多電平并網(wǎng)逆變器H橋功率跟蹤及功率匹配控制

劉曉飛，王斌，陳赟

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北　武漢　430081）

多電平并網(wǎng)逆變器H橋功率跟蹤及功率匹配控制

劉曉飛，王斌，陳赟

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430081）

H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器可實(shí)現(xiàn)光伏電池單級(jí)式并網(wǎng)，但是由于該系統(tǒng)只在各H橋單元存在一次能量變換，除了要考慮常規(guī)逆變器控制及并網(wǎng)控制外，還需要同時(shí)考慮到各H橋單元所接光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）及H橋傳輸功率匹配的問(wèn)題。對(duì)此提出對(duì)每個(gè)H橋單元加入一個(gè)MPPT控制器的控制方法，使得各H橋所接光伏電池均能工作在各自的最大功率點(diǎn)，能有效提高各H橋單元光照不均衡條件下MPPT跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，同時(shí)基于各H橋單元最大功率跟蹤過(guò)程中的電壓誤差，對(duì)各H橋的SPWM調(diào)制波幅值進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)各H橋傳輸功率與光伏電池最大輸出功率相匹配。最后在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明以七電平級(jí)聯(lián)光伏并網(wǎng)逆變器為例證實(shí)了該系統(tǒng)的可行性和可靠性。

級(jí)聯(lián)多電平逆變器；H橋獨(dú)立MPPT控制；載波水平移相調(diào)制；傳輸功率匹配

太陽(yáng)能作為一種無(wú)污染、資源充足的綠色可再生能源已成為人類開(kāi)發(fā)利用的焦點(diǎn)，通過(guò)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成可并網(wǎng)的電能是當(dāng)今世界光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去的3年里有近1 000 GW的光伏發(fā)電系統(tǒng)并入了電網(wǎng)［1-4］。非凡的市場(chǎng)增長(zhǎng)速度促進(jìn)了并網(wǎng)逆變器的迅猛發(fā)展，高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)必將成為光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

但是現(xiàn)今光伏并網(wǎng)實(shí)際運(yùn)用中，往往需要將大量光伏電池進(jìn)行串并聯(lián)之后才能滿足光伏變換器輸入端要求的電壓和功率等級(jí)，需要DC/DC，DC/AC兩級(jí)功率變換裝置才能實(shí)現(xiàn)光伏電池并網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜［5］。對(duì)此，本文基于級(jí)聯(lián)多電平變換器的相電壓冗余特性實(shí)現(xiàn)了光伏電池單級(jí)式并網(wǎng)，提出了一種適用于級(jí)聯(lián)多電平逆變器多H橋結(jié)構(gòu)的MPPT控制策略，能有效提高光伏電池輸出效率。

1　H橋級(jí)聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

級(jí)聯(lián)多電平逆變器具有相電壓冗余和易于模塊化的特點(diǎn)，適用于光伏電池并網(wǎng)這種多個(gè)獨(dú)立電源輸入的系統(tǒng)［5-7］。多個(gè)H橋串聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)能有效提高光伏電池輸入電壓和容量等級(jí)，可避免大規(guī)模的電池串并聯(lián)，還能減小熱斑效應(yīng)和多峰值效應(yīng)對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的影響，無(wú)需變壓器直接實(shí)現(xiàn)高低電壓變換，可以實(shí)現(xiàn)光伏電池單級(jí)式并網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。同時(shí)，級(jí)聯(lián)多電平逆變器每一個(gè)H橋都有獨(dú)立的直流母線，這使得對(duì)每一個(gè)H橋所接光伏電池實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的MPPT控制成為可能，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　級(jí)聯(lián)多電平逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2　多電平逆變器H橋單元MPPT控制

級(jí)聯(lián)多電平逆變器具有多個(gè)H橋，每個(gè)H橋所接光伏電池可視為功率源輸入，都以各自的功率向逆變器輸出［8］，但由于光照和溫度的影響每個(gè)H橋所接光伏電池最大功率輸出點(diǎn)可能不一致。對(duì)此，本文提出了對(duì)每個(gè)H橋所接光伏電池進(jìn)行獨(dú)立MPPT控制的策略，使得每個(gè)H橋所接光伏電池均工作在各自的最大功率輸出點(diǎn)，當(dāng)部分H橋光照環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，其他H橋輸出不受干擾?？刂葡到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，在多電平逆變器控制系統(tǒng)中給每一個(gè)H橋單元加入了一個(gè)MPPT控制模塊，用來(lái)計(jì)算各H橋單元光伏電池的參考電壓Vref，并得到與實(shí)際輸出電壓vPV的誤差ev，并將其總誤差經(jīng)過(guò)PI控制器計(jì)算后作為逆變器輸出電流控制參考值Iref，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)etotal零誤差控制。

