单相级联多电平光伏并网逆变器控制策略综述

张承慧，周江伟，杜春水，陈阿莲

（山东大学控制科学与工程学院，济南250061）

单相级联多电平光伏并网逆变器控制策略综述

张承慧，周江伟，杜春水，陈阿莲

（山东大学控制科学与工程学院，济南250061）

级联多电平逆变器不仅能够实现各级光伏阵列的最大功率点跟踪，提高光伏利用率，而且具有系统开关损耗小、能量变换效率高以及并网电流谐波含量低等优势，在大规模光伏并网系统研究和工程应用领域备受青睐。综述了近年来级联多电平光伏并网逆变器控制策略的研究成果，依据各个级联单元的调制比配置方式不同，将变换器的功率平衡控制策略分成了三类，在分析各类控制原理和特点基础上，推导出了系统功率平衡控制策略的约束条件公式，进而指出了级联多电平光伏并网逆变器拓扑结构和控制策略的改进方法。

级联多电平逆变器；光伏并网系统；功率平衡控制；最大功率点跟踪

太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。近年来，光伏发电在电力系统中装机容量所占比例越来越大，并呈现出“规模化分散开发、低压接入、就地消纳”以及“大规模集中开发、中高压接入、高压远距离外送消纳”两种方式并存格局［1］。在光伏大规模集中开发领域，大功率逆变器成本压力日益增大，提高逆变器输出电压有利于减少变换器、配电器件、输电线路、变压器的电流应力，进而降低成本，提高效率［2］。然而功率器件的电压应力随之增大，需要耐压更高的器件，多电平逆变器的出现解决了此问题。

目前，多电平逆变器根据电路拓扑不同主要可分为二极管箝位型、飞跨电容型和级联型三种。级联多电平逆变器能够减少功率器件的开关损耗，提高变流器效率，改善输出波形质量，并且与其他两种类型相比，在输出电压电平数相同时所需功率器件较少，结构上易于模块化扩展和冗余运行，是高压大功率应用领域一种非常有效的解决方案［3,4］。目前，已经成功应用于大型风机泵类电机驱动［5］、链式静止无功发生器［6,7］以及牵引系统［8］中。由于光伏阵列可以满足级联多电平逆变器所需的独立直流电源，各级功率单元工作能够实现光伏阵列的分布式最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制，易于高压大功率化，因此，级联多电平逆变器非常适合于大规模光伏并网场合［9-11］。

级联多电平逆变器根据相数不同可以分为单相级联和三相级联多电平变换器；根据各功率单元直流电压的是否相同又可分为对称级联多电平逆变器和混合级联多电平逆变器［12-15］。目前，混合级联多电平拓扑应用到光伏并网发电系统的文献较少。由于混合型和三相级联多电平变换器拓扑可以看作是单相级联多电平变换器拓扑的延伸，研究单相级联多电平逆变器的控制方法是前两者的基础，因此本文主要针对单相对称级联多电平光伏并网逆变器的控制方法进行了综述，对于混合型和三相级联多电平光伏并网逆变器控制同样具有理论借鉴意义。

1 级联多电平光伏并网逆变器控制策略

级联多电平光伏并网逆变器由n个H桥逆变单元串联组成，如图1所示。每个功率单元直流侧的光伏阵列由一系列光伏组件串并联组成，交流侧通过滤波电感接入电网。其中，第k（1,2,…,n）个光伏阵列的输出电压为vPVk，即直流母线电压vDCk；光伏阵列输出电流为iPVk；直流母线电流为iDCk。逆变器的输出电压为vHk，并网电流为ig，电网电压为vg。

