張承慧，周江偉，杜春水，陳阿蓮

（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

單相級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器控制策略綜述

張承慧，周江偉，杜春水，陳阿蓮

（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

級聯(lián)多電平逆變器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)各級光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤，提高光伏利用率，而且具有系統(tǒng)開關(guān)損耗小、能量變換效率高以及并網(wǎng)電流諧波含量低等優(yōu)勢，在大規(guī)模光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域備受青睞。綜述了近年來級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的研究成果，依據(jù)各個級聯(lián)單元的調(diào)制比配置方式不同，將變換器的功率平衡控制策略分成了三類，在分析各類控制原理和特點(diǎn)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了系統(tǒng)功率平衡控制策略的約束條件公式，進(jìn)而指出了級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的改進(jìn)方法。

級聯(lián)多電平逆變器；光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；功率平衡控制；最大功率點(diǎn)跟蹤

太陽能資源豐富、分布廣泛，是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?。隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出，太陽能光伏發(fā)電因其清潔、安全、便利、高效等特點(diǎn)，已成為世界各國普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。近年來，光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中裝機(jī)容量所占比例越來越大，并呈現(xiàn)出“規(guī)?；稚㈤_發(fā)、低壓接入、就地消納”以及“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入、高壓遠(yuǎn)距離外送消納”兩種方式并存格局［1］。在光伏大規(guī)模集中開發(fā)領(lǐng)域，大功率逆變器成本壓力日益增大，提高逆變器輸出電壓有利于減少變換器、配電器件、輸電線路、變壓器的電流應(yīng)力，進(jìn)而降低成本，提高效率［2］。然而功率器件的電壓應(yīng)力隨之增大，需要耐壓更高的器件，多電平逆變器的出現(xiàn)解決了此問題。

目前，多電平逆變器根據(jù)電路拓?fù)洳煌饕煞譃槎O管箝位型、飛跨電容型和級聯(lián)型三種。級聯(lián)多電平逆變器能夠減少功率器件的開關(guān)損耗，提高變流器效率，改善輸出波形質(zhì)量，并且與其他兩種類型相比，在輸出電壓電平數(shù)相同時所需功率器件較少，結(jié)構(gòu)上易于模塊化擴(kuò)展和冗余運(yùn)行，是高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域一種非常有效的解決方案［3,4］。目前，已經(jīng)成功應(yīng)用于大型風(fēng)機(jī)泵類電機(jī)驅(qū)動［5］、鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器［6,7］以及牽引系統(tǒng)［8］中。由于光伏陣列可以滿足級聯(lián)多電平逆變器所需的獨(dú)立直流電源，各級功率單元工作能夠?qū)崿F(xiàn)光伏陣列的分布式最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制，易于高壓大功率化，因此，級聯(lián)多電平逆變器非常適合于大規(guī)模光伏并網(wǎng)場合［9-11］。

級聯(lián)多電平逆變器根據(jù)相數(shù)不同可以分為單相級聯(lián)和三相級聯(lián)多電平變換器；根據(jù)各功率單元直流電壓的是否相同又可分為對稱級聯(lián)多電平逆變器和混合級聯(lián)多電平逆變器［12-15］。目前，混合級聯(lián)多電平拓?fù)鋺?yīng)用到光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的文獻(xiàn)較少。由于混合型和三相級聯(lián)多電平變換器拓?fù)淇梢钥醋魇菃蜗嗉壜?lián)多電平變換器拓?fù)涞难由?，研究單相級?lián)多電平逆變器的控制方法是前兩者的基礎(chǔ)，因此本文主要針對單相對稱級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法進(jìn)行了綜述，對于混合型和三相級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器控制同樣具有理論借鑒意義。

1 級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器由n個H橋逆變單元串聯(lián)組成，如圖1所示。每個功率單元直流側(cè)的光伏陣列由一系列光伏組件串并聯(lián)組成，交流側(cè)通過濾波電感接入電網(wǎng)。其中，第k（1,2,…,n）個光伏陣列的輸出電壓為vPVk，即直流母線電壓vDCk；光伏陣列輸出電流為iPVk；直流母線電流為iDCk。逆變器的輸出電壓為vHk，并網(wǎng)電流為ig，電網(wǎng)電壓為vg。

