一种基于MMC的分布式单级光伏并网系统研究

阳鹏飞 王卫 陈瀚

摘要：结合MMc和光伏电源的工作特性，利用模块化多电平换流器具有易级联扩展的优点，本文设计了一种基于MMC的分布式单级光伏并网系统，该拓扑结构能解决局部阴影条件下，光伏电源功率配置不平衡问题。即在级联式MMc中的每一个半桥子模块中并联一组光伏阵列，并且这种新型子模块具备一定的故障切除能力。这种分布式单级光伏并网系统，在减少DC/Dc环节的情况下，本文设计了对应的控制方法，其中MMC的并网控制采用基于PI的电流解耦并网控制，子模块的电容电压控制采用微调稳压的方法。通过PSCAD/EMTDc仿真软件验证了该系统的有效性，结果显示该系统可以提高光伏阵列的太阳能利用率，满足对每一个光伏阵列的单独控制、适合高电压等级的要求，而且对电网的谐波污染少。

关键词：模块化多电平换流器;光伏阵列;子模块;电流解耦控制

0引言

我们目前使用的光伏系统中，一般串联数十个光伏电池来提高逆变侧输出电压。对于这种连接方式，当出现局部阴影时，会降低整个直流端的电流输出，影响整个系统的最大功率点追踪控制。文献[1]在每个光伏组件旁反并联一个二极管，当发生局部阴影时，二极管电路会取代光伏电池运行，以免阴影组件影响整个系统输出。这种结构带来的新问题，该阴影组件被取代后，会变成负载消耗系统能源，降低了整个光伏系统的输出效率。

现在运行的VSC逆变器中，采用二三电平居多，如文献[2]研究了在不同容量要求下，可以采用不同的三电平光伏逆变器，但一般应用在低电压和中小容量场所，单个逆变器无法承受高压和大容量的要求。若直接把传统的二三电平逆变器并联运行，如何确保开关器件的同步触发、如何使各逆变器的输出电流平衡又称为一个难点，文献[3-6]研究的是两级式光伏逆变，中间采用boost/buck电路稳压，使得直流输出端达到最大效率值运行。文献[7]的光伏逆变系统中，交流端需要添加LCL滤波器，不仅增加经济成本，整体谐波也偏高。相反，模块化多电平换流器（MMC）不仅能满足大容量和高压的需求，而且MMC的输出电压波形为多电平的阶梯波，输出谐波THD含量低，无需添加额外的滤波器，波形质量较传统逆变器而言相对更好，因此探索MMC在光伏并网中的应用是许多学者目前都在从事的研究，文献[8]针对MMC在光伏中的应用进行了研究，但是采用的是把每一个光伏电池经过DC/Dc变换之后，与MMC的每个子模块电容并联的形式，这种整合形式增加了经济成本，使得整个系统结构变得异常复杂。文献[9]提出的一种基于MMC的新型光伏系统，控制过于复杂。

基于上述研究情况，所以本文提出一种基于MMC的分布式单级光伏并网系统，对MMC与光伏阵列结合的新型子模块（PM）拓扑结构进行详细机理分析，把本文设计的MMC新型子模块与传统半桥MMC子模块对比，说明其特点。对新型子模块（PM）的稳压控制进行介绍，使得PM的电容电压工作在光伏电池的最大功率点电压附近。该系统的并网控制采用基于PI的电流解耦并网控制。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真软件验证该系统的有效性。

1基于MMC的光伏拓扑结构及原理

本文提出的一种基于MMC的光伏并网系统如图1所示。本文设计的MMC光伏并网结构主电路跟传统一般MMC一样，总共分为三相，其中每一相包含两个桥臂，每个桥臂中不仅包含N个PM子模块，而且每个上下桥臂各自都有一个电感L1、L2。这种光伏阵列和子模块结合成的PM模块与一般MMC级联电路不同，PM模块省略了DC/DC变换电路，将光伏组件直接与子模块的电容并联而成。另外传统MMC的子模块结构包括半桥型子模块、全桥型子模块和双箝位型子模块。其中具有支流故障穿越能力的是全桥型子模块和双箝位型子模块，缺点是成本高、结构复杂。目前流行的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。为此本文特意设计的MMC光伏并网结构中，也对PM模块进行了细微改进。

