一種新的光伏并網級聯逆變器方案

1級聯變壓器控制方法的提出目前，太陽能和屋頂回波系統通常具有單級和二次同時網絡系統的結構，但這兩種結構都存在缺陷。為提高系統可靠性,尤其是對于中大型光伏并網系統,避免更多光伏電池串聯,在此提出一種混合控制級聯逆變器來實現并網發電。級聯逆變器的控制方法可分為階梯波形法和PWM法兩類。前者的優點是開關器件工作在調制波頻率,效率高,但需通過調節直流電壓來調節輸出功率,系統比較復雜;后者的優點是可通過調節脈寬或橋臂間相移來調節輸出功率,系統結構簡單,輸出波形質量好,但開關器件工作頻率較高,開關損耗較大。綜合上述兩種控制方法的優點,在此提出一種混合控制方法:一部分級聯單元采取梯形波控制,另一部分級聯單元采取瞬時值反饋跟蹤控制,兩部分串聯疊加形成輸出電壓。其中,梯形波控制部分是輸出的主體部分,瞬時值反饋跟蹤控制部分用來調節輸出波形幅值或功率因數。2瞬時值反饋跟蹤控制圖1示出混合控制級聯多電平并網逆變器單相的結構。電路由(N+m)個2H橋單元級聯而成。第1~N個2H橋為階梯波控制,第N+1~N+m個2H橋單元為瞬時值反饋跟蹤控制。N+1~N+m單元采取帶瞬時值反饋的倍頻移相SPWM工作模式。單元與單元之間采取載波移相疊加方式,各單元左橋臂的三角載波初相位角依次超前π/m角度。3直流母線電壓保鮮為便于分析,假設前N個2H橋單元的直流母線電壓Ui(i=1,…N)相等,即U1=U2=…=UN=Udc1,第N+1~N+m單元的直流母線電壓也相等,即UN+1=…=UN+m=Udc2。3.1階梯波諧波分量的計算階梯波控制的級聯逆變器觸發角有很多種算法,這些算法大都比較復雜,不宜在線計算,控制也不太方便,而且所有算法只適用于等電壓差模式,而電壓級差不等的現象在很多場合都存在。利用對圖2中θi(i=1,2,…N)提出的一種簡便算法算出θi后,根據PPBiringer計算式,推導出圖2階梯波諧波分量的幅值為:式中:T0為調制波周期;N為T0/4內的階梯數;j為觸發角個數;n為諧波次數。根據式(1)可算出各次諧波幅值,最后可寫出N=6時的階梯波級聯逆變器的輸出電壓為:式中:ω0=2πf0,f0為調制波頻率。把上式寫成通式:3.2傅里葉分析結果先以一個單元的倍頻SPWM輸出波形為例進行分析,根據文獻,采取倍頻調制方式的單相逆變橋輸出電壓傅里葉分析結果如下:式中:M為調制比;kf為載波與調制波頻率比值。根據載波移相疊加原理,級聯逆變器相鄰單元間移相角θ=π/m,m個逆變器級聯后輸出電壓為:3.3輸出電壓低次諧波混合控制的級聯逆變器輸出電壓為:由式(6)得到輸出基波電壓為:由式(7)可見,調節M可調節基波電壓幅值,當k=1時,其調節范圍為N~N+m。進一步分析,當移相SPWM控制部分調制波移相一個角度φm后,得到輸出電壓基波為:取M=1,上式變為:式中:tanφ′=mUdc2sinφm/(NUdc1+mUdc2cosφm)。式(9)表明,可通過調節SPWM的調制波移相角來調節輸出電壓幅值和功率因數。由式(6)得到輸出電壓的諧波為:可見諧波由兩部分組成,其中SPWM控制的級聯單元的諧波以(m′kf±n)f0為中心分布的系列頻率,其兩邊的邊頻幅值以函數Jn(Mm′π)/m′下降。當N,kf較大時,SPWM控制級聯單元諧波頻率很高,不影響輸出濾波器的設計。輸出電壓低次諧波主要是階梯波控制部分引起的。輸出濾波器設計主要針對階梯波波形部分。4光伏電壓變換模式提出一種太陽能光伏發電級聯逆變器并網系統,其結構如圖3所示。鎖相環使并網電流iL(t)與電網電壓ug同相位,通過鎖相環電路給出參考基準,DSP實時采樣直流母線電壓,按3.1節計算方法計算出導通脈沖,使前N~1個逆變器單元輸出電壓寬度分別為(θN~π-θN),(θN-1~π-θN-1),…,(θ1~π-θ1),即工作在不同的模式。由于階梯波控制的每個逆變器單元導通寬度不一致,造成每個太陽能光伏電池輸出功率不相等。為了使每個單元的輸出平均功率相等,需要采取模式輪換方式,其基本思路是:N個工作周期內,每個單元每個模式輪換工作一次。圖3中太陽能光伏電池板電壓通過雙管交錯式Boost變換器后進行電壓升壓,同時在這一級DC/DC變換器中完成最大功率點跟蹤(MPPT)。第N+m單元的DC/DC部分通過MPPT算法后得到并網的預置電流I*PV,該電流與電網的基波相乘后作為并網電流的參考值。該電流與入網電流iL(t)比較的誤差信號通過電流放大器放大后,與多路移相載波比較后產生多路SPWM信號。5單元spwm控制疊加為驗證圖3所示系統,建立了由3個單元構成的混合型級聯逆變器系統。實驗條件如下:電網電壓220V;濾波電感5mH;前2個單元為梯形波控制,合成七電平的階梯波,輸入直流母線電壓分別在80V,160V左右變化;第3單元采取倍頻SPWM調制方式,輸入直流電壓在約160V變化,調制比為0.8,相當于圖1中N=3,Udc1=80V,m=1,Udc2=160V。第3單元器件開關頻率為20kHz。圖4a為逆變器輸出電流與電網電壓波形,可見輸出電流與電網電壓同相;圖4b為第3單元與梯形波控制部分逆變器輸出電壓波形,由圖可見,在1個周期內,梯形波控制部分輸出電壓u1共有7個電平,分別為:80V,160V,240V,0,-80V,-160V,-240V;圖4c為第3單元與逆變器總的輸出電壓波形,可見逆變器總的輸出電壓u1的主體是階梯波,階梯波中夾雜的高頻是第3單元的SPWM控制疊加的效果;圖4d中,I1,I2,I3分別為第1~3逆變單元直流母