单相级联H桥光伏并网逆变器控制策略综述_马丽.pdf

单相级联H桥光伏并网逆变器控制策略综述马 丽1,王 鹏2(1.东北电力大学,吉林 吉林 1 3 2 0 1 2;2.国网唐山供电公司,河北 唐山 0 6 3 0 0 0)摘 要:为提高光伏发电效率以及减小其体积,分析了级联H桥拓扑结构具有开关器件应力小、输出电压质量高及滤波器体积小等优点。由于其直流侧可由一块光伏组件单独供电,可对每个光伏模块进行最大功率点跟踪,进而越来越多地运用于光伏并网系统来提高系统的发电效率。根据控制策略中功率控制方法的不同,可将级联H桥光伏并网逆变器控制策略分为功率均衡控制和功率不均衡控制。分别对两种方法及优缺点进行了介绍,并结合当今级联H桥光伏并网逆变器的不足对未来发展进行展望。关键词:级联H桥逆变器;光伏并网系统;功率均衡控制;功率不均衡控制中图分类号:TM 4 6 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-5 3 0 6(2 0 2 3)0 1-0 0 3 5-0 4R e v i e wo fC o n t r o l S t r a t e g i e so fS i n g l e-p h a s eC a s c a d e dH-b r i d g eI n v e r t e r f o rP h o t o v o l t a i cG r i d-c o n n e c t e dS y s t e m sMAL i1,WAN GP e n g2(1.N o r t h e a s tE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,J i l i n1 3 2 0 1 2,C h i n a;2.S t a t eG r i dT a n g s h a nP o w e rS u p p l yC o m p a n y,T a n g s h a n0 6 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:C a s c a d e dH-b r i d g eh a sa d v a n t a g e so f l o w e r s w i t c h i n gd e v i c es t r e s s,l o w e rh a r m o n i cg e n e r a t i o na n ds m a l l e ro u t p u t f i l t e r.I t sd i r e c t c u r r e n t s i d e c o n t a i n s a i n d i v i d u a l p h o t o v o l t a i cm o d u l e,w h i c hm a k e s i n d e p e n d e n tm a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n gp o s s i b l e,s o i t i sm o r ea n dm o r e i n t e r e s t i n gf o rp h o t o v o l t a i cg r i d-c o n n e c t e ds y s t e m s t o i m p r o v e t h ep o w e rg e n e r a t i o ne f f i c i e n c y.A c c o r d i n g t od i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e so fp o w e r c o n t r o l,t h e c o n t r o l s t r a t e g i e so f c a s c a d e dH-b r i d g ep h o t o v o l t a i cg r i d-c o n n e c t e ds y s t e m s c a nb ed i v i d e d i n t op o w e rb a l a n c ec o n t r o l a n dp o w e ru n b a l a n c ec o n t r o l,w h i c ha r e i n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y i nt h i s t h e s i s.F i n a l l y,t h e f u t u r ed e v e l o p m e n t i sp r o s p e c t e dc o m b i n e dw i t ht h ec u r r e n t s h o r t c o m i n g so f c a s c a d eH-b r i d g ep h o t o v o l t a i cg r i d-c o n n e c t e d i n v e r t e r.K e yw o r d s:c a s c a d e dH-b r i d g e i n v e r t e r;p h o t o v o l t a i cg r i d-c o n n e c t e ds y s t e m;p o w e rb a l a n c ec o n t r o l;p o w e ru n b a l a n c ec o n t r o l收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 8作者简介:马 丽(1 9 9 3),女,硕士研究生,研究方向为电力电子在电力系统中的应用。0 引言低碳节能成为当今社会发展的趋势,促使新能源发电接入电网的比重增加。新能源发电系统能产生清洁的电力能源,并减少电网对化石燃料的依赖。其中,光伏(p h o t o v o l t a i c,P V)发电成为了最热门的研究领域之一。