基于H桥的光伏并网逆变器不平衡功率控制

刘志坚， 侯文宝， 李德路

(1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221008)

0 引 言

级联H桥变换器(Cascaded H-bridge Converter， CHB)在储能、高压大功率交流传动、大规模光伏电力系统应用广泛[1-5]。在大规模光伏电力系统中，功率等级为100 kW～1 GW的光伏并网逆变器具有三相拓扑和模块化设计。对于此类由大规模光伏电池阵列、DC-DC变换器、逆变器组成的光伏并网逆变器均采用H桥拓扑链接其独立的直流母线与独立的光伏组件，因而更易于扩展至更高的功率等级[6]。也因此，CHB被称为“下一代光伏发电系统最合适的拓扑”[7]。

在各H桥与光伏组件之间一般采用带有高频隔离变压器的独立DC-DC变换器实现MPPT算法并与电网隔离[8-10]。在单相内采用上述单元化组件进行级联实现高压大功率逆变。需要指出的是，在某些情况下三相光伏组件可输出的总功率不均衡，这主要由光照条件、温度、各模块的差异等原因导致的[11-13]。非均衡的输出功率导致非均衡的三相交流电流，甚至导致并网逆变系统脱离电网[14-15]。鉴于此，文献[8]中提出了采用零序电压注入法的功率不均衡控制策略，使得三相功率生成系数达到其期望值，然而该文尚未分析三相功率系数能达到的极限值。

本文提出一种不平衡功率控制策略(Unbalanced Power Control Method, UPCM)。该控制策略可以解决光伏板直流侧输出功率不均衡问题，通过实时计算三相交流功率获得三相不平衡功率系数，并加入占空比修正量使得各相直流侧功率趋向期望值。该控制策略计算方法简单、精度较好、易于实现。最后通过Matlab/Simulink和实验平台对比了文献[11]中的FFZSI、DMM和本文所提出的UPCM方法，验证了所提出方法的可行性和有效性。

1 简化调制策略引入

以图1所示级联H桥逆变器主电路为例，设各H桥子模块直流母线电压为Udc_Xn(X=A/B/C，n=1,2,…)且相等，即：

Udc_X1=Udc_X2=Udc_Xn=Udc

(1)

图1 级联H桥逆变器主电路

依据文献[16]及图1，可建立如下所示端口电压方程：

表1 各级子模块的开关状态和端口电压

(2)

(3)

式中，uz为与零序分量等效uOO’的部分。

(4)

由式(3)和(4)可得：

(5)

式中，ΔT=uzTs/Udc。

由式(5)可以写出三相占空比求解的统一表达式：

(6)

为获得线性调制范围，ΔT需满足：

(7)

(8)

2 直流侧功率计算与分析

2.1 直流侧功率计算

交流侧三相输出功率

(9)

若忽略变换器损耗，在一个基波周期内直流电源输出功率与由直流侧传递至变换器交流侧的功率PX_ac相等，即各H桥子模块直流侧输出的“直流功率”PXn与该相直流功率总和PX满足:

(10)

idc_Xn=iXSXn

(11)

式中：idc_Xn是流经母线的直流侧电流；iX是交流侧输出电流；SXn为各子模块开关函数，满足SXn=SXn1-SXn2；T为基波周期。

结合式(6)、(10)及(11)可得：

(12)

假设直流侧电压、电流在一个载波周期Ts内保持不变，式(12)可以改写为

(13)

式中，pX(k)表示X相在载波周期内的瞬时功率值，

(14)

N=floor(T/Ts)

(15)

2.2 直流侧功率分析

采用FIFO数据序列实现直流侧功率的实时计算，如图2所示。该数据序列长度为N，并且每隔一个Ts会有一个新的数据填入。进入FIFO的下一拍数据pX(k+1)可以按照下式计算：

(16)

因此直流功率PX可以按照下式更新计算：

(17)

图2 FIFO数据队列图

2.3 直流侧功率与三相不平衡功率系数关系

由式(12)可得三相直流功率平均值

Pave=(PA+PB+PC)/3

(18)

可得，三相不平衡功率系数kX：

(19)

kA+kB+kC=3

(20)

将式(13)、(14)代入式(19)有：

(21)

将式(13)和(21)代入式(19)，整理可得：

(1-kX)Pave

(22)

由式(22)可看出，kX与ΔT的相关实际的三相功率不平衡系数可以通过动态调整占空比修正量ΔT来实现。

2.4 不平衡功率控制策略

(2) 计算ΔT数值。结合式(16)、(17)和式(19)可计算获得：

(23)

(3) 限制ΔT范围。为获得线性调制，Δ(k+1)需满足式(8)，即当Δ(k+1)超出限制范围[Δmin，Δmax]时需对其值进行相应限制。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink仿真环境中建立一个容量为750 VA的三相五电平级联H桥并网逆变器，如图3所示。为简化模拟，将图3中光伏组件、隔离DC-DC变换器视为直流电源。仿真与实验拓扑如图4所示，仿真中，各级H桥直流侧电压设定为48 V，其他仿真参数为：额定功率750 VA，额定线电压95 V，开关频率8 kHz，各H桥电容容值1.2 mF，滤波电感值4 mH，铅酸电池电压12 V，H桥单元数目2。

图3 三相五电平级联H桥并网逆变器主电路

图4 三相五电平级联H桥并网逆变器仿真/实验拓扑

仿真采用的控制策略如图5所示，其由传统双闭环控制环节与所提出的不平衡功率控制策略组成。

图5 并网逆变器的控制策略

4 实验验证

在实验室条件下，建立容量为750 VA的三相五电平级联H桥并网逆变器，并验证所提出的UPCM控制策略。在实验中采用图5所示控制策略，对比本文提出的UPCM不平衡功率控制策略与文献[6]中的DMM策略，且实验拓扑与图4一致。需要说明的是，各H桥采用普通铅酸电池串联作为直流电源。实验控制芯片采用DSP28335和Xilinx FPGA实现。

(a) FFZSI

(b) DMM

(c) UPCN

(d) FFZSI

(e) DMM

(f) UPCN

图6 仿真结果

(a) DMM

(b) DMM

(c) UPCM

(d) UPCM

图7 实验结果

5 结 语

本文提出了一种基于H桥的不平衡光伏供电系统功率控制策略UPCM，其用于解决不平衡直流功率供电问题并能够实现三相均衡电流输出。通过分析H桥单元直流功率获得三相不平衡系数的控制方法，并依据期望的三相功率系数计算占空比修正量，进而实时的调整三相直流侧输出功率。本文对比了所提出的方法与DMM方法，并通过仿真和实验平台验证了所提出方法在三相功率控制、平衡电流输出上的有效性和可靠性。该方法对于提升光伏供电系统效率、实现不平衡直流输出功率控制上具有很高的实用价值。