語(yǔ)

級(jí)聯(lián)式逆變器其輸出的波形接近正弦波，具有更小的諧波，采用階梯波控制與電流環(huán)控制方式能夠在強(qiáng)弱光照下進(jìn)行很好的并網(wǎng)。Matl ab/Simulink仿真分析驗(yàn)證此種方法的正確性。同時(shí)由于多個(gè)獨(dú)立電源的串聯(lián)，開(kāi)關(guān)管的耐壓與du/dt只取決于與之并聯(lián)的直流電源，將會(huì)減小。這些都能很好地解決傳統(tǒng)的單級(jí)式或多級(jí)式太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上一些不足，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。