張勤進(jìn)， 劉彥呈， 王 川

(大連海事大學(xué)輪機(jī)學(xué)院， 大連 116026)

結(jié)合五電平逆變和功率前饋的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

張勤進(jìn)， 劉彥呈， 王 川

(大連海事大學(xué)輪機(jī)學(xué)院， 大連 116026)

針對(duì)傳統(tǒng)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器輸出的并網(wǎng)電流諧波畸變率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，提出一種主拓?fù)潆娐返母倪M(jìn)方法，在直流母線與全橋逆變電路之間添加輔助電路，組成五電平全橋逆變器，再配合多載波脈寬調(diào)制PWM(pulse width modulation)技術(shù)，使逆變器具有五級(jí)電壓輸出，從而降低并網(wǎng)電流的諧波含量。同時(shí)在傳統(tǒng)的控制方法中引入了功率前饋算法，將光伏電池輸出功率作為前饋量加入電流內(nèi)環(huán)，使電流環(huán)的給定值含有輸入功率的信息，提高了并網(wǎng)電流對(duì)輸入功率發(fā)生變化時(shí)的響應(yīng)速度。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文提出方法的有效性。

光伏并網(wǎng)逆變器； 五電平逆變； 多載波脈寬調(diào)制； 功率前饋； 總諧波畸變率

能源短缺和溫室效應(yīng)是當(dāng)今世界面臨的兩項(xiàng)重大問(wèn)題，如何優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，改善能源效率和發(fā)展可再生能源已成為世界各國(guó)可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵。太陽(yáng)能以其卓越的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1，2]。作為光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的重要設(shè)備，光伏并網(wǎng)逆變器是太陽(yáng)能應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)，研究新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法[3～8]已經(jīng)成為了重點(diǎn)。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、DC/DC升壓電路、逆變器、濾波電路及電網(wǎng)構(gòu)成。其中逆變器是連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵部分，它主要實(shí)現(xiàn)了將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并注入電網(wǎng)的功能。如今，并網(wǎng)逆變器的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是低污染，即降低并網(wǎng)電流的諧波畸變，提高功率因數(shù)；二是高穩(wěn)定性，即提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和安全性。針對(duì)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]提出了一種基于多級(jí)逆變的光伏電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其光伏陣列由多塊或串或并的太陽(yáng)能電池板組成，通過(guò)分級(jí)模塊實(shí)現(xiàn)了多級(jí)直流母線電壓，但造成了輸入功率的損耗；文獻(xiàn)[4]提出在全橋逆變電路的前一橋臂中點(diǎn)與直流母線中點(diǎn)加兩路雙向可控開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)逆變；文獻(xiàn)[5]提出在全橋電路輸出側(cè)加入兩支有源開(kāi)關(guān)管和分壓電容組，通過(guò)適當(dāng)控制保證并網(wǎng)電流的低污染，其控制方法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于輸入功率前饋控制的并網(wǎng)逆變控制算法，能夠有效提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但算法中關(guān)于指令電流的獲取與實(shí)際偏差較大。

本文針對(duì)上述幾種電路及控制方法的不足，改進(jìn)了傳統(tǒng)單相光伏系統(tǒng)的主電路拓?fù)?，并在此基礎(chǔ)上提出了基于五電平逆變與功率前饋控制算法相結(jié)合的單相光伏并網(wǎng)控制策略。采用五電平逆變，將光伏系統(tǒng)中的直流母線電壓逆變?yōu)槎嗉?jí)脈沖電壓，從而能夠改善并網(wǎng)電流的輸出波形，降低電磁干擾；功率前饋算法的代入能夠有效提高輸出電流在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能更加優(yōu)越。

1 改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 改進(jìn)電路的構(gòu)成

傳統(tǒng)單相逆變單元采用雙橋臂，其輸出的電流畸變率較高，本文改進(jìn)了文獻(xiàn)[4]提出的五級(jí)電平全橋逆變器。如圖1所示，用輔助電路替代兩路雙向可控開(kāi)關(guān)，降低了控制的復(fù)雜性及開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗。整個(gè)并網(wǎng)電路由光伏陣列、DC/DC變換器、直流母線、輔助電路、全橋逆變器及升壓變壓器組成。

