一种新的光伏并网级联逆变器方案

一种新的光伏并网级联逆变器方案

1级联变压器控制方法的提出目前，太阳能和屋顶回波系统通常具有单级和二次同时网络系统的结构，但这两种结构都存在缺陷。为提高系统可靠性,尤其是对于中大型光伏并网系统,避免更多光伏电池串联,在此提出一种混合控制级联逆变器来实现并网发电。级联逆变器的控制方法可分为阶梯波形法和PWM法两类。前者的优点是开关器件工作在调制波频率,效率高,但需通过调节直流电压来调节输出功率,系统比较复杂;后者的优点是可通过调节脉宽或桥臂间相移来调节输出功率,系统结构简单,输出波形质量好,但开关器件工作频率较高,开关损耗较大。综合上述两种控制方法的优点,在此提出一种混合控制方法:一部分级联单元采取梯形波控制,另一部分级联单元采取瞬时值反馈跟踪控制,两部分串联叠加形成输出电压。其中,梯形波控制部分是输出的主体部分,瞬时值反馈跟踪控制部分用来调节输出波形幅值或功率因数。2瞬时值反馈跟踪控制图1示出混合控制级联多电平并网逆变器单相的结构。电路由(N+m)个2H桥单元级联而成。第1~N个2H桥为阶梯波控制,第N+1~N+m个2H桥单元为瞬时值反馈跟踪控制。N+1~N+m单元采取带瞬时值反馈的倍频移相SPWM工作模式。单元与单元之间采取载波移相叠加方式,各单元左桥臂的三角载波初相位角依次超前π/m角度。3直流母线电压保鲜为便于分析,假设前N个2H桥单元的直流母线电压Ui(i=1,…N)相等,即U1=U2=…=UN=Udc1,第N+1~N+m单元的直流母线电压也相等,即UN+1=…=UN+m=Udc2。3.1阶梯波谐波分量的计算阶梯波控制的级联逆变器触发角有很多种算法,这些算法大都比较复杂,不宜在线计算,控制也不太方便,而且所有算法只适用于等电压差模式,而电压级差不等的现象在很多场合都存在。利用对图2中θi(i=1,2,…N)提出的一种简便算法算出θi后,根据PPBiringer计算式,推导出图2阶梯波谐波分量的幅值为:式中:T0为调制波周期;N为T0/4内的阶梯数;j为触发角个数;n为谐波次数。根据式(1)可算出各次谐波幅值,最后可写出N=6时的阶梯波级联逆变器的输出电压为:式中:ω0=2πf0,f0为调制波频率。把上式写成通式:3.2傅里叶分析结果先以一个单元的倍频SPWM输出波形为例进行分析,根据文献,采取倍频调制方式的单相逆变桥输出电压傅里叶分析结果如下:式中:M为调制比;kf为载波与调制波频率比值。根据载波移相叠加原理,级联逆变器相邻单元间移相角θ=π/m,m个逆变器级联后输出电压为:3.3输出电压低次谐波混合控制的级联逆变器输出电压为:由式(6)得到输出基波电压为:由式(7)可见,调节M可调节基波电压幅值,当k=1时,其调节范围为N~N+m。进一步分析,当移相SPWM控制部分调制波移相一个角度φm后,得到输出电压基波为:取M=1,上式变为:式中:tanφ′=mUdc2sinφm/(NUdc1+mUdc2cosφm)。式(9)表明,可通过调节SPWM的调制波移相角来调节输出电压幅值和功率因数。由式(6)得到输出电压的谐波为:可见谐波由两部分组成,其中SPWM控制的级联单元的谐波以(m′kf±n)f0为中心分布的系列频率,其两边的边频幅值以函数Jn(Mm′π)/m′下降。当N,kf较大时,SPWM控制级联单元谐波频率很高,不影响输出滤波器的设计。输出电压低次谐波主要是阶梯波控制部分引起的。输出滤波器设计主要针对阶梯波波形部分。4光伏电压变换模式提出一种太阳能光伏发电级联逆变器并网系统,其结构如图3所示。锁相环使并网电流iL(t)与电网电压ug同相位,通过锁相环电路给出参考基准,DSP实时采样直流母线电压,按3.1节计算方法计算出导通脉冲,使前N~1个逆变器单元输出电压宽度分别为(θN~π-θN),(θN-1~π-θN-1),…,(θ1~π-θ1),即工作在不同的模式。由于阶梯波控制的每个逆变器单元导通宽度不一致,造成每个太阳能光伏电池输出功率不相等。为了使每个单元的输出平均功率相等,需要采取模式轮换方式,其基本思路是:N个工作周期内,每个单元每个模式轮换工作一次。图3中太阳能光伏电池板电压通过双管交错式Boost变换器后进行电压升压,同时在这一级DC/DC变换器中完成最大功率点跟踪(MPPT)。第N+m单元的DC/DC部分通过MPPT算法后得到并网的预置电流I*PV,该电流与电网的基波相乘后作为并网电流的参考值。该电流与入网电流iL(t)比较的误差信号通过电流放大器放大后,与多路移相载波比较后产生多路SPWM信号。5单元spwm控制叠加为验证图3所示系统,建立了由3个单元构成的混合型级联逆变器系统。实验条件如下:电网电压220V;滤波电感5mH;前2个单元为梯形波控制,合成七电平的阶梯波,输入直流母线电压分别在80V,160V左右变化;第3单元采取倍频SPWM调制方式,输入直流电压在约160V变化,调制比为0.8,相当于图1中N=3,Udc1=80V,m=1,Udc2=160V。第3单元器件开关频率为20kHz。图4a为逆变器输出电流与电网电压波形,可见输出电流与电网电压同相;图4b为第3单元与梯形波控制部分逆变器输出电压波形,由图可见,在1个周期内,梯形波控制部分输出电压u1共有7个电平,分别为:80V,160V,240V,0,-80V,-160V,-240V;图4c为第3单元与逆变器总的输出电压波形,可见逆变器总的输出电压u1的主体是阶梯波,阶梯波中夹杂的高频是第3单元的SPWM控制叠加的效果;图4d中,I1,I2,I3分别为第1~3逆变单元直流母