基于單極MMC 拓?fù)涞墓夥⒕W(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

彭華廈，陽(yáng)鵬飛，肖會(huì)芹

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412008）

0 引言

近年來(lái)，環(huán)境污染和能源枯竭問題表現(xiàn)得越來(lái)越嚴(yán)重，太陽(yáng)能作為取代化石能源的理想能源之一，已經(jīng)受到世界各國(guó)的重視。目前，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，同時(shí)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度迅猛，光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中的裝機(jī)容量占比越來(lái)越重，因此對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提出了更高的要求，例如增強(qiáng)光伏并網(wǎng)逆變器容量、提高光伏陣列發(fā)電效率等[1]。

傳統(tǒng)的VSC 逆變器一般采用二電平結(jié)構(gòu)，只適用于小容量、低電壓的應(yīng)用場(chǎng)合，無(wú)法滿足高電壓、大容量的要求。針對(duì)這種情況，許多研究人員都在從事MMC（模塊化多電平換流器）的研究，文獻(xiàn)[2-3]針對(duì)MMC 展開了一系列研究，但是都沒有應(yīng)用在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]研究了基于MMC 的光伏并網(wǎng)，但是所用MMC 都不具備子模塊保護(hù)的能力，并且仿真模型都是在MATLAB/Simulink 上搭建的，帶有一定的局限性。大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列的數(shù)量非常多，需要采取最大功率追蹤技術(shù)提高光伏陣列的太陽(yáng)能利用率，讓其盡可能工作在最大功率狀態(tài)，大幅度提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，文獻(xiàn)[5]研究了基于擾動(dòng)觀察法的MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）光伏并網(wǎng)，但是擾動(dòng)觀察法容易造成能量損失，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。文獻(xiàn)[6]將光伏電源整合到每一個(gè)子模塊中，但是加重了系統(tǒng)的復(fù)雜以及不穩(wěn)定性，對(duì)現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)需要進(jìn)行較大的改造，缺乏經(jīng)濟(jì)適用性。文獻(xiàn)[7-10]研究的都是雙極式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在光伏陣列和逆變器之間需要DC/DC 變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤。文獻(xiàn)[11]還需要加入LCL 濾波器，增加了經(jīng)濟(jì)成本。

為了解決大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在的上述問題，本文提出了一種具備子模塊保護(hù)能力的單極MMC 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)每個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，重點(diǎn)介紹了MMC 的原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把本文設(shè)計(jì)的MMC 子模塊與一般半橋型子模塊對(duì)比，說(shuō)明其優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)不僅可以提高光伏陣列的太陽(yáng)能利用率，而且滿足高電壓、大容量的要求，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單而且易實(shí)現(xiàn)，還能減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。最后，通過PSCAD/EMTDC 仿真軟件搭建仿真模型，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

1 具備子模塊保護(hù)能力的MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

MMC 通用結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本文設(shè)計(jì)的MMC 三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)跟傳統(tǒng)MMC 一樣，都是由3個(gè)相單元構(gòu)成，每個(gè)相單元包含上、下2 個(gè)橋臂，三相總共是6 個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂包含N 個(gè)SM（子模塊）和1 個(gè)換流電抗L。目前常見的子模塊有半橋型子模塊、全橋型子模塊和雙箝位型子模塊。其中全橋型子模塊和雙箝位型子模塊都具備直流故障穿越的能力，但是成本太貴，不劃算。半橋型子模塊是目前應(yīng)用最廣泛的一種MMC 拓?fù)洌前霕蛐妥幽K不具備直流故障清除能力，基本上都是需要額外加裝交流斷路器來(lái)保護(hù)線路。所以本文設(shè)計(jì)了具備子模塊保護(hù)能力的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 MMC 通用結(jié)構(gòu)

半橋型子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，與傳統(tǒng)的半橋型SM 不同的是：本文提出的SM 在每個(gè)半橋型子模塊中的電容旁并聯(lián)了一個(gè)由IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和大電阻R 組成的旁路，在AB端口處并聯(lián)了一個(gè)高速開關(guān)K1和一個(gè)晶閘管K2。當(dāng)子模塊發(fā)生故障時(shí)，K1閉合用于保護(hù)子模塊，K2用于保護(hù)D2。當(dāng)電容電壓過大或者M(jìn)MC 閉鎖時(shí)，IGBT 導(dǎo)通，使大電阻R 用于電容的緩慢放電。

