光伏并网三相电流型多电平变流器拓扑与控制

鲍建宇鲍卫兵李玉玲

（1. 浙江大学宁波理工学院自动化与电气工程研究所 宁波 315100 2. 浙江工业大学之江学院 杭州 310024 3. 浙江大学电气工程学院 杭州 310027）

光伏并网三相电流型多电平变流器拓扑与控制

鲍建宇1鲍卫兵2李玉玲3

（1. 浙江大学宁波理工学院自动化与电气工程研究所 宁波 315100 2. 浙江工业大学之江学院 杭州 310024 3. 浙江大学电气工程学院 杭州 310027）

由于光伏电池具有电流源输出特性，因此电流型变流器非常适合于光伏并网系统。采用多电平结构，具有输出电流波形正弦度好、输出电流控制直接、开关器件电流应力低以及等效开关频率高等优点。提出一种三相电流型多电平变流器光伏并网系统，采用两组光伏电池阵列供电。通过插入一级直流-直流变换电路，实现最大功率点跟踪独立控制。网侧采用一种新型三相电流型多电平变流器，通过移植电压型多电平变流器的PD-PWM技术，有效减小入网电流谐波畸变。结合锁相环与功率解耦控制，提出基于电流型多电平变流器的并网控制策略，实现网侧的任意功率因数运行。基于 PSIM仿真环境搭建系统模型，仿真结果说明了光伏并网三相电流型多电平变流器拓扑与控制的有效性。

光伏并网 电流型多电平变流器 最大功率点跟踪 PD-PWM 功率因数

0 引言

随着世界性能源紧张和环境污染加剧，光伏发电已成为未来新能源发电的重要方向之一。光伏发电系统和其他大部分可再生能源一样，其直接产生的能量通常是不稳定的，因此需要在光伏电池与电网之间配置容量适合的电力电子变流器，再与公共电网相连，以实现并网。因此，电力电子变流器的性能和控制对光伏并网发电具有极其重要的意义。

目前，并网系统主要采用电压型变流器作为电路接口，电流型变流器由于储能电感效率、功率器件需串联二极管等因素，在一定程度上限制了其应用范围。然而，作为电压型变流器的对偶拓扑，电流型变流器的一些内在电路特性也非常适合于光伏并网系统[1]，如太阳能光伏电池本身具有电流源型特性；内在升压特性使得无需采用中间升压斩波器（Boost）即可实现弱光至强光的光能利用；对输出电流的直接控制，使能量回馈控制更方便；发生过流时容易得到及时保护，系统可靠性提高；采用多电平结构可保证低谐波电流进电网，谐波总畸变率（THD）指标容易满足并网要求；低开关频率工作，可减少开关损耗，提高系统的功率传输能力[2,3]。

随着可再生能源发电技术的不断发展，国内外一些学者开始尝试将电流型变流器及其多电平结构应用于风力发电或光伏并网发电系统。在传统电流型变流器并网应用方面，文献[4-6]分别介绍了新型多电平电流型变流器拓扑及其调制技术。文献[7,8]讨论了电流型多电平变流器的均流特性以及相应的均流控制方法。文献[9]提出电流型变流器（Current Source Converter，CSC）在并入公用电网时的功率控制方法，包括有功与无功控制。文献[10]采用滑模控制实现了以电流为控制目标的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法，基于电流型变流器同样可以实现光伏电池的最大功率跟踪。上述研究成果有效解决了传统电流型变流器在系统并网应用时的一些实际问题。为适应大电流工作场合并获得更好的谐波性能，电流型多电平变流器的应用研究逐渐引起关注。P. G. Barbosa等将一种单相电流型多电平变流器用于单相光伏并网应用系统，变流器输出电流获得了较好的谐波特性[11]。文献[12]将组合式的电流型多电平变流器结构用于光伏发电并网系统，提出具体的MPPT算法以及交直流侧的电流控制方法，并对相关结论进行了仿真。由于在电流型多电平变流器光伏并网系统中，直流侧需要采用多组光伏电池模块供电，光照不均等外界条件变化容易产生电流型多电平变流器的中间电平电流不平衡问题，从而影响合成后多电平输出电流的谐波特性，文献[13]考虑了此问题，提出交流侧抑制低次谐波的解决方法，但没有提出相应的均流控制方法。

在现有研究的基础上，本文以三相光伏并网系统为研究对象，采用两组独立的光伏电池板阵列供电，每组光伏阵列分别配置一个直流-直流变换电路，以实现独立的最大功率跟踪控制；网侧采用三相电流型多电平变流器，并移植电压型多电平变流器的PD-PWM技术；结合锁相环与功率解耦控制，提出基于电流型多电平变流器的并网控制策略，实现了网侧可任意功率因数运行，使系统具有良好的动态和稳态性能。

