基于H橋的光伏并網(wǎng)逆變器不平衡功率控制

劉志堅(jiān)， 侯文寶， 李德路

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

級(jí)聯(lián)H橋變換器(Cascaded H-bridge Converter， CHB)在儲(chǔ)能、高壓大功率交流傳動(dòng)、大規(guī)模光伏電力系統(tǒng)應(yīng)用廣泛[1-5]。在大規(guī)模光伏電力系統(tǒng)中，功率等級(jí)為100 kW～1 GW的光伏并網(wǎng)逆變器具有三相拓?fù)浜湍K化設(shè)計(jì)。對(duì)于此類(lèi)由大規(guī)模光伏電池陣列、DC-DC變換器、逆變器組成的光伏并網(wǎng)逆變器均采用H橋拓?fù)滏溄悠洫?dú)立的直流母線與獨(dú)立的光伏組件，因而更易于擴(kuò)展至更高的功率等級(jí)[6]。也因此，CHB被稱(chēng)為“下一代光伏發(fā)電系統(tǒng)最合適的拓?fù)洹盵7]。

在各H橋與光伏組件之間一般采用帶有高頻隔離變壓器的獨(dú)立DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)MPPT算法并與電網(wǎng)隔離[8-10]。在單相內(nèi)采用上述單元化組件進(jìn)行級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓大功率逆變。需要指出的是，在某些情況下三相光伏組件可輸出的總功率不均衡，這主要由光照條件、溫度、各模塊的差異等原因?qū)е碌腫11-13]。非均衡的輸出功率導(dǎo)致非均衡的三相交流電流，甚至導(dǎo)致并網(wǎng)逆變系統(tǒng)脫離電網(wǎng)[14-15]。鑒于此，文獻(xiàn)[8]中提出了采用零序電壓注入法的功率不均衡控制策略，使得三相功率生成系數(shù)達(dá)到其期望值，然而該文尚未分析三相功率系數(shù)能達(dá)到的極限值。

本文提出一種不平衡功率控制策略(Unbalanced Power Control Method, UPCM)。該控制策略可以解決光伏板直流側(cè)輸出功率不均衡問(wèn)題，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算三相交流功率獲得三相不平衡功率系數(shù)，并加入占空比修正量使得各相直流側(cè)功率趨向期望值。該控制策略計(jì)算方法簡(jiǎn)單、精度較好、易于實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)Matlab/Simulink和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)比了文獻(xiàn)[11]中的FFZSI、DMM和本文所提出的UPCM方法，驗(yàn)證了所提出方法的可行性和有效性。

1 簡(jiǎn)化調(diào)制策略引入

以圖1所示級(jí)聯(lián)H橋逆變器主電路為例，設(shè)各H橋子模塊直流母線電壓為Udc_Xn(X=A/B/C，n=1,2,…)且相等，即：

Udc_X1=Udc_X2=Udc_Xn=Udc

(1)

圖1 級(jí)聯(lián)H橋逆變器主電路

依據(jù)文獻(xiàn)[16]及圖1，可建立如下所示端口電壓方程：

表1 各級(jí)子模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和端口電壓

(2)

(3)

式中，uz為與零序分量等效uOO’的部分。

(4)

由式(3)和(4)可得：

(5)

式中，ΔT=uzTs/Udc。

由式(5)可以寫(xiě)出三相占空比求解的統(tǒng)一表達(dá)式：

(6)

為獲得線性調(diào)制范圍，ΔT需滿足：

(7)

(8)

2 直流側(cè)功率計(jì)算與分析

2.1 直流側(cè)功率計(jì)算

交流側(cè)三相輸出功率

(9)

若忽略變換器損耗，在一個(gè)基波周期內(nèi)直流電源輸出功率與由直流側(cè)傳遞至變換器交流側(cè)的功率PX_ac相等，即各H橋子模塊直流側(cè)輸出的“直流功率”P(pán)Xn與該相直流功率總和PX滿足:

(10)

idc_Xn=iXSXn

(11)

式中：idc_Xn是流經(jīng)母線的直流側(cè)電流；iX是交流側(cè)輸出電流；SXn為各子模塊開(kāi)關(guān)函數(shù)，滿足SXn=SXn1-SXn2；T為基波周期。

結(jié)合式(6)、(10)及(11)可得：

(12)

假設(shè)直流側(cè)電壓、電流在一個(gè)載波周期Ts內(nèi)保持不變，式(12)可以改寫(xiě)為

(13)

