基于級聯(lián)H橋變換器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研究

魯西坤 石峰 馬鑫鑫

摘要：H橋型多電平變換器的研制工作已經(jīng)進入較為深入的發(fā)展階段，技術(shù)較為成熟、穩(wěn)定。文章以單一H橋變換器的基本原理為基礎(chǔ)，分析了級聯(lián)H橋多電平變換器的發(fā)展、工作原理以及相關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)。為了研究級聯(lián)H橋變換器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，文章對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行了建模和分析，并分析了Boost變換器的工作原理，介紹了最大功率點跟蹤算法，并對兩級H橋變換器三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行了仿真與分析，驗證了級聯(lián)H橋變換器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能夠達到很好的發(fā)電效果。該研究為光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的支撐。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；Boost變流器；最大功率點追蹤；級聯(lián)H橋變換器

中圖分類號：TM46;TM615文獻標志碼：A

0 引言

隨著H橋級聯(lián)變換器的不斷發(fā)展，光伏并網(wǎng)逆變器由單一級發(fā)展為多級^[1-2]，由集中式發(fā)展為級聯(lián)型^[3-4]。級聯(lián)H橋型光伏并網(wǎng)變換器具有電壓等級高、容量大等優(yōu)勢，大部分變換器無需變壓器即可直接連接到電網(wǎng)^[5]，H橋型拓撲串聯(lián)在光伏并網(wǎng)時具有較低的諧波。當采用光伏陣列電源時，H橋型變換器作為光伏并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器所形成的獨立直流電源能夠解決諧波問題。將最大功率點追蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制應(yīng)用于串聯(lián)H橋型光伏并網(wǎng)逆變器中，可以實現(xiàn)每個串聯(lián)單元在最大功率點下工作^[6]，同時保證了每個單元的最大功率輸出，從而提高了并網(wǎng)系統(tǒng)的效率和能源利用率^[7]。

級聯(lián)H橋變換器是將一個簡易的H橋作為一個單獨的功率小模塊^[8]，使各個單獨的單元模塊串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)輸出電壓的逐步累加，形成多電平的輸出效果^[9]。直流電源給單元模塊提供電流，兩者之間沒有任何聯(lián)系，不存在分壓問題。目前，級聯(lián)H橋變換器主要被應(yīng)用于軋壓機等容量較大的傳動系統(tǒng)中^[10]。

1 級聯(lián)H橋型變換器工作原理

級聯(lián)H橋型變換器的電壓通過多個模塊的電平輸出疊加而成，使輸出波形的諧波成分相對較小。若各電源裝置H橋路的輸出是三電平，則兩路H橋的輸出電壓可視為首端的電壓與另一端的電壓之和。3個電壓等級E、0、-E構(gòu)成一個獨立的三級輸出。由上述原理可以看出，最大的輸出電壓V_ABmax、最小的輸出電壓V_ABmin分別為：

V_ABmax=2E（1）

V_ABmin=-2E（2）

通過上述公式可得2個單元級聯(lián)變換器的最大輸出電壓值的電平等級數(shù)表達式為：

M=（V_ABmax-V_ABmin）/E+1=4+1=5（3）

三相系統(tǒng)的負荷接線模式主要有三角形接線和星形接線。在三角形接線模式下，負載的線路電壓與相電壓一致，因此三相系統(tǒng)的分析結(jié)果與單相系統(tǒng)的分析結(jié)果一致；若三相負荷接線模式為二次接線，則線路電壓與相位電壓值互不相同，由此可以得到三相五電平轉(zhuǎn)換器輸出的線路電壓電平數(shù)為：

M=2（V_ABmax-V_ABmin）/E+1=9（4）

因此可得級聯(lián)H橋變換器輸出的相電壓為：

M=2N+1（5）

輸出的線電壓電平數(shù)為：

M=4N+1（6）

通過對單相電源系統(tǒng)的分析，本文提出了一種級聯(lián)H橋型變換器，將其推廣到三相系統(tǒng)，對其工作原理進行詳細闡述。作為光伏并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，級聯(lián)H橋變換器有如下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，輸出電平數(shù)目完全相同，所需的電力設(shè)備也相對較少；各電源模塊彼此獨立，便于模塊間的串聯(lián)、并聯(lián)；無須平衡電容器電壓。

本文以三電平三相串聯(lián)H橋型變換器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為例進行分析，系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，光伏逆變器中的DC/DC變換器采用MPPT控制，使光電轉(zhuǎn)換效率達到最大。