圖1 改進(jìn)的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路

1.2 工作原理

圖1中，直流母線端采用了兩個(gè)相同大小的電容C2和C3進(jìn)行分壓，電容兩端電壓均為Ud/2。輔助電路的功能就是通過(guò)S2的導(dǎo)通與否來(lái)控制全橋電路前一橋臂中心點(diǎn)的電壓，再配合全橋電路中的晶閘管S3～S6，即可控制逆變器輸出電壓的大小。晶閘管的有效導(dǎo)通狀態(tài)如表1所示。

表1 通過(guò)S2～S6的通斷狀態(tài)決定輸出電壓

由上表可知，逆變器的有效輸出為±Ud/2、±Ud、0五種電平狀態(tài)，這就是五電平逆變的本質(zhì)。為了保證功率始終是由光伏陣列流向電網(wǎng)，逆變器的輸出電壓Vinv必須大于電網(wǎng)電壓Vg，因此采用了比率為1∶2的升壓變壓器，Vg必須滿足以下公式：

(1)

這里濾波電感Lf用來(lái)平滑并網(wǎng)電流，使其輸出低諧波的正弦電流。

2 多載波PWM技術(shù)及五電平逆變的實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，將一個(gè)周波的正弦電壓分為4個(gè)部分。通過(guò)分析，每部分所對(duì)應(yīng)的高低電平共有5個(gè)狀態(tài)，分別為±Ud/2 、±Ud、0，在每個(gè)部分中可以分別進(jìn)行PWM調(diào)制，再將調(diào)制結(jié)果相加，其調(diào)制方法如圖3所示，參考正弦信號(hào)將分別與4條同頻的三角波進(jìn)行比較，從而得到開(kāi)光管S2，S3，S4，S5，S6的觸發(fā)脈沖。

圖2 多級(jí)逆變輸出狀態(tài)分區(qū)

(a) PWM產(chǎn)生原理

(b) S2～S6觸發(fā)脈沖

這里定義五電平逆變器的調(diào)制參數(shù)為Ma：

(2)

其中，Ac為載波的峰值，Am為參考正弦波的峰值。根據(jù)以上所述PWM調(diào)制原理，Ma的值應(yīng)當(dāng)在1和2之間。當(dāng)Magt;2時(shí)，參考正弦波將超出4個(gè)部分，產(chǎn)生過(guò)調(diào)制，并網(wǎng)電流中會(huì)產(chǎn)生大量諧波污染；當(dāng)Malt;1時(shí)，整個(gè)波形只能分為兩個(gè)部分，五電平逆變將失去意義。Ma選取不同的值時(shí)，逆變后開(kāi)路電壓的波形情況如圖4所示。

(a) Ma=1.5

(b) Ma=2.2

(c) Ma=0.7

3 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略及實(shí)現(xiàn)

圖5為改進(jìn)的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，控制部分可分為兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)。MPPT控制器配合Boost升壓電路，根據(jù)光伏陣列輸出電流和電壓的變化，通過(guò)控制PWM信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)光伏電池的輸出功率保持最大。并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)中，本設(shè)計(jì)除采用電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流同相位運(yùn)行，還采用了輸出功率前饋算法用于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖5 改進(jìn)的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

3.1 光伏陣列模型的建立及MPPT的實(shí)現(xiàn)

一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光伏陣列是由很多太陽(yáng)能電池板組成的，而每一個(gè)太陽(yáng)能電池都是由同一半導(dǎo)體基體上的多個(gè)串、并聯(lián)的PN結(jié)構(gòu)成。在光照條件下，如果有外電路與電池相連，就會(huì)形成穩(wěn)定的電流。太陽(yáng)能電池的輸出特性是非線性的，它受到光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等多重因素的影響，此外光伏電池的工作電壓和工作電流還受負(fù)荷電阻的影響，不同的負(fù)荷電阻與特性的交點(diǎn)確定了不同的工作電流和工作電壓。所以當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，控制好負(fù)荷電阻的變化就可以保證輸出電流和電壓的乘積保持最大，也就是說(shuō)可以通過(guò)改變負(fù)載電阻跟蹤最大功率點(diǎn)[9]。對(duì)于圖1所示的系統(tǒng)，DC/DC變換器采用了Boost斬波電路，通過(guò)控制S1的占空比D即可改變整個(gè)系統(tǒng)的等效阻抗，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