受光照、溫度以及光伏陣列之間不匹配的影響，級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器中各級電池陣列的輸出特性不同，各功率單元的最大輸出功率也不同。當(dāng)光伏陣列運(yùn)行在各自的最大功率點(diǎn)處時，各級直流母線電壓會由于功率分布不均勻而發(fā)生電壓漂移，光伏陣列輸出電壓偏離其最大功率點(diǎn)電壓，從而導(dǎo)致MPPT失效，逆變器輸出波形畸變，嚴(yán)重影響并網(wǎng)裝置的性能和可靠性。因此，級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器控制策略必須在傳統(tǒng)直流母線電壓、電網(wǎng)電流雙閉環(huán)基礎(chǔ)上，加入功率平衡控制，可見功率平衡控制是級聯(lián)模塊化多電平變換器控制策略的核心。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出多種功率平衡控制方法［16-27］，其基本思路是通過控制并網(wǎng)電流使系統(tǒng)功率平衡，通過控制各單元輸出功率比例以穩(wěn)定各單元直流母線電壓。當(dāng)總的直流母線電壓穩(wěn)定住后，僅對各級功率單元采用同樣的調(diào)制比進(jìn)行調(diào)制，往往不能維持各級直流母線電壓平衡，需要對總調(diào)制比在各級功率單元進(jìn)行重新配置［16］。

圖1 級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Cascaded multilevel inverter topology for gridconnected photovoltaic systems

2 功率平衡控制策略分類

本文按照各單元對總調(diào)制比配置方式的不同將功率平衡控制策略分為3類。

2.1 第1類功率平衡控制策略

文獻(xiàn)［17］較早地提出了一種適用于級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器的功率平衡控制策略，文獻(xiàn)［18-22］所提控制策略在其基礎(chǔ)上變化了其直流母線電壓控制和并網(wǎng)電流控制結(jié)構(gòu)。這幾種控制策略雖然直流母線電壓控制和并網(wǎng)電流控制結(jié)構(gòu)有所差異，但是它們總調(diào)制比的配置方式相同，都是用各級單元的比例因數(shù)與總的調(diào)制比信號相乘積，作為每個功率單元最終的調(diào)制比信號。第1類功率平衡控制策略特點(diǎn)是對各級功率單元輸出有功功率和無功功率同時等比例調(diào)節(jié)，比例因數(shù)為各單元輸入功率之比。本文以文獻(xiàn)［17］所提控制策略為例介紹該類功率平衡控制方法,策略如圖2所示。

圖2 第1類功率平衡控制框圖Fig.2 Block diagram of the first class power balance control

整個控制系統(tǒng)包括光伏陣列輸出電壓控制、并網(wǎng)電流控制和總調(diào)制比分配3個部分。電壓控制的結(jié)果是獲得直流母線電流參考值IDCk，在功率計算環(huán)節(jié)得到各單元輸出功率Pk和系統(tǒng)總輸出功率PT，在功率控制環(huán)節(jié)對功率PT進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，得出整個系統(tǒng)并網(wǎng)電流參考值和輸出電壓參考值VHT，最后在調(diào)制比分配環(huán)節(jié)按照各單元輸入功率比值分配VHT得出各自調(diào)制信號dk，通過載波移相SPWM（sinusoidal pulse width modulation）得到各單元驅(qū)動信號。

2.2 第2類功率平衡控制策略

文獻(xiàn)［23］對比分析了幾種級聯(lián)多電平整流器的控制方法，提出一種新型的功率平衡控制策略。由于級聯(lián)多電平整流器和逆變器的拓?fù)湎嗤?，兩者的控制策略可以相互借鑒，文獻(xiàn)［24］將其應(yīng)用到級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器中，實現(xiàn)了各級功率單元的最大功率點(diǎn)跟蹤和單位功率因數(shù)并網(wǎng)。該控制策略在準(zhǔn)Z源級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器中也得到較好應(yīng)用［25］。于是第2類功率平衡控制策略特點(diǎn)是交流側(cè)濾波電感上的無功功率全部由1個功率單元提供，其他的各級功率單元只輸出有功功率，具體控制原理如圖3所示。

圖3 第2類功率平衡控制策略框圖Fig.3 Block diagram of the second class power balance control

整個控制系統(tǒng)包括n個電壓環(huán)和1個電流環(huán)。電壓環(huán)實現(xiàn)各級直流母線電壓的穩(wěn)定，電流環(huán)實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)?？偟闹绷髂妇€電壓由PI調(diào)節(jié)器控制，其輸出與電網(wǎng)同步因子相乘作為電流環(huán)的給定。電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出作為總的調(diào)制比信號。直流母線電壓vDC2到vDCn的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，與電網(wǎng)同步因子相乘，得到各自的調(diào)制比信號dk?？偟恼{(diào)制比信號減去其他調(diào)制比信號之和得到功率單元1的調(diào)制比信號d1。各單元調(diào)制比信號經(jīng)過載波移相環(huán)節(jié)得到開關(guān)器件的驅(qū)動信號。

