趙修瑞，李鍇，李又豐

(黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027)

一般光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括光伏電池板、光伏逆變器、電網(wǎng)端的負載。實際應用中，由于單塊光伏板產(chǎn)生的電能限制，一般單塊光伏板產(chǎn)生的電能較小，必須將光伏板進行重新組合，才能達到真正所需的功率[1-2]。

光伏板的排列和與電網(wǎng)連接的方式使得光伏發(fā)電系統(tǒng)大概可以分為集中式、組串式、串式和組件式四種結(jié)構(gòu)。組串式結(jié)構(gòu)是在串式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加了一個DC-DC變換器，經(jīng)過DC-DC變換后，再經(jīng)過DC-DA變換進入到電網(wǎng)中，這樣的結(jié)構(gòu)提高了直流電壓的等級，降低了能量的傳輸損耗。目前，對于光伏并網(wǎng)研究的趨勢主要集中在并網(wǎng)電路拓撲結(jié)構(gòu)和并網(wǎng)控制算法[3]。

1 系統(tǒng)描述

本文結(jié)構(gòu)以NPC拓撲為主電路，在電容兩端并聯(lián)光伏組件及DC-DC變換器，實現(xiàn)分布式光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時做到高頻隔離，提高了功率密度，光伏組件可以接地。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電路系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由光伏組件、DC-DC升壓變換器和NPC多電平并網(wǎng)變換器三部分組成，光伏組件與DC-DC實現(xiàn)最大功率點跟蹤[4-7]，同時實現(xiàn)電壓的升壓功能，后級NPC完成逆變，由于NPC結(jié)構(gòu)的特點需要對電容電壓控制，主要采用中點電壓平衡法，實現(xiàn)中點平衡，保證并網(wǎng)電壓穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的2L-VSC多串拓撲相比，其優(yōu)點是可以達到更高的電壓，降低共模電壓，使用較低的開關(guān)頻率，用更小的濾波器改善電能質(zhì)量。在DC-DC變換電路中，選擇了LLC變換器，該變換器在原邊上可以實現(xiàn)零電壓開通，副邊上可以實現(xiàn)零電流關(guān)斷。

圖1 分布式NPC光伏逆變系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制方法[8]，中點平衡問題，采用了引入平衡因子的方法實現(xiàn)中點電位的平衡。最大功率點控制可采用擾動觀察法[9]，并對鎖相環(huán)進行了探究[10-11]，系統(tǒng)總控制圖如圖2所示。

圖2 光伏逆變系統(tǒng)控制圖

2 控制方案

2.1 DC-DC變換器及原理分析

高功率、高效率的DC-DC變換器是目前電力電子技術(shù)研究的重要方面，在高頻下的工作能力尤為重要，而諧振變換器越來越受到大家的關(guān)注。通過對LLC電路進行串并聯(lián)的改良，得到了一種LLC半橋諧振變換器電路，這種LLC半橋電路不僅能夠吸取串聯(lián)諧振，還可以隔離直流，并且能夠利用并聯(lián)諧振減小濾波電容電流脈動小的特點，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，LLC型半橋電路是一種應用比較理想的DC-DC變換模型。

從圖3可知，LLC半橋式諧振變換的核心電路包括3個器件，即進行諧振所需的電容Cr、勵磁電感Lm以及電感Lr元器件等。由這3種元器件可以構(gòu)成2種諧振方式，第1種諧振的方式不涉及勵磁電感Lm，只需Cr與Lr即可。設(shè)第1種方式的諧振頻率為fr1，其關(guān)系式為

圖3 LLC半橋諧振變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

(1)

第2種工作情況是諧振電容Cr、諧振電感Lr和勵磁電感Lm3個器件同時參與了諧振，所以此時的諧振頻率設(shè)為fr2，其表達式為

(2)

2.2 NPC逆變器中點電壓平衡控制策略

NPC型逆變器的中點電位平衡的問題是NPC逆變器固然存在的問題。這是由于直流側(cè)2個電容在工作時因為充電和放電從而使中點電位偏移，其產(chǎn)生的3次諧波會影響整個逆變器的輸出。中點電流是導致中點電位平衡的根本原因，主要是由于小矢量的作用而引起的，但是正小矢量和負小矢量的影響正好相反，所以小矢量的影響可以控制[12]。