由于單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)只有一次能量變換，若只采用定步長(zhǎng)MPPT跟蹤控制，通常會(huì)產(chǎn)生直流母線電壓跌落的現(xiàn)象，在MPPT跟蹤過(guò)程中當(dāng)選取的調(diào)整步長(zhǎng)不合適時(shí)也會(huì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)Matlab仿真，單級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在光照強(qiáng)度突然減小時(shí)，引起的母線電壓跌落過(guò)程波形如圖3所示，由圖3可以看到這一擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)逆變器輸出功率參考值偏離并超出光伏電池當(dāng)前的最大輸出功率，這時(shí)光伏電池并聯(lián)電容放電，直流母線電壓持續(xù)降低，光伏電池工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)左邊移動(dòng)，導(dǎo)致光伏電池輸出功率進(jìn)一步減小，產(chǎn)生惡性循環(huán)造成直流母線電壓跌落。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3　光伏電池母線電壓跌落輸出特性

針對(duì)光伏單級(jí)并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏電池輸出側(cè)母線電壓跌落現(xiàn)象，本文在變步長(zhǎng)電壓擾動(dòng)觀測(cè)法［8-9］基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)環(huán)電流參考值的運(yùn)算進(jìn)行了改進(jìn)，算法流程圖如圖4所示。通過(guò)檢測(cè)到的光伏電池輸出電壓Upv和電流Ipv計(jì)算電池輸出功率變化值ΔP，當(dāng)檢測(cè)到ΔP減小幅值超過(guò)設(shè)定閾值ΔPmax時(shí)，則認(rèn)為光照強(qiáng)度發(fā)生階躍變化。這時(shí)跳出MPPT運(yùn)算模塊，參照這時(shí)的光伏板實(shí)際輸出功率PPV來(lái)設(shè)定內(nèi)環(huán)電流參考值Iref，從而限制逆變器輸出功率，使母線電容上的輸入輸出功率基本保持平衡，繼而有效避免發(fā)生母線電壓跌落。圖4中IPV為輸出電流設(shè)定修改值，比例K為變步長(zhǎng)比例常數(shù)，K與ΔP的乘積為擾動(dòng)電壓變步長(zhǎng)給定值。

3　H橋傳輸功率匹配控制

對(duì)逆變器整體的控制可以實(shí)現(xiàn)etotal的零誤差，而為了實(shí)現(xiàn)各H橋單元在最大功率跟蹤過(guò)程中的電壓誤差evi也為零，還需要完成H橋傳輸功率與光伏電池輸出功率的匹配。然而由于多電平逆變器各H橋單元的傳輸功率受調(diào)制方法影響，往往在逆變器總輸出功率一定時(shí)，各H橋的傳輸功率也是一定的［10-12］。多電平脈寬調(diào)制策略中，假設(shè)兩H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器輸出功率因數(shù)為1，若使用載波層疊（Carrier Disposition，CD）調(diào)制策略，兩個(gè)H單元的傳輸功率為：

圖4　內(nèi)環(huán)電流設(shè)定值運(yùn)算流程圖

在CD調(diào)制方式下，各個(gè)H橋傳輸功率與調(diào)制比Mr具有非線性關(guān)系，且當(dāng)調(diào)制比小于0.5時(shí)，H1單元開(kāi)關(guān)管沒(méi)有動(dòng)作，不適合在光伏電池作為輸入電源的情況下使用。

若使用載波移相（Carrier Phase Shift，CPS）調(diào)制方法，兩個(gè)H單元的傳輸功率為：

由于CPS調(diào)制方法下兩個(gè)H橋輸出電壓基波與電流基波夾角θ1=θ2，當(dāng)Vin1=Vin2時(shí)，CPS調(diào)制方式下各H橋的傳輸功率是相等的。但是在本系統(tǒng)中，各H橋的獨(dú)立MPPT控制會(huì)使得各H橋單元所接收光伏電池輸入功率不同，而且會(huì)實(shí)時(shí)變化；為了保證H橋傳輸功率與其所接光伏電池輸出功率相匹配，必須完成對(duì)每一個(gè)H橋傳輸功率的獨(dú)立控制。對(duì)此，根據(jù)各H橋光伏電池功率跟蹤過(guò)程中的電壓誤差，本系統(tǒng)在CPS調(diào)制方法中加入調(diào)制波幅值運(yùn)算模塊，對(duì)各H橋的調(diào)制波進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，幅值調(diào)節(jié)比例系數(shù)為ri：

式中：vPVi為第i個(gè)H橋光伏電池實(shí)際輸出電壓；Vrefi為第i個(gè)H橋光伏電池輸出參考電壓。如圖5所示，將比例系數(shù)ri與調(diào)制波m的乘積作為各H橋新的調(diào)制波m1，m2，m3，再與載波水平移相調(diào)制方法中的各組載波比較，得到各個(gè)H橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

