基于单极MMC 拓扑的光伏并网系统仿真分析

彭华厦，阳鹏飞，肖会芹

（湖南工业大学，湖南 株洲 412008）

0 引言

近年来，环境污染和能源枯竭问题表现得越来越严重，太阳能作为取代化石能源的理想能源之一，已经受到世界各国的重视。目前，光伏发电技术已经趋于成熟，同时，光伏产业发展速度迅猛，光伏发电在电力系统中的装机容量占比越来越重，因此对光伏并网发电系统提出了更高的要求，例如增强光伏并网逆变器容量、提高光伏阵列发电效率等[1]。

传统的VSC 逆变器一般采用二电平结构，只适用于小容量、低电压的应用场合，无法满足高电压、大容量的要求。针对这种情况，许多研究人员都在从事MMC（模块化多电平换流器）的研究，文献[2-3]针对MMC 展开了一系列研究，但是都没有应用在光伏并网系统；文献[4]研究了基于MMC 的光伏并网，但是所用MMC 都不具备子模块保护的能力，并且仿真模型都是在MATLAB/Simulink 上搭建的，带有一定的局限性。大型光伏并网发电系统中，光伏阵列的数量非常多，需要采取最大功率追踪技术提高光伏阵列的太阳能利用率，让其尽可能工作在最大功率状态，大幅度提高光伏系统的发电效率，文献[5]研究了基于扰动观察法的MPPT（最大功率点跟踪）光伏并网，但是扰动观察法容易造成能量损失，导致系统效率降低。文献[6]将光伏电源整合到每一个子模块中，但是加重了系统的复杂以及不稳定性，对现有的光伏系统需要进行较大的改造，缺乏经济适用性。文献[7-10]研究的都是双极式光伏并网系统，在光伏阵列和逆变器之间需要DC/DC 变换器来实现最大功率点追踪。文献[11]还需要加入LCL 滤波器，增加了经济成本。

为了解决大型光伏并网发电系统存在的上述问题，本文提出了一种具备子模块保护能力的单极MMC 光伏并网系统，对系统每个组成部分进行了详细的介绍和分析，重点介绍了MMC 的原理和拓扑结构，把本文设计的MMC 子模块与一般半桥型子模块对比，说明其优点。该系统不仅可以提高光伏阵列的太阳能利用率，而且满足高电压、大容量的要求，系统控制简单而且易实现，还能减小对电网的谐波污染。最后，通过PSCAD/EMTDC 仿真软件搭建仿真模型，验证了该系统的有效性。

1 具备子模块保护能力的MMC 拓扑结构及原理

MMC 通用结构如图1 所示。本文设计的MMC 三相拓扑结构跟传统MMC 一样，都是由3个相单元构成，每个相单元包含上、下2 个桥臂，三相总共是6 个桥臂，每个桥臂包含N 个SM（子模块）和1 个换流电抗L。目前常见的子模块有半桥型子模块、全桥型子模块和双箝位型子模块。其中全桥型子模块和双箝位型子模块都具备直流故障穿越的能力，但是成本太贵，不划算。半桥型子模块是目前应用最广泛的一种MMC 拓扑，但是半桥型子模块不具备直流故障清除能力，基本上都是需要额外加装交流断路器来保护线路。所以本文设计了具备子模块保护能力的MMC拓扑结构。

图1 MMC 通用结构

半桥型子模块拓扑结构如图2 所示，与传统的半桥型SM 不同的是：本文提出的SM 在每个半桥型子模块中的电容旁并联了一个由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和大电阻R 组成的旁路，在AB端口处并联了一个高速开关K1和一个晶闸管K2。当子模块发生故障时，K1闭合用于保护子模块，K2用于保护D2。当电容电压过大或者MMC 闭锁时，IGBT 导通，使大电阻R 用于电容的缓慢放电。

图2 半桥型子模块拓扑结构

1.1 子模块运行原理

正常工作状态下，MMC 子模块的工作原理与MMC 子模块一样，包括2 个IGBT 和1 个直流储能大电容。图2 中设ISM流入子模块方向为正，根据电流ISM的方向以及上下开关S1和S2的状态，子模块的端口输出电压在UC和0 之间变换。MMC 子模块工作状态由表1 可见，其中“1”代表开关导通，“0”代表开关关断。

1.2 MMC 的基本原理

正常工作状态下，换流电路并不会起作用，以A 相为例对MMC 的基本原理进行阐述。为便于计算，暂时不考虑电抗L 的作用，uap和uan分别为A 相上、下桥臂直流侧电压，直流侧的正负母线相对于参考点O 的电压分别为Udc/2 和-Udc/2，usa为A 相交流输出侧的电压，得到：

表1 MMC 子模块工作状态

因为子模块的投入数量决定了桥臂电压，所以通过调整子模块的投入来控制三相交流电压。为了维持直流电压的稳定，一般要求3 个相单元投入的子模块数量是相等且不变的，由此可得：

假设A 相上桥臂所有子模块都关闭时，要求下桥臂的子模块全部投入，总之单相子模块的投入数量恒定，所以一般来说，每个相单元投入开通状态的子模块为N。由于3 个相单元的对称性，总的直流电流被3 个相单元平均分配，即每个相单元的直流电流为Idc/3，又因为上、下桥臂电抗器L 相等，上、下桥臂电流为：