改进的PM模块结构如图2所示，与一般的PM模块不同的是：加入了快速开关和压接式封装晶闸管，在AB端口处并联了一个高速开关K1和两个晶闸管D4、D5，当子模块发生故障时，使用K1闭合快速旁路故障，用于保护子模块，使得桥臂电流连续，晶闸管D3、D4、D5则用来保护与之对应的续流二极管，防止故障电流冲击续流二极管。当电容电压过大或者MMC闭锁时，VT3导通，使大电阻R成为电容和光伏电池的负载。

1.1子模块运行原理

根据电流Iam的大小和方向，采用合适地开关状态，就可使PM模块的电容电压稳定在最大功率点电压，从而保证了PV组件的最大功率输出。表1给出了PM模块处于不同开关状态和电流方向（Ism流入PM模块时为正）时的PM模块电容电压U的变化过程。表中：开关状态1对应IGBT开通，0对应IGBT关断。根据光伏电池的不同光照下的V-I曲线可知，当光伏电池的输出电压过高时，也就是子模块电容电压过高时，光伏电池的输出电流基本为零，PM工作模式相当于普通的半桥子模块工作方式。

2.2 PM模块电容电压微调制

仅靠上层控制的并网电流解耦控制调节并不能保证每个电容电压平衡。为此通过对各子模块的参考电压进行微调，间接地调节对应子模块开关管在每个开关周期内的占空比，最终达到桥臂内部电容电压平衡的控制效果。以MMc的A相桥臂第，个子模块的驱动电压生成过程为例，控制拓扑如图4所示。第，个子模块电容电压实际值Uacj与整个桥臂的子模块电容电压之和Ua-cj平均值做差，所得的偏差量与该桥臂环流电流ij-ac的乘积经过比例和限幅环节，即为参考电压的微调量Uajcrefo然后把A相的并网电流参考值Ua-ref与微调量相加，得到A相上下桥臂每个子模块的独立驱动信号Uadiffj，最后通过阀级调制策略对IGBT进行调制。

调制流程为：对于每个桥臂中的N个子模块，采用相同开关频率的正弦波，每个子模块对应的三角载波依次移开1/Ⅳ个周期，即每一个子模块三角波之间相差2π/N目位角，上、下2个桥臂的调制波相差180°或者为同一调制波皆可，再让每一个子模块的载波与对应的调制波进行比较，生成N组子模块对应的PWM调制信号，这样的话，任意时刻MMC投入运行的子模块个数为Ⅳ，且每相的中上、下桥臂入的模块个数互补。MMC的三相桥臂调制波的相位角参考值见下表2。

Uadiff-j，为本文设计的CPS-PWM，载波采用高频率的三角波fc，幅值为0～1，相位角设置如表2所示，最后由调制波与三角载波的比较获得子模块的触发信号。

4仿真验证

本文仿真利用PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件搭建了一个基于MMC的分布式单级光伏并网模型，交流输出为MMC的9电平构成，仿真时间为0.6 s，设直流电压参考值为6 kV，桥臂电感为20 mH子模块电容大小为5 000uf，载波频率为500 Hz，交流侧阻抗为10Ω。其中每个子模块中并联的光伏阵列的参数见表3。

PM模块的电容电压经过微调控制，电压值稳定在0.67 kV左右，与光伏阵列的最大功率点追踪控制电压数值相差不大，其中一个PM模块的电容电压仿真结果见图6。

MMC经过基于PI的电流解耦控制以后，三相交流输出电压和电流见图7和图8。

对A相的交流输出电流进行谐波畸变率（THD）分析，结果如图9所示，结果显示最大畸变率为0 268%，仿真结果表明，本文所提出的MMc拓扑结具有很强的优势，输出电流最高谐波畸變率为0.268%，符合IEEEl547的电能质量要求。

5结论

本文提出的分布式单极MMC光伏并网系统适用大电容、高电压的场合，而且子模块直接与光伏电池并联，省去DC/DC变换电路环节，MMC的交流输出电压和电流符合电能质量要求，无需滤波电路。通过基于PI的电流解耦控制和电容电压微调控制，能够使得每一个子模块的电容电压能够稳定在与其并联的光伏组件最大功率点电压附近，从而确保PM模块输出效率最优。当MMC的电平数量增多时，本文设计的光伏系统优势更加明显。