1 系统构成

整个光伏并网系统主要由以下几部分组成：光伏电池阵列、基于MPPT的恒流变换电路、三相五电平电流型变流器和电容滤波器。系统构成如图 1所示。

图1　电流型多电平变流器光伏并网系统构成Fig.1 Multilevel CSC-based photovoltaic grid-connection system

由于网侧的三相五电平电流型变流器需要两个独立电流源供电，因此整个系统需配置两组独立的光伏电池板阵列，每组光伏阵列后分别插入一级直流-直流变换电路，以实现光伏电池的最大功率跟踪控制以及直流侧电流的最优控制。电网侧采用一种新型三相五电平电流型变流器拓扑，该拓扑与三相五电平飞跨电容钳位电压型变流器完全对偶，通过移植电压型多电平变流器的多载波PWM技术，同样可以有效消除并网电流的低次谐波含量。

2 MPPT控制及实现

电压型变流器主要依据太阳电池的P-V曲线来寻找最大功率点[14]。电流型变流器和电压型变流器的工作方式不同，电压型的MPPT已不再适用。根据图2得到的太阳电池P-I曲线，以电流为控制目标，让直流侧输出的电流跟踪太阳电池输出的最大功率点处的电流值，所以MPPT算法可采用以电流为变量的电流型电导增量法，MPPT的输出就是最大功率点处的电流值。

图2 太阳电池P-I特性曲线Fig.2 P-I curve of photovoltaic battery

图3给出了具体的控制电路，以PV1阵列为例进行说明。系统实时采集 PV1的输出电流 iPV1和输出电压vPV1，由MPPT控制器计算得到一个最优占空比 Dref，经波形调制电路后产生 PWM脉冲信号来调节开关管 VT1以实现最大功率跟踪。Idc1为网侧三相五电平电流型变流器的其中一个直流电流源。同理，可以产生另一路直流电流源 Idc2为网侧变流器供电。

图3　基于MPPT的恒流控制电路Fig.3 Constant current circuit based on MPPT

3 并网控制及实现

网侧采用一种新型三相五电平电流型变流器，该拓扑是以三相飞跨电容钳位五电平电压型变流器作为原始拓扑，通过对偶变换推导得到，电路如图4所示。主电路需要2个独立电流源、3个分流电感、12个开关器件和 12个快恢复二极管；三相负载呈星形联结方式而无需中性线。根据电路对偶关系，所有适用于三相电压型多电平变流器的PWM调制策略都可以在该类拓扑中应用。

3.1多电平电流产生机理

假设分流电感 La上的电流稳定在中间电平电流Idc，由于与分流电感连接在同一端点的两个开关分别工作在互补状态，则电流ia1可以产生三种电平电流：①Sa1和 Sa2导通，ia1=+2Idc；②Sa1和 Sa3或Sa2和Sa4导通，ia1=+Idc；③Sa3和Sa4导通，ia1=0。

同理，可得到ib1产生三电平电流的工作方式：①Sb1和 Sb2导通，ib1=+2Idc；②Sb1和 Sb3或 Sb2和Sb4导通，ib1=+Idc；③Sb3和Sb4导通，ib1=0。

由图4可知，a相的输出总电流ia=ia1−ib1，由于ia1和ib1都为三电平电流，两者相减后就可获得五电平的输出电流，即变流器a相输出电流ia为五电平电流。同理，可以推导出b、c两相输出电流ib、ic的五电平产生方式。其实，五电平电流的产生机理与三相电压型多电平变流器中五电平电压的产生方式完全一致，即输出的相电压为三电平，而相电压之差就产生了五电平的线电压。

图4　新型三相电流型五电平变流器Fig.4 A new three-phase current-source five-level converter

图5　三电平PD-PWM载波与调制波Fig.5 Carrier and modulation waveforms of PD-PWM

3.2PD-PWM实现

在电压型多电平变流器中，采用PD-PWM技术可以获得较低的线电压谐波。根据对偶理论，PD-PWM 同样适用于电流型多电平变流器以获得较低的电流谐波畸变。PD-PWM实现原理如图5所示。图中和为三相电流调制信号，WC1和WC2为三角载波，从上至下，两个三角载波的相位保持一致。在每一瞬时，两个三角载波与同一个正弦波进行比较，得到相应的二电平开关信号，根据表1所列的规律分别分配给相对应的开关器件。同理，可获得其他两相开关器件的驱动脉冲信号。