當(dāng)H橋傳輸功率與光伏電池最大輸出功率不匹配時(shí)，光伏電池實(shí)際工作電壓與參考電壓會(huì)產(chǎn)生誤差，當(dāng)vPVi＜Vrefi時(shí)，調(diào)制波調(diào)節(jié)系數(shù)ri＜1，該H橋調(diào)制波幅值mi減小，H橋傳輸功率減小，光伏電池給并聯(lián)電容充電，光伏電池實(shí)際輸出電壓升高；當(dāng)vPVi＞Vrefi時(shí)，調(diào)制波調(diào)節(jié)系數(shù)ri＞1，該H橋調(diào)制波幅值mi增大，H橋傳輸功率增大，光伏電池并聯(lián)電容放電，光伏電池實(shí)際輸出電壓降低，從而實(shí)現(xiàn)逆變器各H橋傳輸功率的匹配。

圖5　各H橋調(diào)制波獨(dú)立控制方法

4　仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)本文提出的控制方法，基于Matlab/Simulink仿真軟件搭建了H橋級(jí)聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用光伏電池作為獨(dú)立電源給七電平級(jí)聯(lián)逆變器各H橋供電，其中光伏電池模型的參數(shù)基于中國(guó)安利公司的YEG-250W光伏組件參數(shù)設(shè)定，具體參數(shù)如下：Voc= 36.5 V，Isc=9.1 A，Vmp=30.4 V，Imp=8.2 A，Tref=25℃，Sref= 1 000 W/m2。仿真過(guò)程中，當(dāng)各H橋所接光伏電池環(huán)境溫度為25℃，光照條件如圖6所示變化時(shí)，各H橋調(diào)制波調(diào)節(jié)系數(shù)r1，r2，r3與各H橋輸出功率如圖7、圖8所示?？芍?，七電平逆變器內(nèi)3個(gè)H橋所接光伏電池均工作在各自的最大功率輸出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了H橋傳輸功率和光伏電池最大輸出功率的匹配。逆變器級(jí)聯(lián)H橋輸出電壓和并網(wǎng)電流波形如圖9、圖10所示，可見(jiàn)系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定。

圖6　各H橋光照環(huán)境變化

圖7　H橋調(diào)制波調(diào)節(jié)系數(shù)變化曲線

5　結(jié)論

本文采用了H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)其多H橋串聯(lián)輸入的特點(diǎn)，提出了新的最大功率跟蹤控制算法和控制策略，并對(duì)多電平SPWM調(diào)制策略進(jìn)行了改進(jìn)。在新控制策略下，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，在部分H橋光伏電池光照環(huán)境發(fā)生突變的情況下能快速尋找各自新的工作點(diǎn)，對(duì)逆變器內(nèi)各H橋所接收光伏電池實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的最大功率跟蹤。在光照不均衡情況下，各H橋所接光伏電池的輸出相互之間不受影響，有效提高了光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤精度，并完成了各H橋傳輸功率與光伏電池最大輸出功率的實(shí)時(shí)匹配控制，整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定特性和動(dòng)態(tài)特性。

圖8　級(jí)聯(lián)多電平逆變器各H橋輸出功率

圖9　級(jí)聯(lián)H橋輸出電壓波形

圖10　逆變器并網(wǎng)電流波形

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Control of H-bridge MPPT and power matching for multilevel grid-connected inverter

LIU Xiaofei，WANG Bin，CHEN Yun
（College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

The H-bridge cascaded multilevel inverter can realize the single-stage grid-connection of photovoltaic（PV）cell. However，as this system has only once energy conversion in each H-bridge module，besides the conventional inverter control and grid-connected control，the maximum power point tracking（MPPT）of PV cell connected with each H-bridge module and H-bridge power matching should also be considered.The control method of adding a MPPT controller into each H-bridge module is proposed to make the PV cells connected with each H-bridge module work at the maximum power point respectively，which can improve the MPPT accuracy and stability of each H-bridge module effectively in the condition of imbalance illumination. According to the voltage error of each H-bridge module in the maximum power tracking process，the amplitude of SPWM modulating wave of each H-bridge module is controlled proportionally to match the maximum output power of PV cells with each H-bridge transmission power.The system was tested on Matlab/Simulink simulation platform.The system feasibility and reliability were verified by taking 7-level cascaded H-bridge PV grid-connected inverter as an instance.

cascaded multilevel inverter；H-bridge independent MPPT control；carrier wave phase-shifting modulation；transmission power matching

TN820.4-34

A

1004-373X（2016）20-0104-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.20.026

2016-02-04

國(guó)家青年科學(xué)基金資助（51407131）

劉曉飛（1990—），男，湖北宜昌人，碩士研究生。主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)。

王斌（1963—），男，湖北宜昌人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、新能源與分布式發(fā)電技術(shù)。

陳赟（1977—），女，瑤族，湖南江華人，講師，博士。主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的運(yùn)用。