導致中點電位不平衡的最本質(zhì)原因就是在一個脈沖周期上，在中點流入的電荷和流出的電荷不是零,有：

(3)

小矢量的作用是完全對稱且影響結(jié)果完全相反，所以通過對小矢量在七段中的第一和第四段的作用時間的調(diào)整就可以達到中點電荷平衡的目的[12]。標準七段式如圖4所示。

圖4 標準七段式

設(shè)段一到段四作用中點電流為i0、i1、i2、i3且為定值。當運行在標準情況下(平衡因子k=0)，中點電荷的變化為

(4)

引入平衡因子k后，重新計算作用時間，電荷變化量為

(5)

由于i0=-i3，代入上式：

ΔQ=kT0i0+T1i1+T2i2

(6)

直流側(cè)兩電容C1、C2的電壓差可表示為

Δudc=uC1-uC2

(7)

若直流母線側(cè)兩個電容的容值都為C，則中點電荷為

Q=QC1-QC2=C·Δudc=C·(uC1-uC2)

(8)

如果需要控制中點電位平衡，那么式(6)中的ΔQ和式(8)中點電荷量的和為零，即：

ΔQ+Q=0

(9)

根據(jù)式(6)，將式(8)和式(9)聯(lián)立得到：

(10)

引入平衡因子后矢量作用時間分配如圖5所示。

圖5 引入平衡因子后矢量作用時間分配

3 仿真分析

在MATLAB/simulink仿真軟件中，搭建光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

采用SVPWM調(diào)制策略。對于NPC拓撲存在的中點電位不平衡問題，引入平衡因子，調(diào)整矢量的作用時間而達到中點電荷平衡的目的，通過仿真驗證方案可行性。

在中點電位平衡的控制算法上面采用平衡因子法。其中直流側(cè)母線電壓700 V，母線電容2200 μF。首先進行未加入中點平衡的測試，如圖6所示。

(a)直流側(cè)母線兩電容電壓

(b)直流母線兩電容差值圖6 未加入平衡算法的兩電容電壓及其差值

通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，當沒有加入控制算法的直流母線上下2個電容的電壓是不相等的，同時上個電壓的電壓差并不穩(wěn)定，且不接近于零。對于NPC拓撲固然存在的中點電位不平衡問題，引入平衡因子，調(diào)整矢量的作用時間而達到中點電荷平衡的目的，最后通過仿真驗證方案可行性。

仿真波形如圖7所示。

(a)直流側(cè)母線兩電容電壓

(b)直流母線兩電容差圖7 引入中點平衡算法后2個電容電壓及其差值

經(jīng)過引入平衡因子后，仿真可以發(fā)現(xiàn)，雖然在一開始2個電容的電壓并不相等，但經(jīng)過約0.03 s之后，2個電容的電壓趨于平衡，并在允許的范圍內(nèi)波動，作差分析，兩電容的電壓差值不超過5 V。最終通過鎖相和電壓電流控制，逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相位，維持單位功率因數(shù)運行，且THD=2.46%<5%，可以實現(xiàn)并網(wǎng)，輸出較為標準正弦波，波形如圖8所示。

(a)逆變器輸出電壓

(b)并網(wǎng)電流圖8 正常運行逆變器輸出電壓及并網(wǎng)電流

4 結(jié)束語

本文對三電平光伏并網(wǎng)逆變器進行了分析和設(shè)計，分別對光伏并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、LLC諧振變換器和中點電壓平衡進行了研究。LLC半橋諧振變換器不僅能夠吸取串聯(lián)諧振還可以隔離直流；采用了將三電平逆變器的數(shù)學模型建立在不同的坐標系下，采用SVPWM調(diào)制策略，并解決中點電位平衡問題。最終實現(xiàn)系統(tǒng)在檢測不平衡電網(wǎng)的電壓上升以及跌落的時候可以實現(xiàn)良好的并網(wǎng)效果。