基于不平衡功率单元并联的光伏并网逆变器研究

潘逸菎，窦伟

(北京科诺伟业科技股份有限公司，北京 100083)

基于不平衡功率单元并联的光伏并网逆变器研究

潘逸菎，窦伟

(北京科诺伟业科技股份有限公司，北京 100083)

提出一种基于不平衡功率单元直接并联技术的1MW并网逆变器拓扑结构，可有效解决大功率逆变器在低功率条件下的效率和电能质量问题。详细论述了基于不平衡功率单元并联的1MW并网逆变器的特点及工作原理，并针对不平衡功率单元并联产生的环流问题，提出了控制策略的解决方案。基于MATLAB软件对并网逆变器进行了仿真验证，仿真结果表明逆变器能够有效提高低功率条件下的效率及电能质量，并抑制不平衡功率单元间的环流。

光伏并网逆变器;不平衡功率单元并联;效率;环流;SVPWM

定稿日期:2014－01－08

0 引言

为提高光伏并网逆变器的功率，在大功率光伏并网系统中，常用两台额定功率500 kW的逆变器通过双分裂变压器并网，形成兆瓦级光伏逆变单元。这种大功率逆变单元在低功率运行时，不仅效率低，且输出电流总谐波畸变率高，对电网造成一定的负面影响。

本文提出一种基于不平衡功率单元并联的大功率光伏并网逆变器结构，该逆变器采用两个容量不对称的功率单元直接并联，即两功率单元具有共同的直流母线和交流母线。在工程应用上，该逆变器不但可采用一台常规双绕组变压器实现并网，与双分裂变压器相比体积减小，成本降低，并减少了现场工作量;而且从性能角度考虑，逆变器能够在低功率运行状态下，有效地提高运行效率，并显著降低并网电流谐波畸变率。

本文详细论述了基于不平衡功率单元并联的逆变器的工作原理和协同控制机制，并推导分析了不平衡功率单元间的环流数学模型，进而提出了一种改进的矢量控制策略。仿真结果证明了改进的矢量控制策略对环流的抑制效果，且该并网逆变器相对传统大功率逆变单元，可有效提高低功率时的效率和电能质量。

1 基于不平衡功率单元并联的光伏并网逆变器拓扑结构

传统1MW光伏并网逆变单元拓扑结构如图1所示，该单元由两台500 kW并网逆变器组成，每台逆变器直流侧各连接一组PV阵列，交流侧分别连接双分裂变压器的一组二次侧绕组。传统兆瓦级逆变单元中两台逆变器交、直流母线相互独立，逆变器之间不存在耦合，可分别独立控制，设计难度低，控制系统简单，但存在以下缺点:

(1)分裂变压器相对双绕组变压器成本较高，体积较大;

(2)每台逆变器的开关频率及死区等参数均按大功率并网设计，在光伏阵列输出功率较低时，系统效率降低，谐波含量升高，严重影响电网电能质量;

(3)分裂绕组间负载或电压不平衡时，变压器损耗加大，系统效率降低。

针对传统大功率并网逆变单元存在的问题，所提出基于不平衡功率单元直接并联的大功率光伏并网逆变器拓扑结构如图2所示。该拓扑结构由两个容量不同的功率单元采用共直流母线和交流母线的形式构成，通过常规双绕组变压器并入电网，该拓扑结构的主要优势在于:

(1)与双分裂式变压器相比，采用常规双绕组变压器，可降低系统成本;

