电子产品世界

　　阳鹏飞

　　(湖南工业大学，湖南 株洲 412008)

　　摘要：当代传统的二、三电平变换器已不能满足高电压，大容量光伏并网系统的要求，而模块化多电平换流器（MMC）因具有易扩展、功率器件容量大、谐波含量低等特质而成为光伏发电领域的新研究。本文介绍了光伏并网中的最大功率点跟踪技术（MPPT）和模块化多电平换流器（MMC）拓扑结构的特点、控制方法，提出一种基于MMC子模块控制的光伏并网系统及控制方式，即在模块化多电平换流器中的每一个子模块中通过DC/DC变换器并联一组光伏阵列，系统控制是电压外环提供与电网同步的参考电流，电流内环则实现并网电流的调节，MPPT则采用电导增量法实现，从而得到每一个子模块的参考电压，阀级控制采用正弦载波移相脉宽调制（CPS-SPWM）来调制MMC，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建一个9电平的MMC光伏并网模型。结果表明：基于MMC的光伏并网系统在子模块独立控制下成功并网行，而且具有电网谐波少、光伏能源利用率高的优势。

　　关键词：模块化多电平换流器;光伏并网;最大功率点跟踪;子模块;PSCAD/EMTDC

　　0 引言

　　目前，新能源发电技术已经成熟，随着可再生能源产业的迅速发展，光伏发电所占比例越来越大，电力系统对光伏发电提出了更高的要求，提高并网逆变器容量、加强光伏发电效率将是今后光伏并网的研究重点 ^[1] 。

　　目前最常用的逆变器为二电平或者三电平，适用于低电压场所，而且对于功率器件损耗较大。为了提高太阳能利用率，使其工作在最大功率状态，许多学者都致力于研究光伏阵列最大功率跟踪(maximum powerpoint tracking，MPPT)技术，对于逆变器拓扑结构的研究较少 ^[2] 。模块化多电平技术发展迅速，将级联式多电平拓扑结构与分布式发电相结合逐渐成为热门。针对这种情况，许多研究人员都在从事模块化多电平换流器（MMC）的研究，文献 ^[3-5] 针对MMC展开了一系列研究，可是并没有应用在光伏并网系统；文献 ^[6-7] 把MMC应用到了光伏并网系统，但是其仿真模型都是在Matlab/Simulink上搭建的，具有局限性；文献 ^[8] 提出将MMC 运用在低压集中式并网模式的光伏系统中，并把双闭环控制与最大功率点跟踪技术结合在一起，但是对MMC 研究不够深入，而且拓扑结构单一。

　　所以，为了解决大型光伏并网发电系统目前所存在的上述问题，本文提出一种基于MMC子模块独立控制的光伏并网系统，对MMC与光伏阵列结合的子模块拓扑结构进行了详细的介绍和分析，着重研究了新型子模块的的原理和控制方式，把本文设计的MMC新型子模块与一般MMC子模块对比，说明其特点。通过这种结构，可以提高光伏阵列的太阳能利用率，满足对每一个光伏阵列的单独控制、适合高电压等级的要求，而且对电网的谐波污染少，最后通过PSCAD/EMTDC仿真软件验证了该系统的有效性。

　　1 基于MMC的新型光伏拓扑及原理

　　MMC拓扑通用结构如图1所示。本文设计的MMC总体三相结构跟传统MMC一样，由3个相单元构成，每个相单元包含两个上下桥臂以及上下换流电抗L，总共6个桥臂，1个桥臂由N个子模块级联构成。目前常见的子模块有是半桥型子模块、全桥型子模块和双箝位型子模块。其中半桥型子模块应用最广泛。所以本文基于半桥型子模块设计一种将光伏阵列、DC/DC变换电路和SM 组成的MMC子模块拓扑，命名为PSM，其拓扑结构如图2所示。

　　本文提出的PSM拓扑结构跟一般PSM不同的是;在每一个子模块中，PSM出口端并联了一个由IGBT和大电阻R组成的旁路，在AB端口处并联了一个高速开关K1和一个晶闸管K2。当子模块发生故障时，K1闭合用于保护子模块，K2用于保护D2。DC/DC变换电路与SM之间并联1个大电容，当电压过大或者MMC闭锁时，IGBT导通，使大电阻R用于电容的缓慢放电。

　　2 PSM模块运行原理

　　正常工作状态下，保护电路并不会起作用。其中DC-DC电路用于追踪光伏阵列最大功率点，系统运行之前，光伏阵列经DC-DC电路给电容预充电，当电容电压都达到预定值后解锁各子模块。设ISM电流流入方向为正，根据电流 ISM的方向以及开关S1和S2的状态，子模块的输出电压在UC和 0 之间切换。具体的开关状态由表 1 可见，其中“1”代表开关导通，“0”代表开关关断。