首先，系統(tǒng)光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，其所轉(zhuǎn)換的交流電流是一種高頻的交流脈沖；隨后，由一臺高頻變壓器將轉(zhuǎn)換后的交流電流分割并傳輸，通過整流器將交流電流變?yōu)橹绷麟娏?；最后，利用大電解電容對其進行濾波，以達到滿足電網(wǎng)要求的穩(wěn)定的中間直流電壓。在此基礎(chǔ)上，串聯(lián)H橋型逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)化為交流電壓，再將其進行濾波，H橋型變換器級聯(lián)為2個半橋，能夠產(chǎn)生三電平，減少了并網(wǎng)時的諧波含量。

2 三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真及分析

兩級三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示，主要由光電陣列組件、MPPT升壓電路、三相級聯(lián)H橋逆變器模塊、LCL濾波器、并網(wǎng)負載、dq-abc變換、脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）模塊構(gòu)成。光伏陣列利用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，也可以設(shè)置其所需的光伏模組數(shù)量，以便達到理想的并網(wǎng)功率。MPPT升壓電路中采用擾動觀測法，使光伏輸出功率能夠隨著光伏系統(tǒng)工作點位置的變化而改變，從而實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。三相級聯(lián)H橋逆變器模塊是由三相橋式電路構(gòu)成，能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為交流電，其基本的工作原理為正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）。LCL濾波器由電感和電容組成，該系統(tǒng)不僅能有效地抑制外部的高頻干擾，還能有效地抑制開關(guān)電源對外部傳輸?shù)母蓴_。

其主要參數(shù)設(shè)置為：輸入電壓U_in=850 V；輸入分壓電容C₁=C₂=10 mF，開關(guān)頻率f=10 kHz；輸出LCL濾波器參數(shù)L=0.1 mH，C=300 μF；輸出功率為210 kW。

如圖3所示為經(jīng)LCL濾波后的逆變器輸出電壓波形與電網(wǎng)電壓波形對比。從波形可以看出：經(jīng)過閉環(huán)和鎖相控制后的三電平逆變器的輸出電壓能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓的波形，并且幅值和頻率相位都與電網(wǎng)保持一致。

如圖4所示為三電平逆變器輸出的并網(wǎng)電壓和電流波形，電路在0.15 s后并入電網(wǎng)。可以看出：并網(wǎng)前逆變器空載運行的輸出電流為0，與電壓獨立；并網(wǎng)后逆變器輸出的并網(wǎng)電壓和電流具有同步的相位與頻率，并且電流波形的諧波含量較小，實現(xiàn)了光伏發(fā)電的并網(wǎng)功能。

3 結(jié)語

三相級聯(lián)H橋變換器已被廣泛地用于中壓、大功率的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。本文介紹了多電平變換器的發(fā)展和光伏并網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，闡述了級聯(lián)H橋變換器的工作原理和拓撲結(jié)構(gòu)，搭建了級聯(lián)H橋三電平變換器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果驗證了級聯(lián)H橋型變換器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能夠輸出與電網(wǎng)同步、同頻的電壓和電流，并且電流波形的諧波含量較小，實現(xiàn)了光伏發(fā)電的并網(wǎng)功能。

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（編輯 沈 強編輯）

Research on grid-connected photovoltaic system based on cascaded H-bridge converter

Lu? Xikun， Shi? Feng， Ma? Xinxin

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Anyang Institute of Technology， Anyang 455000， China）

Abstract：? The research on multilevel H-bridge converter has entered a relatively deep stage of development， which is a stable and mature technology. Based on the basic principle of a single H-bridge converter， this article analyzes the development， working principle， and related topology structures of multilevel cascaded H-bridge converter. In order to study the grid-connected photovoltaic system based on cascaded H-bridge converter， the grid-connected photovoltaic power generation system model is built and the operation principle of the system is analyzed in this paper. Furthermore， the working principle of the Boost converter is analyzed， and the maximum power point tracking algorithm is introduced. This paper simulates and analyzes the two-stage three-phase grid-connected photovoltaic system. It is verified that the cascaded H-bridge converter can achieve good power generation efficiency. The proposed research provides a good support for the application of photovoltaic power generation system.

Key words： grid-connected photovoltaic system; Boost converter; maximum power point tracking; cascade H-bridge converter