(2)在低功率下时，可独立运行小功率单元，提高系统效率并降低并网电流总谐波畸变率。

2 基于不平衡功率单元并联的大功率光伏并网逆变器工作原理

图1 传统1MW并网逆变单元拓扑结构图

图2 基于不平衡功率单元并联的并网逆变器拓扑结构

基于不平衡功率单元并联的光伏并网逆变器拓扑结构采用大功率逆变单元与小功率逆变单元并联组成1 MW大功率光伏并网逆变器。两并联单元之间的启停逻辑控制、功率协调调度与控制环路结构切换通过并联协同控制器进行，如图3所示。并联协同控制器根据光伏阵列所输出能量控制并联逆变单元工作状态，并且实现逆变单元之间工作状态的实时无扰切换:当逆变器输出功率小于50 kW时，仅运行小功率单元;当输出功率在50 kW至950 kW之间时，仅运行大功率单元;当输出功率大于950 kW时，两功率单元同时运行。在电网条件恶劣的条件下，小功率单元可实现无功补偿与有源滤波功能。

图3 协同控制器控制图

为使功率单元切换过程平滑无扰，协 同控制器还需在切换过程中实时调度控制，具 体控制逻辑关系如图4所示。基于不平衡功率单元并联的并网逆变器首先启动小功率单元运行，通过功率比较模块分别选择小功率逆变单元、大功率逆变单元和两逆变单元同时运行，然后通过功率切换模块实现两功率单元无扰切换。该工作方式能够明显提高光伏逆变器低功率运行下的效率，有效降低并网电流谐波含量。

图4 启停逻辑控制图

3 环流抑制控制策略

由于基于不平衡功率单元并联的并网逆变器直流侧和交流侧直接连接，在工作过程中，如图2所示功率单元1的电流可能在功率单元2的部分通路上流过，功率单元2的电流同时可能在功率单元1的通路上流过。这部分不经负载而在两个功率单元间流通的电流，即为环流［1］。功率单元之间的开关状态不一致、功率单元的电路参数不平衡或者负载不平衡，都会引起环流。从而导致输出电流畸变和不平衡，使光伏逆变器的性能降低［2－3］。

三相光伏并网逆变器的传统建模方法是将三相变量由三相静止坐标系转换到两相同步旋转坐标系。但独立光伏逆变器模型中并没有涉及环流，因此引入由占空比描述的平均模型建立环流的数学模型。

功率单元的单个桥臂结构如图5(a)所示，该桥臂由两个开关管组成。由于桥臂上下两管导通状态互补(忽略死区时间)，则有:

式中dxp，dxn表示 x相(x为 a，b，c)桥臂上下开关管导通时间，图5(b)所示为单个桥臂的平均模型。

图5 逆变器单桥臂模型图

图6 两功率单元abc坐标系下并联模型图

当两个功率单元并联运行时，为零序环流提供通路，当两功率单元参数不一致时必然产生环流。两功率单元并联运行时的等效模型如图6所示。根据并网逆变器的电压平衡方程，由图6可得到功率单元并联运行状态方程，将abc坐标系下的逆变器模型转化到dq0坐标系下可得状态方程为

图7 并联功率单元间零序环流的回路图

并联功率单元间零序环流的回路如图7所示。由于该回路中只有功率单元滤波电感和极小的寄生电阻，因此很小的零序电压差就会产

图8 第1扇区中SVPWM波形图

生较大的零序环流。

由以上分析可得:

由式(5)和式(6)可知，并联功率单元间零矢量的差异是导致零序环流的原因。

以第1扇区中SVPWM脉冲序列进行分析［4－5］，图8所示为指令矢量在第1区间矢量分布。设k=dppp/d0，dppp为零矢量ppp的占空比，d0是零矢量ppp和nnn的总占空比，则:

由于两台功率单元并联运行时，相同的零序环流同时流经两台功率单元，因此只需要在其中一台功率单元的控制器中加入零序环流控制器。并联功率单元零序电流控制框图如图9所示。

在图9中，功率单元控制策略采用电网电压定向的矢量控制，将采集变量变换至dq坐标系下，实现电流解耦控制。将检测的iz通过PI调节输出变量k，从而改变SVPWM调制策略中的零矢量的分布，达到抑制环流的目的。

4 仿真验证

为验证该改进方案的效果，用MATLAB/simulink软件对基于不平衡功率单元并联的并网逆变器在效率、谐波及其环流抑制方面的效果进行仿真验证。图10所示为传统分裂式并网逆变单元在不同输出功率下的并网电流波形仿真。