　　2.1 MMC逆变器的工作原理

　　以A相为例对MMC逆变器的原理进行阐述。先不考虑电抗L的作用，uap和uan分别为上、下桥臂直流侧电压，直流侧的正负母线相对于参考点ｏ的电压分别为Udc/2和-Udc/2，usa为A相交流输出侧的电压，得到公式

　　为了维持直流电压的稳定，每个相单元中投入的子模块数量是相等且不变的，由此可得

　　以本文所搭建的9电平MMC逆变器为例，在每个桥臂上串联8个子模块．为了能够使逆变器输出的波形接近正弦波，单相桥臂的投入模块个数按照正弦规律变化，且上下桥臂子模块对称互补投入，设输出电平数Nlevel和桥臂模块数N，满足下面公式：

　　其中，nap为上桥臂投入子模块个数；uan为下桥臂投入子模块个数。

　　3 基于MMC子模块的控制策略

　　3.1 子模块中光伏阵列的MPPT控制

　　图3给出了PSCAD软件中搭建的Boost电路以及MPPT控制，由光伏阵列、DC/DC变换电路组成。

　　为了实现光伏阵列最大功率点的追踪控制，本文采用电导增量法MPPT控制 ^[9] 改变Boost电路中晶闸管的占空比D，使光伏的输出电压与在最大功率点处的电压相等，这里不再赘述，控制过程如图4所示。

　　设MMC交流侧输出电压和电流为Ua(t)和Ia(t)，则

　　相应的公式为：

　　其中MV和MI分别为电压调制比和电流调制比，由于MPPT控制稳定了子模块的电容电压，在三相自然对称的工况下，又可以推导出桥臂输出电压公式为：

　　以A相为例验证，在本文所提的MMC拓扑结构中，A相上、下桥壁的输出电压符合公式（6），又因为MMC换流器6个桥臂工作原理和电气状态一致，所有桥臂都遵循自然平衡的规律。因此，各桥臂之间不再附加平衡控制。

　　3.2 基于子模块的并网控制

　　本文设计的MMC并网控制框图如图6所示，整体控制是基于电压外环控制和电流内环控制。电压外环主要负责为电流内环采取与电网同相位的参考电流Iref，其幅值由直流侧电压参考值Uref与实际电压Upv相减再经过比例积分环节得到，相位可以通过PLL跟踪网侧电压得到。电流内环主要作用是控制逆变器输出电流Ig尽可能向参考值Iref靠近。

　　3.3 阀级调制策略

　　阀级采用的调制方式为载波移相调制策略 ^[8] （CPS-PWM）。调制原理如图7所示。

　　调制流程为：对于每个桥臂中的N个子模块，采用相同开关频率的SPWM，使它们对应的三角载波依次移开1/N三角载波周期，即每一个子模块三角波之间相差2π/N 相位角，然后应使上、下 2 个桥臂的调制波相差180°，再让每一个子模块的载波与对应的调制波进行比较，产生出N组PWM调制波信号，这样在任意时刻每个相单元中上、下 2 个桥臂被触发投入的模块个数互补且为N，保证了在任意时刻每个相单元都有 N 个子模块投入。各相桥臂调制波的相角参考见表2所示：

　　本文利用PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态仿真软件 ^[10] 搭建了一个基于MMC子模块控制的光伏并网模型，每一相电压为8个子模块构成的9电平。仿真时间为5 s，设置直流侧参考电压为4 kV，每一个子模块中光伏阵列的参数见图8。

　　该光伏阵列由250个模块串并联，每个模块串串联22个光伏模块，每个光伏模块由36个光伏电池单元串联。光照强度选用标准的1000 W/m 2 ，温度25 ℃。采用电导增量法时的仿真见图9，可以看出，接近0.6 kV时，光伏阵列输出效率最佳。

　　子模块经过MPPT稳压后的电容电压见图10，可以得知参考电压为0.6 kV。

　　经过MMC逆变后输出的三相交流电压波形见图11。

　　三相交流电流波形见图12。

　　采集A相电流进行THD分析，得到结果如图13所示。

　　由此可知，本文设计的MMC与光伏整合的拓扑结构，在经过子模块独立控制策略之后，成功并网。其中THD=0.27%，符合国际标准IEEE1547中并网电流质量的要求。

　　5 结论

　　本文对MMC与光伏阵列相结合的拓扑结构进行了详细分析，对其中各个环节的控制策略进行了详细的说明，并在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了一个9电平的仿真模型来进行验证，仿真结果表明，输出电压由多个PSM模块输出电压叠加而成，可通过增减PSM模块适应多电压等级需求环境，与传统的两级逆变并网结构相比更具有灵活性。另外，经过本文子模块独立控制策略的并网系统能够同时完成MPPT控制和并网电流控制，输出电流为多电平，谐波含量低，减小了对接入电网的谐波污染，适用大电容、高电压的场合，双闭环的控制策略切实有效。

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　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第7期第40页，欢迎您写论文时引用，并注明出处

关键词： 201907 模块化多电平换流器 光伏并网 最大功率点跟踪 子模块 PSCAD/EMTDC