受光照、温度以及光伏阵列之间不匹配的影响，级联多电平光伏并网逆变器中各级电池阵列的输出特性不同，各功率单元的最大输出功率也不同。当光伏阵列运行在各自的最大功率点处时，各级直流母线电压会由于功率分布不均匀而发生电压漂移，光伏阵列输出电压偏离其最大功率点电压，从而导致MPPT失效，逆变器输出波形畸变，严重影响并网装置的性能和可靠性。因此，级联多电平光伏并网逆变器控制策略必须在传统直流母线电压、电网电流双闭环基础上，加入功率平衡控制，可见功率平衡控制是级联模块化多电平变换器控制策略的核心。近年来，国内外学者提出多种功率平衡控制方法［16-27］，其基本思路是通过控制并网电流使系统功率平衡，通过控制各单元输出功率比例以稳定各单元直流母线电压。当总的直流母线电压稳定住后，仅对各级功率单元采用同样的调制比进行调制，往往不能维持各级直流母线电压平衡，需要对总调制比在各级功率单元进行重新配置［16］。

图1 级联多电平光伏并网逆变器拓扑结构Fig.1 Cascaded multilevel inverter topology for gridconnected photovoltaic systems

2 功率平衡控制策略分类

本文按照各单元对总调制比配置方式的不同将功率平衡控制策略分为3类。

2.1 第1类功率平衡控制策略

文献［17］较早地提出了一种适用于级联多电平光伏并网逆变器的功率平衡控制策略，文献［18-22］所提控制策略在其基础上变化了其直流母线电压控制和并网电流控制结构。这几种控制策略虽然直流母线电压控制和并网电流控制结构有所差异，但是它们总调制比的配置方式相同，都是用各级单元的比例因数与总的调制比信号相乘积，作为每个功率单元最终的调制比信号。第1类功率平衡控制策略特点是对各级功率单元输出有功功率和无功功率同时等比例调节，比例因数为各单元输入功率之比。本文以文献［17］所提控制策略为例介绍该类功率平衡控制方法,策略如图2所示。

图2 第1类功率平衡控制框图Fig.2 Block diagram of the first class power balance control

整个控制系统包括光伏阵列输出电压控制、并网电流控制和总调制比分配3个部分。电压控制的结果是获得直流母线电流参考值IDCk，在功率计算环节得到各单元输出功率Pk和系统总输出功率PT，在功率控制环节对功率PT进行闭环调节，得出整个系统并网电流参考值和输出电压参考值VHT，最后在调制比分配环节按照各单元输入功率比值分配VHT得出各自调制信号dk，通过载波移相SPWM（sinusoidal pulse width modulation）得到各单元驱动信号。

2.2 第2类功率平衡控制策略

文献［23］对比分析了几种级联多电平整流器的控制方法，提出一种新型的功率平衡控制策略。由于级联多电平整流器和逆变器的拓扑相同，两者的控制策略可以相互借鉴，文献［24］将其应用到级联多电平光伏并网逆变器中，实现了各级功率单元的最大功率点跟踪和单位功率因数并网。该控制策略在准Z源级联多电平光伏并网逆变器中也得到较好应用［25］。于是第2类功率平衡控制策略特点是交流侧滤波电感上的无功功率全部由1个功率单元提供，其他的各级功率单元只输出有功功率，具体控制原理如图3所示。

图3 第2类功率平衡控制策略框图Fig.3 Block diagram of the second class power balance control

整个控制系统包括n个电压环和1个电流环。电压环实现各级直流母线电压的稳定，电流环实现单位功率因数并网。总的直流母线电压由PI调节器控制，其输出与电网同步因子相乘作为电流环的给定。电流环PI调节器的输出作为总的调制比信号。直流母线电压vDC2到vDCn的误差经过PI调节器，与电网同步因子相乘，得到各自的调制比信号dk。总的调制比信号减去其他调制比信号之和得到功率单元1的调制比信号d1。各单元调制比信号经过载波移相环节得到开关器件的驱动信号。

2.3 第3类功率平衡控制策略

文献［26，27］分别提出一种基于占空比有功分量修正的功率平衡控制策略，两者的区别在于文献［26］所提控制策略是建立在旋转坐标系下，应用于级联多电平整流器中；文献［27］所提控制策略是建立在静止坐标系下，应用于级联多电平光伏并网逆变器中。从功率控制的角度看，它们都属于第3类功率平衡控制策略，其特点是各级功率单元只对输出的有功功率进行调节，各单元输出的无功功率相等，具体工作原理如图4所示。