圖6 MPPT算法流程圖

圖1中，Ui和Uo是DC/DC變換器的輸入和輸出電壓，Ii是輸入的平均電流，假定Boost電路以后部分的等效阻抗為R2，D為S1的占空比且所有元件均為理想元件，則可得到以下關(guān)系：

Uo=Ui/(1-D)

(3)

(4)

令

Req=Ui/Ii

(5)

由式(1)～(3)可得：Req=(1-D)2R2。由此可知Boost電路及負(fù)載組成的等效阻抗Req，其大小由占空比D和負(fù)載R2決定。當(dāng)負(fù)載R2不變的情況下，通過(guò)改變占空比D的大小就可以使Req等于光伏電池的等效內(nèi)阻，從而獲得太陽(yáng)能電池的最大功率輸出。

本文利用Simulink建立了光伏電池的行為模型，即根據(jù)電池的外特性擬合出相應(yīng)的電壓與電流關(guān)系曲線，并采用了電導(dǎo)增量法作為MPPT的控制算法[9，10]，算法流程圖如圖6所示。

3.2 帶功率前饋算法的并網(wǎng)控制策略

單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)電流控制電壓型逆變器(VSI)，將光伏陣列輸出功率與直流母線電壓相除的結(jié)果作為給定電流的峰值，再與由鎖相環(huán)PLL獲得的電網(wǎng)電壓相位信息相乘作為電流內(nèi)環(huán)的給定，與輸出電流比較后經(jīng)過(guò)PI控制器輸出，最后由PWM發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)。

對(duì)于傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)光伏電池的輸出功率變化時(shí)，并網(wǎng)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較慢。因此本文在傳統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于功率前饋的控制算法，使得交流側(cè)輸出能夠更快地隨光伏陣列輸出功率的變化而變化，其控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

假設(shè)主電路中的元件均為理想元件，那么并網(wǎng)回饋到電網(wǎng)的功率就應(yīng)該為光伏電池的輸出功率Ppv與并網(wǎng)回路中損耗的功率之差，根據(jù)公式

(6)

可以求得并網(wǎng)側(cè)最大輸出電流的峰值IR：

(7)

式中：Ugf為電網(wǎng)電壓的峰值，Req為逆變器側(cè)等效阻抗。將IR與電網(wǎng)電壓相位信息的乘積作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，與并網(wǎng)電流iac的瞬時(shí)值進(jìn)行比較，兩者的差值經(jīng)并網(wǎng)電流控制環(huán)節(jié)和PWM信號(hào)發(fā)生器輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)五電平全橋逆變器。

通過(guò)本文所設(shè)計(jì)的功率前饋控制算法，在輸入功率與輸出電流之間建立了直接聯(lián)系。當(dāng)輸入功率發(fā)生變化的時(shí)候，不需要前級(jí)DC/DC變換器和電壓外環(huán)的處理，直接將輸入功率變化信息傳遞給并網(wǎng)電流控制環(huán)節(jié)，提高了整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)光伏陣列輸出功率變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證上述控制方法的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)基于多載波PWM技術(shù)和功率前饋控制算法的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，系統(tǒng)總體仿真模型如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)表2所示的PV參數(shù)，建立了光伏電池的行為模型，并利用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，從而使光伏陣列獲得了較好的輸出電壓、輸出電流及輸出功率。在標(biāo)準(zhǔn)溫度及光照條件下，光伏陣列的輸出電壓穩(wěn)定在280V左右，工作電流在14A附近，輸出功率約為3900W。