式中：iap为上桥臂的桥臂电流；ian为下桥臂的桥臂电流；ia为输出电流。

2 单极MMC 光伏并网系统光伏阵列结构及控制

2.1 基于MMC 的单极光伏并网系统拓扑结构

图3 给出了由PSCAD 软件搭建的光伏并网主电路，该系统由光伏阵列、直流母线、MMC 逆变器、负载组成。

图3 模块化多电平逆变器并网拓扑

2.2 光伏电池的数学模型

光伏组件等效电路如图4 所示。

图4 光伏组件等效电路

式中：Gref为参考照度；Tref为参考温度；aT为温度系数；Isc为标准测试条件Tref=25 ℃，光照强度Gref=1 000 W/m2下的短路电流；Voc为标准测试条件下的开路电压；Rs为固定电阻；G，T 为实际值；A 为材料常系数；VT为实际电池温度；IOR为保和电流；Eg为光伏电池的带隙能量。

2.3 MMC 直流电压控制

由公式（4）得出：光伏阵列的输出功率P 以及输出电流IPV的大小由输出电压VPV所决定。随着光照强度和温度的变化，光伏输出电压大小也随机波动。为了使光伏阵列的输出信号达到最优，对其进行最大功率点跟踪控制，使其时刻输出最大功率点处的电压。为了实现光伏阵列最大功率点的追踪控制，本文采用电导增量法MPPT控制技术[12]取得MMC 直流电压控制的所需参考电压Umppt，将Umppt与Upv做差之后，经过PI 控制得到电流内环的参考电流信号，电流内环的控制主要是使得MMC 输出电流Ia尽量与Iref保持一致，这样就省去了DC/DC 控制环节，MMC 直流电压控制策略如图5 所示。

2.4 MMC 子模块电容电压平衡控制

子模块电容电压不均衡会造成桥臂电流畸变，因此为确保MMC 各个子模块电容电压均衡，本文额外增加了电容电压均衡控制。以MMC 的A 相上桥臂子模块电容电压平衡控制为例，控制拓扑如图6 所示。Ucref为子模块电容的参考电压；Ucj为电容实际电压；Iap为桥臂电流；Uref为电流内环控制输出的信号；Uaref为最终生成的调制波。

图5 MMC 直流电压控制策略

图6 电压均衡控制

3 MMC 调制方式

本文采用的调制方式为CPS-PWM[13]，调制原理如图7 所示。

图7 载波移相调制原理

以A 相为例来说明，调制流程为：上下桥臂各自有N 个子模块，有N 个相位差依次为2π/N的载波按顺序分配给上桥臂（或下桥臂）的N 个子模块，然后子模块的N 个载波依次与同一个调制波比较，当调制波幅值大于载波幅值时子模块投入运行，于是N 个载波即可得到N 组PWM 调制波信号，分别驱动N 个子模块单元，且上、下桥臂的调制波反向，为了维持电压的稳定，任意时刻投入的子模块个数互补且等于N，ABC 三相的每相调制波之间相差120°。最后上桥臂（或下桥臂）的输出电压波形Upj（或Unj）由各个子模块的输出电压叠加得到。

因为MMC 三相单元的对称性，由文献[14]得知MMC 各相上、下桥臂输出电压为：

式中：ujo为交流侧输出电压；Uaref为CPS-PWM所需调制波；载波采用的频率为高频率fc，最大幅值为Udc，最小幅值为0，相位角依次移相2π/N（N 为每个桥臂的子模块数）的三角波形，调制波与依次移相的三角载波比较，得到各个子模块的触发信号。

4 仿真验证

利用PSCAD/EMTDC 电力系统电磁暂态仿真软件[15]搭建9 电平的MMC 光伏并网模型，仿真时间为0.5 s，光伏阵列由250 个模块串并联，每个模块串联222 个光伏模块，每个光伏模块由36个光伏电池单元串联，光照强度为1 000 W/m2，环境温度为25 ℃，MMC 各相桥臂电感为20 mH，子模块电容为1 600 μF，载波频率为500 Hz，交流负载每相为10 Ω，直流母线参考电压为6.3 kV，平衡电容为6 000 μF，有功功率为1.23 MW，无功功率为0 Mvar，功率波形见图8。

图8 有功功率与无功功率

经过直流电压控制，光伏阵列的输出直流电压Upv一直维持在6.3 kV 左右，仿真结果见图9。

光伏阵列电源经过MMC 逆变后输出的三相交流电压波形见图10。三相输出电流波形见图11。

以A 相输出电流为例，经过单极MMC 逆变并网输出的A 相输出电流总谐波畸变率THD 见图12。

图9 直流母线电压

图10 三相交流电压

图11 三相交流电流

图12 A 相电流THD 分析

仿真结果表明，本文所提出的MMC 拓扑结构是正确的，输出电流总谐波畸变率最高为0.36%，完全符合IEEE 1547 中要求的并网电流电能质量，光伏阵列电源可以通过本文提出的MMC 拓扑结构实现并网。

5 结语

本文提出的单极MMC 光伏并网系统适用于大电容、高电压的场合，与基于二电平、三电平逆变器光伏并网系统相比，本文提出的单极MMC光伏并网系统省去了DC/DC 变换电路环节，也不需要LCL 滤波电路。该系统整体结构清晰，易控制，理论上子模块可以无限叠加，对原有光伏并网系统的改造具有参考价值。MMC 逆变器采用CPS-PWM 控制方式，具有谐波小，开关频率低的优点。基于具备子模块保护能力的单极MMC光伏并网系统在PSCAD/EMTD 软件中的仿真结果正确，为进一步研究光伏并网以及MMC 的相关保护提供了基础。