表1　三电平PD-PWM开关状态译码Tab.1 Switching-states decoding for three-level PD-PWM

3.3并网控制

基于电网电压定向电压矢量控制[15]，三相电网电压经 dq变换后得到直流电压分量 Vsd和 Vsq，通常设Vsq=0，因此有功功率或无功功率仅与Vsd有关，即

由式（1）可知，并网逆变器的输出有功功率受控于d轴电流，而无功功率则受控于q轴电流。图6示出了具体的实现方案。

图6 并网控制实现方案Fig.6 Implementation method for grid-connection

为提高光伏并网系统的灵活性，通常要求网侧变流器可实现任意功率因数运行。在图6所示控制系统中，如给定即可实现单位功率因数运行；而都给定正值，则可实现超前功率因数运行；反之给定正值给定负值，则实现滞后功率因数运行。

4 仿真分析

为验证该光伏并网系统的工作机理，基于PSIM仿真环境，分别对基于电流控制的MPPT技术、三相电流型五电平变流器以及并网控制策略进行了仿真研究。PSIM中自带物理模型MSX—60，其最大功率为60W，最大功率点处的电压为17.1V、电流为3.5A，光伏系统中的电池板由30串、20并MSX—60组成。直流侧滤波电感L1=L2=100mH，五电平变流器中分流电感La=Lb=Lc=10mH，采用PD-PWM调制，开关频率fc=5 000Hz。电网电压380V、频率50Hz，网侧等效电感Lg=0.2mH、等效电阻Rg=100mΩ，滤波电容为100μF。

图7a中，Idc1为光照强度1 000W/m2时的直流侧总电流，经三个均流电感分流后获得电流值等于Idc1/2的中间电平电流，分别为iLa、iLb和iLc。图7b的仿真波形证明了 3.1节所描述的五电平电流产生机理，ia1、ib1分别为PD-PWM调制的三电平开关电流波形，由于 ia=ia1−ib1，两者相减后即产生 a相的五电平PWM电流波形。

图7　恒定光照强度下变流器电流波形Fig.7 Current waveforms of CSC under constant light intensity

图8　光照强度变化时变流器输出电流波形Fig.8 Current waveforms of CSC with varied light intensity

图 8a示出了光照强度分别为 600W/m2、800W/m2和1 000W/m2时，直流侧母线电流可以实时跟踪太阳电池输出最大功率时的电流值，从而说明了以电流为调节变量的电导增量MPPT算法用于电流型变流器的可行性。当光照强度变化引起直流母线电流变化时，该五电平电流型变流器的三相输出电流可以快速实时响应，其波形如图8b所示。图9a中，给定I*sd=0.8、I*sq=0，通过PI调节，实测的 isd、isq分别稳定在给定值，网侧电压 vsa和电流isa同相位，即单位功率因数运行；同理，图9b中，给定I*sd=0.8、I*sq=0.2，实现超前功率因数运行；如 I*sd=0.8、I*sq= −0.2，则实现滞后功率因数运行，波形如图9c所示。仿真结果说明了网侧变流器可实现任意功率因数运行。

图9　电网侧电压和电流波形Fig.9 Voltage and current waveforms on the grid side

5 结论

针对由光伏电池阵列、MPPT恒流变换电路和三相五电平电流型变流器组成的光伏并网系统，直流侧采用两组独立恒流变换电路，采用基于电流的电导增量法实现MPPT控制。网侧采用一种与三相电压型多电平变流器对偶的新型电流型多电平变流器，采用 PD-PWM调制有效降低低次电流谐波含量；结合锁相环与功率解耦控制，通过设定有功与无功给定，可实现网侧任意功率因数运行，使系统具有良好的动态和稳态性能。

[1] Azmi S A, Ahmed K H, Finney S J, et al. Comparative analysis between voltage and current source inverters in grid-connected application[C]//IET Conference on Renewable Power Generation, 2011: 1-6.

[2] 王琛琛, 李永东. 多电平变换器拓扑关系及新型拓扑[J]. 电工技术学报, 2011, 26(1): 92-99. Wang Chenchen, Li Yongdong. Multilevel converter topologies and two novel topologies[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(1): 92-99.

[3] 马兰珍, 王明渝, 徐四勤, 等. 新型多电平光伏并网逆变器控制策略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(17): 72-77. Ma Lanzhen, Wang Mingyu, Xu Siqin, et al. Study on control scheme based on new multi-level photovoltaic grid-connected inverter[J]. Power System Prote-ction and Control, 2012, 40(17): 72-77.