图4 第3类功率平衡控制策略框图Fig.4 Block diagram of the third class power balance control

整个控制系统包括总的直流母线电压控制、并网电流控制和功率平衡控制三部分。每级功率单元通过独立MPPT算法得到总的直流电压参考值，与各级实际直流母线电压vpvk之和相比较，PI调节器输出与电网电压同步因子相乘，得到并网电流的参考值，实现逆变器总的直流母线电压稳定。电流环采用准PR调节器实现并网电流的无静差快速跟踪，并引入电网电压前馈控制，克服电网电压畸变和扰动对并网电流控制的影响。每级功率单元标幺化的误差经过PI调节器与电网电压同步因子相乘，得到占空比有功修正分量ddk，分别叠加到电流环输出的总占空比信号d上，形成每个功率单元最终的占空比参考信号dk，用于载波相移正弦脉宽调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）调制。

3 功率平衡控制约束条件

上述三类功率平衡控制策略都能够有效解决直流母线电压漂移问题，进而实现各级光伏阵列的最大功率点跟踪。受级联多电平逆变器的本质约束，这些控制策略都有一定的适用范围和约束条件，其与各级单元输出功率、电网电压、直流母线参考电压和网侧滤波电感有关。不失一般性，以三单元级联多电平光伏并网逆变器为例，推导3类功率平衡控制策略的约束条件。假设：系统单位功率因数输出；忽略电抗器内阻；功率单元1的输入功率大于功率单元2，大于功率单元3。各控制策略的矢量如图5所示。根据图5可得

式中：VHn为第n个功率单元输出基波电压有效值，n=（1,2，…）；Vg为电网电压有效值；Ig为并网电流有效值；Vdn和Vqn分别为VHn在d轴和q轴上的有功分量和无功分量；VDC为直流母线电压参考值与之比。将式（2）代入式（1）得则各功率单元输出有功功率和无功功率分别为

图5 功率平衡控制策略矢量Fig.5 Power balance control vector constraints

根据式（4），整理得各单元的有功功率为

忽略逆变器损耗，系统总输出有功功率与总输入功率相等，表示为

由式（6），系统输出并网电流表示为

将式（7）代入式（5）得

根据式（8）可知，3类控制策略中各功率单元输出电压的有功分量相同，都是按照光伏阵列的输出功率成比例分配，区别主要体现在各单元输出电压无功分量的分配上。

对于第1类功率平衡控制策略，各功率单元输出电压的无功分量按输入功率成比例分配，表示为

将式（9）代入式（3）得

对于第2类功率平衡控制策略，系统无功分量全部由功率单元1提供，根据式（3）表示为

对于第3类功率平衡控制策略，各功率单元输出电压的无功分量均匀分配，根据式（3）表示为

由于功率单元1的输入功率大于功率单元2，大于功率单元3，则d1≥d2≥d3，为了避免出现过调制，保证系统稳定运行，必须满足的条件为

青少年学生有自己的主见，我们应该为之欣慰，尽管他们的个人选择未必值得他人效仿，未必值得大面积提倡。毕竟这样的学生并不多，更多的学生还是习惯于随大流：考大学时追逐热门专业，毕业后追求“钱多事少离家近”的所谓“完美工作”。平心而论，这样的选择也是人之常情，无论在任何国家和时代，恐怕率多如此。对于大多数人的选择，我们司空见惯，自然不会有太多质疑；但对于少数青少年学子一些看似大胆而个性的选择，也未必就要大声起来反对和打压，毕竟就像每片树叶都不完全相同，每个人也是不一样的。

