多電平并網逆變器H橋功率跟蹤及功率匹配控制

摘 要： H橋級聯多電平逆變器可實現光伏電池單級式并網，但是由于該系統只在各H橋單元存在一次能量變換，除了要考慮常規逆變器控制及并網控制外，還需要同時考慮到各H橋單元所接光伏電池最大功率點跟蹤（MPPT）及H橋傳輸功率匹配的問題。對此提出對每個H橋單元加入一個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，能有效提高各H橋單元光照不均衡條件下MPPT跟蹤的準確性和穩定性，同時基于各H橋單元最大功率跟蹤過程中的電壓誤差，對各H橋的SPWM調制波幅值進行比例調節，從而實現各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仿真平臺上進行了系統的仿真實驗，結果表明以七電平級聯光伏并網逆變器為例證實了該系統的可行性和可靠性。

關鍵詞： 級聯多電平逆變器； H橋獨立MPPT控制； 載波水平移相調制； 傳輸功率匹配

中圖分類號： TN820.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0104?04

Abstract： 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.

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

太陽能作為一種無污染、資源充足的綠色可再生能源已成為人類開發利用的焦點，通過光伏并網發電技術將太陽能轉換成可并網的電能是當今世界光伏發電的發展趨勢。據統計，在過去的3年里有近1 000 GW的光伏發電系統并入了電網[1?4]。非凡的市場增長速度促進了并網逆變器的迅猛發展，高效、穩定、廉價的并網逆變器系統必將成為光伏并網發電領域的研究重點。

但是現今光伏并網實際運用中，往往需要將大量光伏電池進行串并聯之后才能滿足光伏變換器輸入端要求的電壓和功率等級，需要DC/DC，DC/AC兩級功率變換裝置才能實現光伏電池并網，系統結構復雜[5]。對此，本文基于級聯多電平變換器的相電壓冗余特性實現了光伏電池單級式并網，提出了一種適用于級聯多電平逆變器多H橋結構的MPPT控制策略，能有效提高光伏電池輸出效率。

1 H橋級聯多電平光伏并網逆變器結構

級聯多電平逆變器具有相電壓冗余和易于模塊化的特點，適用于光伏電池并網這種多個獨立電源輸入的系統[5?7]。多個H橋串聯輸出結構能有效提高光伏電池輸入電壓和容量等級，可避免大規模的電池串并聯，還能減小熱斑效應和多峰值效應對光伏并網系統的影響，無需變壓器直接實現高低電壓變換，可以實現光伏電池單級式并網，系統結構更加簡單。同時，級聯多電平逆變器每一個H橋都有獨立的直流母線，這使得對每一個H橋所接光伏電池實現獨立的MPPT控制成為可能，系統拓撲結構見圖1。

2 多電平逆變器H橋單元MPPT控制

級聯多電平逆變器具有多個H橋，每個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H橋所接光伏電池最大功率輸出點可能不一致。對此，本文提出了對每個H橋所接光伏電池進行獨立MPPT控制的策略，使得每個H橋所接光伏電池均工作在各自的最大功率輸出點，當部分H橋光照環境發生變化時，其他H橋輸出不受干擾?？刂葡到y整體結構圖如圖2所示，在多電平逆變器控制系統中給每一個H橋單元加入了一個MPPT控制模塊，用來計算各H橋單元光伏電池的參考電壓Vref，并得到與實際輸出電壓vPV的誤差ev，并將其總誤差經過PI控制器計算后作為逆變器輸出電流控制參考值Iref，當系統穩定時，即可實現etotal零誤差控制。

由于單級式光伏并網系統只有一次能量變換，若只采用定步長MPPT跟蹤控制，通常會產生直流母線電壓跌落的現象，在MPPT跟蹤過程中當選取的調整步長不合適時也會產生這一現象。經過Matlab仿真，單級式光伏并網系統在光照強度突然減小時，引起的母線電壓跌落過程波形如圖3所示，由圖3可以看到這一擾動會導致在短時間內逆變器輸出功率參考值偏離并超出光伏電池當前的最大輸出功率，這時光伏電池并聯電容放電，直流母線電壓持續降低，光伏電池工作點向最大功率點左邊移動，導致光伏電池輸出功率進一步減小，產生惡性循環造成直流母線電壓跌落。

針對光伏單級并網系統中光伏電池輸出側母線電壓跌落現象，本文在變步長電壓擾動觀測法[8?9]基礎上對內環電流參考值的運算進行了改進，算法流程圖如圖4所示。通過檢測到的光伏電池輸出電壓Upv和電流Ipv計算電池輸出功率變化值[ΔP]，當檢測到[ΔP]減小幅值超過設定閾值[ΔPmax]時，則認為光照強度發生階躍變化。這時跳出MPPT運算模塊，參照這時的光伏板實際輸出功率PPV來設定內環電流參考值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，繼而有效避免發生母線電壓跌落。圖4中IPV為輸出電流設定修改值，比例K為變步長比例常數，K與[ΔP]的乘積為擾動電壓變步長給定值。

3 H橋傳輸功率匹配控制

對逆變器整體的控制可以實現etotal的零誤差，而為了實現各H橋單元在最大功率跟蹤過程中的電壓誤差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制方法影響，往往在逆變器總輸出功率一定時，各H橋的傳輸功率也是一定的[10?12]。多電平脈寬調制策略中，假設兩H橋級聯多電平逆變器輸出功率因數為1，若使用載波層疊（Carrier Disposition，CD）調制策略，兩個H單元的傳輸功率為：

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

當H橋傳輸功率與光伏電池最大輸出功率不匹配時，光伏電池實際工作電壓與參考電壓會產生誤差，當[vPVi]Vrefi時，調制波調節系數ri>1，該H橋調制波幅值mi增大，H橋傳輸功率增大，光伏電池并聯電容放電，光伏電池實際輸出電壓降低，從而實現逆變器各H橋傳輸功率的匹配。

4 仿真實驗及結果

根據本文提出的控制方法，基于Matlab/Simulink仿真軟件搭建了H橋級聯多電平光伏并網系統仿真實驗平臺，使用光伏電池作為獨立電源給七電平級聯逆變器各H橋供電，其中光伏電池模型的參數基于中國安利公司的YEG?250W光伏組件參數設定，具體參數如下：Voc=36.5 V，Isc=9.1 A，Vmp=30.4 V，Imp=8.2 A，Tref=25 ℃，Sref=1 000 W/m2。仿真過程中，當各H橋所接光伏電池環境溫度為25 ℃，光照條件如圖6所示變化時，各H橋調制波調節系數r1，r2，r3與各H橋輸出功率如圖7、圖8所示?？芍唠娖侥孀兤鲀?個H橋所接光伏電池均工作在各自的最大功率輸出點，實現了H橋傳輸功率和光伏電池最大輸出功率的匹配。逆變器級聯H橋輸出電壓和并網電流波形如圖9、圖10所示，可見系統運行情況穩定。

5 結 論

本文采用了H橋級聯多電平逆變器光伏并網拓撲結構，針對其多H橋串聯輸入的特點，提出了新的最大功率跟蹤控制算法和控制策略，并對多電平SPWM調制策略進行了改進。在新控制策略下，光伏并網系統可以穩定運行，在部分H橋光伏電池光照環境發生突變的情況下能快速尋找各自新的工作點，對逆變器內各H橋所接收光伏電池實現了獨立的最大功率跟蹤。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時匹配控制，整個系統表現出良好的穩定特性和動態特性。

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