[4] 杨宝峰, 吴振军, 刘永和, 等. 一种新型并联三电平注入式电流型变换器拓扑[J]. 电工技术学报, 2009, 24(5): 67-72. Yang Baofeng, Wu Zhenjun, Liu Yonghe, et al. A new topology of three-level reinjection current source converter in parallel[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(5): 67-72.

[5] Suroso S, Noguchi T. Multilevel current waveform generation using inductor cells and H-bridge currentsource inverter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3): 1090-1098.

[6] Aguirre M P, Calvino L, Valla M I. Multilevel current-source inverter with FPGA control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(1): 3-10.

[7] 鲍建宇, 鲍卫兵, 张仲超. 单相电流型多电平变流器自均流特性[J]. 电工技术学报, 2010, 25(4): 89-94. Bao Jianyu, Bao Weibing, Zhang Zhongchao. Natural current-balancing performance of a kind of singlephase multi-level current-source inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(4): 89-94.

[8] Bai Z, Ma H, Xu D, et al. Control strategy with a generalized DC current balancing method for multimodule current-source converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(1): 366-373.

[9] Saghaleini M, Mirafzal B. Power control in threephase grid-connected current-source boost inverter[C]// Energy Conversion Congress and Exposition, 2011: 776-783.

[10] Bianconi E, Calvente J, Giral R, et al. A fast current-based MPPT technique employing sliding mode control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(3): 1168-1178.

[11] Barbosa P G, Braga H A C, Teixeira E C, et al. Boost current multilevel inverter and its application on single-phase grid-connected photovoltaic systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006, 21(4): 1116-1124.

[12] Dash P P, Kazerani M. Dynamic modeling and performance analysis of a grid-connected currentsource inverter-based photovoltaic system[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2011, 2(4): 443-450.

[13] Dash P P, Kazerani M. Harmonic elimination in a multilevel current-source inverter-based grid-connected photovoltaic system[C]//IEEE 38th Annual Conference on Industrial Electronics Society, 2012: 1001-1006.

[14] 何人望, 邱万英, 吴迅, 等. 基于PSIM的新型扰动观察法的MPPT仿真研究[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(7): 56-59. He Renwang, Qiu Wanying, Wu Xun, et al. Simulation study of new perturbation and observation method in MPPT based on PSIM[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(7): 56-59.

[15] 霍现旭, 胡书举, 许洪华. 电网不平衡下基于自适应观测器的锁相环研究[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(15): 120-125. Huo Xianxu, Hu Shuju, Xu Honghua. Phase-locked loop algorithm based on adaptive observer under unbalanced grid voltage condition[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(15): 120-125.

Topology and Control of Three-Phase Multilevel Current-Source Converter for Photovoltaic Grid-Connection

Bao Jianyu1Bao Weibing2Li Yuling3
（1. Institute of Automation and Electrical Engineering Ningbo Institute of Technology Zhejiang University Ningbo 315100 China 2. Zhijiang College Zhejiang University of Technology Hangzhou 310024 China 3. College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China）

Since photovoltaic cell behaves the characteristics of current source, current-source converter (CSC) is suitable for grid-connected photovoltaic (PV) system. Using multilevel structure has the advantages of good sinusoidal current wave, direct control to output current, low current stress for switching device and high equivalent switching frequency. A grid-connected PV system based on a new three-phase multilevel CSC is proposed, herein two PV modules are used as the DC supplies. Two DC-DC converters are inserted behind PV modules to implement maximum power point tracking (MPPT). On the grid side, a new three-phase multilevel CSC is used as grid-connected converter, by implanting PD-PWM technique of multilevel voltage-source converter (MVSC) into such multilevel CSC, which can effectively reduce the harmonic distortion. Combined with phase lock loop (PLL) and power decoupling control, the grid-connected strategy for such multilevel CSC is obtained to achieve random power factor (PF) operation. All the proposed concepts are verified by simulation models built in PSIM.

Photovoltaic grid-connection, current-source multilevel converter, maximum power point tracking, PD-PWM, power factor

TM464

鲍建宇 男，1976年生，博士，副教授，研究方向为电流型多电平变流技术。

E-mail: jianyu_bao@126.com（通信作者）

鲍卫兵 女，1966年生，硕士，副教授，研究方向为工业自动化应用技术。

E-mail: baoweibing@zjut.edu.cn

国家自然科学基金（51277164）和浙江省自然科学基金（Y1111002）资助项目。

2014-04-22 改稿日期 2014-08-10