将式（10）代入式（13）得

将式（8）代入式（14），并推广到n个功率单元，整理得第1类控制策略的功率不平衡约束公式为

将式（11）代入式（13）得

将式（8）代入式（16），并推广到n个功率单元，整理得第2类控制策略的功率不平衡约束公式为

将式（12）代入式（13）得

将式（8）代入式（18），并推广到n个功率单元，整理得第3类控制策略的功率不平衡约束公式为

（1）在相同条件下，第3类控制策略具有最大的功率不平衡范围，第1类策略次之，第2类策略最小。

（2）为了保证并网电流可以任意控制，工程应用中逆变器的并网电抗取值较小，其压降一般不超过电网电压的10%。因此，此3个式子根号下的计算值非常接近1，对功率不平衡范围影响不大，3种策略的不平衡约束范围近似相等。

（3）为了扩大级联多电平光伏并网逆变器控制策略的适用范围，最有效的方法是提高直流母线电压VDC。而电压型级联逆变单元输出不具备升压属性，解决方法是将boost变换器［11］或准Z源阻抗网络应用到级联多电平光伏并网逆变器中［28,29］，其不仅适用于光伏电池输出电压的宽范围变化，同时也具有调节系统的功率不平衡范围的能力。当级联多电平光伏并网逆变器中各单元功率不平衡程度增加时，可以适当提高直流母线电压，扩大系统的不平衡约束范围；当功率不平衡程度非常严重时，可以考虑旁路某些单元或者降低功率较大单元的功率输出，即将光伏阵列偏离其最大功率点运行。

4 结语

通过对级联多电平光伏并网逆变器的有效功率平衡控制，可以解决各级功率单元工作在各自最大功率跟踪模式下造成直流母线电压不一致的问题。依据各单元对总调制比配置方式的不同将功率平衡控制策略分为三大类，推导出了各类策略的适用范围和约束条件，进而指出了Z源级联多电平光伏并网逆变器在不平衡功率调节能力方面的优势。此外，虽然级联多电平光伏并网逆变器具有模块化的硬件结构，但其控制策略多为集中控制。如何实现级联多电平光伏逆变器的分散自治控制，各功率单元既具有独立的最大功率点跟踪、电流控制、检测保护，又能服从中央控制器的集中管理调度，是有待深入研究的课题。

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Review of Control Strategies of Single-phase Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter for Grid-connected Photovoltaic Systems

ZHANG Chenghui,ZHOU Jiangwei,DU Chunshui,Chen Alian
（School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China）

Cascaded H-bridge multilevel inverters can not only implement the distributed maximum power point track（MPPT）with high photovoltaic utilization,but also decrease the switching losses,improve the inverter efficiency and output waveforms quality,which is popular in the field of large-scale photovoltaic（PV）grid-connected system research and engineering applications.Firstly,a cascade multilevel photovoltaic grid inverter control strategies are reviewed in recent year.Secondly,the power balance control strategies of the converter are divided into three categories for the different modular modulation ways,and their control principles and characteristics are analyzed in detail.Then the power imbalance constraints of various control strategies are derived.Lastly,methods of improving the topology and control strategies of cascaded H-bridge multilevel inverter are presented.

cascaded H-bridge multilevel inverter;grid-connected photovoltaic systems;power balance control; maximum power point tracking（MPPT）

张承慧

张承慧（1963-），男，博士，教授，研究方向：新能源控制、电动汽车、工程优化控制、控制理论与应用等，E-mail:zchui@sdu. edu.cn。

周江伟（1989-），男，硕士研究生，研究方向：光伏并网功率变换器及其控制技术，E-mail：zjwsdu@163.com。

杜春水（1973-），男，博士，副教授，研究方向：新能源并网变换器控制与优化设计、微电网控制,E-mail：duchsh@sdu. edu.cn。

陈阿莲（1976-），女，博士，教授，研究方向：多电平变换器、电力电子及其在工业中的应用技术，E-mail：chenalian@ sdu.edu.cn

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.1

：TM 461

：A

2015-10-31

国家自然科学基金重大国际（地区）合作研究资助项目（61320106011）；国家自然科学基金资助项目（51377101）；山东省科技发展计划资助项目（2013GGX10401）。

Project Supported by Major International（Regional）Joint Research Project of the National Natural Science Foundation of China（NSFC）（61320106011）;National Natural Science Foundation of China（51377101）；Shandong Province Science and Technology Development Program（2013GGX10401）.