式中，pX(k)表示X相在載波周期內(nèi)的瞬時(shí)功率值，

(14)

N=floor(T/Ts)

(15)

2.2 直流側(cè)功率分析

采用FIFO數(shù)據(jù)序列實(shí)現(xiàn)直流側(cè)功率的實(shí)時(shí)計(jì)算，如圖2所示。該數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度為N，并且每隔一個(gè)Ts會(huì)有一個(gè)新的數(shù)據(jù)填入。進(jìn)入FIFO的下一拍數(shù)據(jù)pX(k+1)可以按照下式計(jì)算：

(16)

因此直流功率PX可以按照下式更新計(jì)算：

(17)

圖2 FIFO數(shù)據(jù)隊(duì)列圖

2.3 直流側(cè)功率與三相不平衡功率系數(shù)關(guān)系

由式(12)可得三相直流功率平均值

Pave=(PA+PB+PC)/3

(18)

可得，三相不平衡功率系數(shù)kX：

(19)

kA+kB+kC=3

(20)

將式(13)、(14)代入式(19)有：

(21)

將式(13)和(21)代入式(19)，整理可得：

(1-kX)Pave

(22)

由式(22)可看出，kX與ΔT的相關(guān)實(shí)際的三相功率不平衡系數(shù)可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比修正量ΔT來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4 不平衡功率控制策略

(2) 計(jì)算ΔT數(shù)值。結(jié)合式(16)、(17)和式(19)可計(jì)算獲得：

(23)

(3) 限制ΔT范圍。為獲得線性調(diào)制，Δ(k+1)需滿足式(8)，即當(dāng)Δ(k+1)超出限制范圍[Δmin，Δmax]時(shí)需對(duì)其值進(jìn)行相應(yīng)限制。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立一個(gè)容量為750 VA的三相五電平級(jí)聯(lián)H橋并網(wǎng)逆變器，如圖3所示。為簡(jiǎn)化模擬，將圖3中光伏組件、隔離DC-DC變換器視為直流電源。仿真與實(shí)驗(yàn)拓?fù)淙鐖D4所示，仿真中，各級(jí)H橋直流側(cè)電壓設(shè)定為48 V，其他仿真參數(shù)為：額定功率750 VA，額定線電壓95 V，開(kāi)關(guān)頻率8 kHz，各H橋電容容值1.2 mF，濾波電感值4 mH，鉛酸電池電壓12 V，H橋單元數(shù)目2。

圖3 三相五電平級(jí)聯(lián)H橋并網(wǎng)逆變器主電路

圖4 三相五電平級(jí)聯(lián)H橋并網(wǎng)逆變器仿真/實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

仿真采用的控制策略如圖5所示，其由傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制環(huán)節(jié)與所提出的不平衡功率控制策略組成。

圖5 并網(wǎng)逆變器的控制策略

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室條件下，建立容量為750 VA的三相五電平級(jí)聯(lián)H橋并網(wǎng)逆變器，并驗(yàn)證所提出的UPCM控制策略。在實(shí)驗(yàn)中采用圖5所示控制策略，對(duì)比本文提出的UPCM不平衡功率控制策略與文獻(xiàn)[6]中的DMM策略，且實(shí)驗(yàn)拓?fù)渑c圖4一致。需要說(shuō)明的是，各H橋采用普通鉛酸電池串聯(lián)作為直流電源。實(shí)驗(yàn)控制芯片采用DSP28335和Xilinx FPGA實(shí)現(xiàn)。

(a) FFZSI

(b) DMM

(c) UPCN

(d) FFZSI

(e) DMM

(f) UPCN

圖6 仿真結(jié)果

(a) DMM

(b) DMM

(c) UPCM

(d) UPCM

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于H橋的不平衡光伏供電系統(tǒng)功率控制策略UPCM，其用于解決不平衡直流功率供電問(wèn)題并能夠?qū)崿F(xiàn)三相均衡電流輸出。通過(guò)分析H橋單元直流功率獲得三相不平衡系數(shù)的控制方法，并依據(jù)期望的三相功率系數(shù)計(jì)算占空比修正量，進(jìn)而實(shí)時(shí)的調(diào)整三相直流側(cè)輸出功率。本文對(duì)比了所提出的方法與DMM方法，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所提出方法在三相功率控制、平衡電流輸出上的有效性和可靠性。該方法對(duì)于提升光伏供電系統(tǒng)效率、實(shí)現(xiàn)不平衡直流輸出功率控制上具有很高的實(shí)用價(jià)值。