圖2 半橋型子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 子模塊運(yùn)行原理

正常工作狀態(tài)下，MMC 子模塊的工作原理與MMC 子模塊一樣，包括2 個(gè)IGBT 和1 個(gè)直流儲(chǔ)能大電容。圖2 中設(shè)ISM流入子模塊方向?yàn)檎鶕?jù)電流ISM的方向以及上下開關(guān)S1和S2的狀態(tài)，子模塊的端口輸出電壓在UC和0 之間變換。MMC 子模塊工作狀態(tài)由表1 可見，其中“1”代表開關(guān)導(dǎo)通，“0”代表開關(guān)關(guān)斷。

1.2 MMC 的基本原理

正常工作狀態(tài)下，換流電路并不會(huì)起作用，以A 相為例對(duì)MMC 的基本原理進(jìn)行闡述。為便于計(jì)算，暫時(shí)不考慮電抗L 的作用，uap和uan分別為A 相上、下橋臂直流側(cè)電壓，直流側(cè)的正負(fù)母線相對(duì)于參考點(diǎn)O 的電壓分別為Udc/2 和-Udc/2，usa為A 相交流輸出側(cè)的電壓，得到：

表1 MMC 子模塊工作狀態(tài)

因?yàn)樽幽K的投入數(shù)量決定了橋臂電壓，所以通過調(diào)整子模塊的投入來(lái)控制三相交流電壓。為了維持直流電壓的穩(wěn)定，一般要求3 個(gè)相單元投入的子模塊數(shù)量是相等且不變的，由此可得：

假設(shè)A 相上橋臂所有子模塊都關(guān)閉時(shí)，要求下橋臂的子模塊全部投入，總之單相子模塊的投入數(shù)量恒定，所以一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)相單元投入開通狀態(tài)的子模塊為N。由于3 個(gè)相單元的對(duì)稱性，總的直流電流被3 個(gè)相單元平均分配，即每個(gè)相單元的直流電流為Idc/3，又因?yàn)樯稀⑾聵虮垭娍蛊鱈 相等，上、下橋臂電流為：

式中：iap為上橋臂的橋臂電流；ian為下橋臂的橋臂電流；ia為輸出電流。

2 單極MMC 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)光伏陣列結(jié)構(gòu)及控制

2.1 基于MMC 的單極光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 給出了由PSCAD 軟件搭建的光伏并網(wǎng)主電路，該系統(tǒng)由光伏陣列、直流母線、MMC 逆變器、負(fù)載組成。

圖3 模塊化多電平逆變器并網(wǎng)拓?fù)?/p>

2.2 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏組件等效電路如圖4 所示。

圖4 光伏組件等效電路

式中：Gref為參考照度；Tref為參考溫度；aT為溫度系數(shù)；Isc為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件Tref=25 ℃，光照強(qiáng)度Gref=1 000 W/m2下的短路電流；Voc為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的開路電壓；Rs為固定電阻；G，T 為實(shí)際值；A 為材料常系數(shù)；VT為實(shí)際電池溫度；IOR為保和電流；Eg為光伏電池的帶隙能量。

2.3 MMC 直流電壓控制

由公式（4）得出：光伏陣列的輸出功率P 以及輸出電流IPV的大小由輸出電壓VPV所決定。隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化，光伏輸出電壓大小也隨機(jī)波動(dòng)。為了使光伏陣列的輸出信號(hào)達(dá)到最優(yōu)，對(duì)其進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制，使其時(shí)刻輸出最大功率點(diǎn)處的電壓。為了實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的追蹤控制，本文采用電導(dǎo)增量法MPPT控制技術(shù)[12]取得MMC 直流電壓控制的所需參考電壓Umppt，將Umppt與Upv做差之后，經(jīng)過PI 控制得到電流內(nèi)環(huán)的參考電流信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)的控制主要是使得MMC 輸出電流Ia盡量與Iref保持一致，這樣就省去了DC/DC 控制環(huán)節(jié)，MMC 直流電壓控制策略如圖5 所示。

2.4 MMC 子模塊電容電壓平衡控制

子模塊電容電壓不均衡會(huì)造成橋臂電流畸變，因此為確保MMC 各個(gè)子模塊電容電壓均衡，本文額外增加了電容電壓均衡控制。以MMC 的A 相上橋臂子模塊電容電壓平衡控制為例，控制拓?fù)淙鐖D6 所示。Ucref為子模塊電容的參考電壓；Ucj為電容實(shí)際電壓；Iap為橋臂電流；Uref為電流內(nèi)環(huán)控制輸出的信號(hào)；Uaref為最終生成的調(diào)制波。