图9 环流抑制控制策略模型图

图10 传统大功率光伏并网逆变单元仿真波形

在图10所示仿真中，传统大功率光伏并网逆变单元输出功率由1MW下降致50 kW时，输出电流总谐波畸变率(THD)由0.81%升高至5.06%，效率也由96.8%降低至88.0%。因此，随着光伏并网逆变单元的输出功率降低，并网逆变器输出电流谐波含量越来越高、并网效率越来越低，并网电流波形出现明显畸变。

基于不平衡功率单元并联的并网逆变器在相同条件下的仿真结果如图11所示。

图11 基于不平衡功率单元并联的大功率光伏并网逆变器仿真波形

在图11所示仿真中，基于不平衡功率单元并联的并网逆变器输出功率由1 MW下降致50 kW时，输出电流总谐波畸变率(THD)由 0.78% 变为 0.60%，效率也由 96.8% 变为 97.0%，基本无变化。显然，基于不平衡功率单元并联的并网逆变器无论在高功率运行时还是在低功率运行时，相对传统大功率并网单元，在效率和谐波方面均有改善。特别是在低功率下运行时，效率明显提高，谐波含量明显下降，充分说明了基于不平衡功率单元并联的光伏并网逆变器方案的正确性。

图12所示为基于不平衡功率单元并联的并网逆变器与传统大功率并网逆变单元的效率对比曲线。

图12 不同功率下效率曲线的对比图

图13 环流抑制对比电流波形图

由图12(a)中可见，基于不平衡功率单元并联的逆变器在低功率运行时，有明显的效率提升，由图12(b)中可见，在全天相同光照条件下，特别是在低功率运行下，基于不平衡功率单元并联的并网逆变器在光伏电站应用中能够输出更多电量。

由图13可见，未加环流抑制时，两功率单元间存在明显的环流，并网电流存在低频振荡;采用环流抑制控制后，环流得到有效控制。

5 结束语

本文分析了不平衡功率单元直接并联1 MW并网逆变器拓扑结构，对该并联拓扑结构工作原理进行了分析，该拓扑结构可有效解决大功率逆变器在低功率条件下的效率低和谐波含量高的问题，并且通过仿真进行对比验证了有效性及可行性。同时，对并联不平衡功率单元间的环流问题进行了分析研究，建立环流状态平均模型，并提出基于空间矢量脉宽调制的变零矢量控制，通过改变零矢量的分布，有效抑制并联逆变单元之间环流。因此，不平衡功率单元直接并联1MW并网逆变器，不仅体积减小，成本降低。同时，由于各逆变模块采用不平衡功率结构，有效提高在不同功率条件下的效率，此外，由于各功率单元相对独立，使得扩大系统容量具有极大的灵活度。

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A Study on the Photovoltaic Grid－connected Inverter Based on Parallel Unbalanced Power Units

PAN Yi-kun，DOUWei

(Beijing Kenuo Albert Polytron Technologies Inc.Beijing 100083，China，China)

This paper proposes a 1MW grid-connected inverter＇s topological structure based on direct parallel technology of unbalanced power units to improve the efficiency and power quality of the high-power inverter under low power conditions.The characteristics and working principle of the improved 1MW grid-connected inverter based on unbalanced power units are described in detail，and a control strategy solution is presented for the circulating currentgenerated through parallel connection between unbalanced power units.A MATLAB-based simulation experiment on the inverter is conducted，and the result shows this converter can greatly improve the efficiency and power quality under low power conditions，and suppress the circulating current between unbalanced power units.

photovoltaic grid-connected inverter;parallel unbalanced power units;efficiency;circulating current，SVPWM

10.3969/j·issn.1000 －3886.2014.02.018

TM615

A

1000－3886(2014)02－0054－04

潘逸菎(1987－)，男，北京人，硕士，研究方向为大功率变流技术。