2.3 第3類功率平衡控制策略

文獻(xiàn)［26，27］分別提出一種基于占空比有功分量修正的功率平衡控制策略，兩者的區(qū)別在于文獻(xiàn)［26］所提控制策略是建立在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，應(yīng)用于級聯(lián)多電平整流器中；文獻(xiàn)［27］所提控制策略是建立在靜止坐標(biāo)系下，應(yīng)用于級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器中。從功率控制的角度看，它們都屬于第3類功率平衡控制策略，其特點(diǎn)是各級功率單元只對輸出的有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，各單元輸出的無功功率相等，具體工作原理如圖4所示。

圖4 第3類功率平衡控制策略框圖Fig.4 Block diagram of the third class power balance control

整個控制系統(tǒng)包括總的直流母線電壓控制、并網(wǎng)電流控制和功率平衡控制三部分。每級功率單元通過獨(dú)立MPPT算法得到總的直流電壓參考值，與各級實際直流母線電壓vpvk之和相比較，PI調(diào)節(jié)器輸出與電網(wǎng)電壓同步因子相乘，得到并網(wǎng)電流的參考值，實現(xiàn)逆變器總的直流母線電壓穩(wěn)定。電流環(huán)采用準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器實現(xiàn)并網(wǎng)電流的無靜差快速跟蹤，并引入電網(wǎng)電壓前饋控制，克服電網(wǎng)電壓畸變和擾動對并網(wǎng)電流控制的影響。每級功率單元標(biāo)幺化的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器與電網(wǎng)電壓同步因子相乘，得到占空比有功修正分量ddk，分別疊加到電流環(huán)輸出的總占空比信號d上，形成每個功率單元最終的占空比參考信號dk，用于載波相移正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）調(diào)制。

3 功率平衡控制約束條件

上述三類功率平衡控制策略都能夠有效解決直流母線電壓漂移問題，進(jìn)而實現(xiàn)各級光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤。受級聯(lián)多電平逆變器的本質(zhì)約束，這些控制策略都有一定的適用范圍和約束條件，其與各級單元輸出功率、電網(wǎng)電壓、直流母線參考電壓和網(wǎng)側(cè)濾波電感有關(guān)。不失一般性，以三單元級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器為例，推導(dǎo)3類功率平衡控制策略的約束條件。假設(shè)：系統(tǒng)單位功率因數(shù)輸出；忽略電抗器內(nèi)阻；功率單元1的輸入功率大于功率單元2，大于功率單元3。各控制策略的矢量如圖5所示。根據(jù)圖5可得

式中：VHn為第n個功率單元輸出基波電壓有效值，n=（1,2，…）；Vg為電網(wǎng)電壓有效值；Ig為并網(wǎng)電流有效值；Vdn和Vqn分別為VHn在d軸和q軸上的有功分量和無功分量；VDC為直流母線電壓參考值與之比。將式（2）代入式（1）得則各功率單元輸出有功功率和無功功率分別為

圖5 功率平衡控制策略矢量Fig.5 Power balance control vector constraints

根據(jù)式（4），整理得各單元的有功功率為

忽略逆變器損耗，系統(tǒng)總輸出有功功率與總輸入功率相等，表示為

由式（6），系統(tǒng)輸出并網(wǎng)電流表示為

將式（7）代入式（5）得

根據(jù)式（8）可知，3類控制策略中各功率單元輸出電壓的有功分量相同，都是按照光伏陣列的輸出功率成比例分配，區(qū)別主要體現(xiàn)在各單元輸出電壓無功分量的分配上。

對于第1類功率平衡控制策略，各功率單元輸出電壓的無功分量按輸入功率成比例分配，表示為

將式（9）代入式（3）得

對于第2類功率平衡控制策略，系統(tǒng)無功分量全部由功率單元1提供，根據(jù)式（3）表示為

對于第3類功率平衡控制策略，各功率單元輸出電壓的無功分量均勻分配，根據(jù)式（3）表示為

由于功率單元1的輸入功率大于功率單元2，大于功率單元3，則d1≥d2≥d3，為了避免出現(xiàn)過調(diào)制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須滿足的條件為

青少年學(xué)生有自己的主見，我們應(yīng)該為之欣慰，盡管他們的個人選擇未必值得他人效仿，未必值得大面積提倡。畢竟這樣的學(xué)生并不多，更多的學(xué)生還是習(xí)慣于隨大流：考大學(xué)時追逐熱門專業(yè)，畢業(yè)后追求“錢多事少離家近”的所謂“完美工作”。平心而論，這樣的選擇也是人之常情，無論在任何國家和時代，恐怕率多如此。對于大多數(shù)人的選擇，我們司空見慣，自然不會有太多質(zhì)疑；但對于少數(shù)青少年學(xué)子一些看似大膽而個性的選擇，也未必就要大聲起來反對和打壓，畢竟就像每片樹葉都不完全相同，每個人也是不一樣的。