圖5 MMC 直流電壓控制策略

圖6 電壓均衡控制

3 MMC 調(diào)制方式

本文采用的調(diào)制方式為CPS-PWM[13]，調(diào)制原理如圖7 所示。

圖7 載波移相調(diào)制原理

以A 相為例來(lái)說(shuō)明，調(diào)制流程為：上下橋臂各自有N 個(gè)子模塊，有N 個(gè)相位差依次為2π/N的載波按順序分配給上橋臂（或下橋臂）的N 個(gè)子模塊，然后子模塊的N 個(gè)載波依次與同一個(gè)調(diào)制波比較，當(dāng)調(diào)制波幅值大于載波幅值時(shí)子模塊投入運(yùn)行，于是N 個(gè)載波即可得到N 組PWM 調(diào)制波信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)N 個(gè)子模塊單元，且上、下橋臂的調(diào)制波反向，為了維持電壓的穩(wěn)定，任意時(shí)刻投入的子模塊個(gè)數(shù)互補(bǔ)且等于N，ABC 三相的每相調(diào)制波之間相差120°。最后上橋臂（或下橋臂）的輸出電壓波形Upj（或Unj）由各個(gè)子模塊的輸出電壓疊加得到。

因?yàn)镸MC 三相單元的對(duì)稱性，由文獻(xiàn)[14]得知MMC 各相上、下橋臂輸出電壓為：

式中：ujo為交流側(cè)輸出電壓；Uaref為CPS-PWM所需調(diào)制波；載波采用的頻率為高頻率fc，最大幅值為Udc，最小幅值為0，相位角依次移相2π/N（N 為每個(gè)橋臂的子模塊數(shù)）的三角波形，調(diào)制波與依次移相的三角載波比較，得到各個(gè)子模塊的觸發(fā)信號(hào)。

4 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD/EMTDC 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件[15]搭建9 電平的MMC 光伏并網(wǎng)模型，仿真時(shí)間為0.5 s，光伏陣列由250 個(gè)模塊串并聯(lián)，每個(gè)模塊串聯(lián)222 個(gè)光伏模塊，每個(gè)光伏模塊由36個(gè)光伏電池單元串聯(lián)，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃，MMC 各相橋臂電感為20 mH，子模塊電容為1 600 μF，載波頻率為500 Hz，交流負(fù)載每相為10 Ω，直流母線參考電壓為6.3 kV，平衡電容為6 000 μF，有功功率為1.23 MW，無(wú)功功率為0 Mvar，功率波形見圖8。

圖8 有功功率與無(wú)功功率

經(jīng)過直流電壓控制，光伏陣列的輸出直流電壓Upv一直維持在6.3 kV 左右，仿真結(jié)果見圖9。

光伏陣列電源經(jīng)過MMC 逆變后輸出的三相交流電壓波形見圖10。三相輸出電流波形見圖11。

以A 相輸出電流為例，經(jīng)過單極MMC 逆變并網(wǎng)輸出的A 相輸出電流總諧波畸變率THD 見圖12。

圖9 直流母線電壓

圖10 三相交流電壓

圖11 三相交流電流

圖12 A 相電流THD 分析

仿真結(jié)果表明，本文所提出的MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是正確的，輸出電流總諧波畸變率最高為0.36%，完全符合IEEE 1547 中要求的并網(wǎng)電流電能質(zhì)量，光伏陣列電源可以通過本文提出的MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的單極MMC 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)適用于大電容、高電壓的場(chǎng)合，與基于二電平、三電平逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)相比，本文提出的單極MMC光伏并網(wǎng)系統(tǒng)省去了DC/DC 變換電路環(huán)節(jié)，也不需要LCL 濾波電路。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰，易控制，理論上子模塊可以無(wú)限疊加，對(duì)原有光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的改造具有參考價(jià)值。MMC 逆變器采用CPS-PWM 控制方式，具有諧波小，開關(guān)頻率低的優(yōu)點(diǎn)。基于具備子模塊保護(hù)能力的單極MMC光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在PSCAD/EMTD 軟件中的仿真結(jié)果正確，為進(jìn)一步研究光伏并網(wǎng)以及MMC 的相關(guān)保護(hù)提供了基礎(chǔ)。