圖8中，針對(duì)本文改進(jìn)的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單相光伏系統(tǒng)，就輸出的并網(wǎng)電流進(jìn)行了比較。

表2 單相PV并網(wǎng)仿真參數(shù)

(a) 傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

(b) 改進(jìn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

如圖8所示，圖(a)是傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電流，通過(guò)FFT分析，可求的其諧波畸變率為5.99%，圖(b)是本文改進(jìn)系統(tǒng)的輸出電流，其諧波畸變率為2.36%。由此可以證明本文提出的基于多載波PWM技術(shù)的改進(jìn)型五電平逆變電路的有效性。

本文還基于改進(jìn)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別對(duì)無(wú)功率前饋控制環(huán)節(jié)和有功率前饋控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，其仿真結(jié)果如圖9所示。

(a) 無(wú)功率前饋環(huán)節(jié)

(b) 有功率前饋環(huán)節(jié)

在0.2 s時(shí)，光照強(qiáng)度由1000 W/m2變?yōu)?00 W/m2，此時(shí)系統(tǒng)的輸出功率將減少。從圖9的仿真結(jié)果可以看到未加功率前饋環(huán)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)需要2～3個(gè)周波才能趨于穩(wěn)定；而有功率前饋環(huán)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)只需0～1個(gè)周波就可趨于穩(wěn)定。由此可以證明本文所設(shè)計(jì)的控制算法能夠有效地提高輸出電流對(duì)輸入功率變化的響應(yīng)速度，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

最后對(duì)本系統(tǒng)做總體性分析，仿真結(jié)果表明：本文改進(jìn)的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合了五電平逆變電路和功率前饋控制算法，與傳統(tǒng)的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)相比，它能夠明顯地改善并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量，同時(shí)提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，提出由輔助電路和全橋逆變器構(gòu)成的五電平全橋逆變策略；介紹了光伏陣列的輸出特性以及兩級(jí)能量變換環(huán)節(jié)的基本原理，建立了等效光伏模型，并利用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境下最大功率點(diǎn)的跟蹤；在并網(wǎng)控制過(guò)程中還提出一種基于功率前饋的并網(wǎng)電流控制算法，并對(duì)其原理進(jìn)行了分析。最后通過(guò)仿真比較，本文所提并網(wǎng)控制策略能夠有效提高輸出電能的質(zhì)量，且具有更好的動(dòng)態(tài)特性。

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張勤進(jìn)(1986-)，男，博士研究生，主要從事光伏并網(wǎng)發(fā)電、電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)方面的研究。Email:zqj18@yahoo.com.cn

劉彥呈(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能電氣與控制網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電檢測(cè)與自動(dòng)化技術(shù)等方面的研究。Email:liuyc3@126.com

王 川(1985-)，男，助教，博士研究生，主要從事電力系統(tǒng)建模與仿真、故障診斷等方面的研究。Email:chuanwang0101@163.com

Grid-connectedPVSystemontheCombinationofFive-levelInverterandPowerFeed-forward

ZHANG Qin-jin， LIU Yan-cheng， WANG Chuan

(Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In the traditional single-phase grid-connected photovoltaic (PV) system, the output grid-current has the shortcomings of high THD (total harmonic distortion) and slow dynamic response. In this paper, an improved method on the inverter is proposed to solve these problems. The improved inverter, which is called five-level inverter, is composed of full-bridge circuit and auxiliary circuit. Applying the multi-carrier PWM(pulse width modulation)technology, the output voltage of the inverter is produced in five levels. This method can reduce the THD of the grid current. At the same time, the control method is optimized with the power feed-forward algorithm. The output power information of PV arrays is added to the current close-loop as a feed-forward, which improves the grid-current's dynamic response to the changes of input power. In the end, simulation proves the effectiveness of the proposed method.

grid-connected PV(photovoltaic)inverter； five-level inverter； multi-carrier PWM(pulse width modulation)； power feed-forward； total harmonic distortion(THD)

TM615

A

1003-8930(2012)06-0052-06

2011-10-24；

2011-11-30

大連市科技攻關(guān)項(xiàng)目