將式（10）代入式（13）得

將式（8）代入式（14），并推廣到n個功率單元，整理得第1類控制策略的功率不平衡約束公式為

將式（11）代入式（13）得

將式（8）代入式（16），并推廣到n個功率單元，整理得第2類控制策略的功率不平衡約束公式為

將式（12）代入式（13）得

將式（8）代入式（18），并推廣到n個功率單元，整理得第3類控制策略的功率不平衡約束公式為

（1）在相同條件下，第3類控制策略具有最大的功率不平衡范圍，第1類策略次之，第2類策略最小。

（2）為了保證并網(wǎng)電流可以任意控制，工程應(yīng)用中逆變器的并網(wǎng)電抗取值較小，其壓降一般不超過電網(wǎng)電壓的10%。因此，此3個式子根號下的計算值非常接近1，對功率不平衡范圍影響不大，3種策略的不平衡約束范圍近似相等。

（3）為了擴(kuò)大級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的適用范圍，最有效的方法是提高直流母線電壓VDC。而電壓型級聯(lián)逆變單元輸出不具備升壓屬性，解決方法是將boost變換器［11］或準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器中［28,29］，其不僅適用于光伏電池輸出電壓的寬范圍變化，同時也具有調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率不平衡范圍的能力。當(dāng)級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器中各單元功率不平衡程度增加時，可以適當(dāng)提高直流母線電壓，擴(kuò)大系統(tǒng)的不平衡約束范圍；當(dāng)功率不平衡程度非常嚴(yán)重時，可以考慮旁路某些單元或者降低功率較大單元的功率輸出，即將光伏陣列偏離其最大功率點(diǎn)運(yùn)行。

4 結(jié)語

通過對級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器的有效功率平衡控制，可以解決各級功率單元工作在各自最大功率跟蹤模式下造成直流母線電壓不一致的問題。依據(jù)各單元對總調(diào)制比配置方式的不同將功率平衡控制策略分為三大類，推導(dǎo)出了各類策略的適用范圍和約束條件，進(jìn)而指出了Z源級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器在不平衡功率調(diào)節(jié)能力方面的優(yōu)勢。此外，雖然級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)逆變器具有模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，但其控制策略多為集中控制。如何實現(xiàn)級聯(lián)多電平光伏逆變器的分散自治控制，各功率單元既具有獨(dú)立的最大功率點(diǎn)跟蹤、電流控制、檢測保護(hù)，又能服從中央控制器的集中管理調(diào)度，是有待深入研究的課題。

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Review of Control Strategies of Single-phase Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter for Grid-connected Photovoltaic Systems

ZHANG Chenghui,ZHOU Jiangwei,DU Chunshui,Chen Alian
（School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China）

Cascaded H-bridge multilevel inverters can not only implement the distributed maximum power point track（MPPT）with high photovoltaic utilization,but also decrease the switching losses,improve the inverter efficiency and output waveforms quality,which is popular in the field of large-scale photovoltaic（PV）grid-connected system research and engineering applications.Firstly,a cascade multilevel photovoltaic grid inverter control strategies are reviewed in recent year.Secondly,the power balance control strategies of the converter are divided into three categories for the different modular modulation ways,and their control principles and characteristics are analyzed in detail.Then the power imbalance constraints of various control strategies are derived.Lastly,methods of improving the topology and control strategies of cascaded H-bridge multilevel inverter are presented.

cascaded H-bridge multilevel inverter;grid-connected photovoltaic systems;power balance control; maximum power point tracking（MPPT）

張承慧

張承慧（1963-），男，博士，教授，研究方向：新能源控制、電動汽車、工程優(yōu)化控制、控制理論與應(yīng)用等，E-mail:zchui@sdu. edu.cn。

周江偉（1989-），男，碩士研究生，研究方向：光伏并網(wǎng)功率變換器及其控制技術(shù)，E-mail：zjwsdu@163.com。

杜春水（1973-），男，博士，副教授，研究方向：新能源并網(wǎng)變換器控制與優(yōu)化設(shè)計、微電網(wǎng)控制,E-mail：duchsh@sdu. edu.cn。

陳阿蓮（1976-），女，博士，教授，研究方向：多電平變換器、電力電子及其在工業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)，E-mail：chenalian@ sdu.edu.cn

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.1

：TM 461

：A

2015-10-31

國家自然科學(xué)基金重大國際（地區(qū)）合作研究資助項目（61320106011）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51377101）；山東省科技發(fā)展計劃資助項目（2013GGX10401）。

Project Supported by Major International（Regional）Joint Research Project of the National Natural Science Foundation of China（NSFC）（61320106011）;National Natural Science Foundation of China（51377101）；Shandong Province Science and Technology Development Program（2013GGX10401）.