光伏发电系统作为理想的分布式发电单元,其具有零污染、灵活性高、维护工作量小等特点。近年来,光伏发电的规模不断增加,在并网能源中占比最大。随着对光伏发电的需求迅速增加,提高光伏发电的效率以及减小其体积越来越成为人们关注的重点。与单相桥式逆变拓扑结构比较,多电平逆变拓扑结构具有开关器件应力小、电磁干扰小、输出电压总谐波畸变低及滤波器体积小等优点。在光伏发电领域中具有广泛的应用前景,使其由传统的高压大功率向低压小功率应用转变。多电平逆变器包括许多电路结构,主要分为三类:二极管箝位型逆变器、飞跨 电 容 型 逆 变 器 和 级 联H桥 型(c a s c a d e d H-b r i d g e,CH B)逆变器。在全部多电平电路中,当输出相同数目的电平数时,CH B拓扑所用元件最少,结构最简单,而且模块化易拓展,已应用于电机驱动、静止无功补偿器、有源电力滤波器等场合1。此外,CH B逆变器的每个H桥模块可以使用较低的开关频率产生交流侧输出电压较高的等效开关频率,有助于降低H桥模块开关器件的开关损耗,提高逆变器的效率。由于其每个功率单元的直流侧可由一块光伏组件单独供电,可对每个光伏模块进行最大功率点跟踪(m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g,MP P T),进 一 步 提 高 系 统 的 发 电 效 率2。因 此,53第5 1卷 第1期(总第2 8 4期)2 0 2 3年2月 J i l i nE l e c t r i cP o w e r吉 林 电 力 V o l.5 1 N o.1(S e r.N o.2 8 4)F e b.2 0 2 3DOI:10.16109/ki.jldl.2023.01.003CH B多电平逆变器更加适用于大规模光伏并网发电系统。1 级联H桥光伏并网逆变器控制策略单相CH B光伏并网逆变器结构见图1。每个H桥均由四个带有反并联二极管的开关管组成。每个P V模块都并联一个电容Ck(k=1,2,n),电容电压为ud c k,用来减少电压波动,光伏模块的输出电压与输出电流分别为up v k与ip v k。ug为电网电压,电感L为电网侧滤波电感,其电流为ig。每个H桥单元在输出端可以合成0,+up v,n和-up v,n。交流侧输出电压uH等于所有H桥输出电压uHk之和。由n个H桥组 成 的CH B能 在 交 流 输 出 端 产 生2n+1个电平。图1 级联H桥光伏并网逆变器拓扑结构级联H桥光伏并网逆变器控制策略根据其功率控制方法不同可分为功率均衡控制和功率不均衡控制。在光照充足、温度适宜的条件下,各P V阵列输出功率之间相差较小,满足系统中各H桥模块都可以工作在线性区域的条件,即各模块调制比均小于1,采用功率均衡控制策略,各模块输出电压相等。当光照、温度和光伏模块出现不匹配的问题,P V阵列的输出功率降低到一定限度以下后,输出功率高的H桥模块可能会出现过调制现象,即H桥的调制比大于1,功率均衡控制策略失效。这种情况下,CH B逆变器会处于不正常运行状态,将产生大量谐波和能量损失,大大影响了逆变器输出的电能质量3。针对该问题,国内外学者提出了功率不均衡控制策略,各H桥的调制比根据输出功率进行调整。下面对功率均衡控制策略和功率不均衡控制策略进行分析。1.1 功率均衡控制策略文献3 较早地运用了一种电压电流双环控制策略,通过电压环输出电网电流的参考值后,输入电流环直接得出总调制比,按照各H桥的电压占比分配总调制比。电感L上的无功功率全部由第一个H桥提供,其他H桥只输出有功功率。文献1 根据无功功率理论对注入电网的无功电流参考值进行计算,与有功电流相加后,作为电流环的输入,通过比例积分(p r o p o r t i o n-i n t e g r a l,P I)调节输出总占空比,进一步分配给各个模块。文献4 加入了超级电容作为储能元件,通过H桥与其他模块级联后接入电网。超级电容有两种状态,即静态和补偿状态。在超级电容处于静态时,其仅输出电感L上的压降以及吸收少量有功弥补自身损耗。在补偿状态下,超级电容根据直流母线电压与直流母线电压参考值的差来确定自身输出或者吸收有功功率。虽然超级电容的接入可以输出无功功率,还可在它的容量范围内平抑有功功率的波动,但是对于光照等条件严重不匹配的情况下,该方法并不理想。文献5 提出了一种功率加权的功率均衡控制,控制策略见图2。图2中:Vp v,n、Ip v,n、Pp v,n分别为各光伏模块的输出电压、输出电流与输出功率;n为光伏模块的数量;Vr e f,n为各光伏模块经过MP P T后的参考电压;Vp v、Vr e f分别为各光伏模块的输出电压之和与输出参考电压之和;ug、iL为电网电压和电网电流;为电网电压相角;mn为Pp v,n与Vr e f,n的比值;Vc为级联H桥输出电压之和;Sn1、Sn2为级联H桥的控制信号。该控制策略运用了锁相环(p h a s e l o c k e dl o o p,P L L)同步技术,达到锁相的目的。在电流环之后,补充了功率加权算法,根据功率权重系数对总调制比进行分配,随后对H桥进行载波移相脉宽调制(p h a s e-s h i f tp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n,P S PWM)。此控制方法中,级联H桥各模块输出的有功功率与无功功率均按各自的功率权重系数进行调整。该方法可以实现在光照等条件不匹配的情况下,各光伏模块 可 在 最 大 功 率 点(m a x i m u m p o w e rp o i n t,MP P)状态下运行,引入权重系数后,调制比直接由P V输出功率与P V参考电压直接决定,近似将电压环和电流环解耦,算法简单,容易实现。但在光照等条件严重不匹配的情况下,流过功率较大的H桥会出现过调制现象,使系统不能稳定运行。文献6 给出了一种具备同步电机特性的级联63第5 1卷第1期(总第2 8 4期)吉 林 电 力 2 0 2 3年2月型光伏发电系统,其在电压电流双环的基础上增加了虚拟同步机控制算法,使