基于NPC的光伏并网逆变系统的研究

赵修瑞，李锴，李又丰

(黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

一般光伏系统的结构包括光伏电池板、光伏逆变器、电网端的负载。实际应用中，由于单块光伏板产生的电能限制，一般单块光伏板产生的电能较小，必须将光伏板进行重新组合，才能达到真正所需的功率[1-2]。

光伏板的排列和与电网连接的方式使得光伏发电系统大概可以分为集中式、组串式、串式和组件式四种结构。组串式结构是在串式结构的基础上加了一个DC-DC变换器，经过DC-DC变换后，再经过DC-DA变换进入到电网中，这样的结构提高了直流电压的等级，降低了能量的传输损耗。目前，对于光伏并网研究的趋势主要集中在并网电路拓扑结构和并网控制算法[3]。

1 系统描述

本文结构以NPC拓扑为主电路，在电容两端并联光伏组件及DC-DC变换器，实现分布式光伏并网结构，同时做到高频隔离，提高了功率密度，光伏组件可以接地。光伏并网系统的电路系统如图1所示。该系统由光伏组件、DC-DC升压变换器和NPC多电平并网变换器三部分组成，光伏组件与DC-DC实现最大功率点跟踪[4-7]，同时实现电压的升压功能，后级NPC完成逆变，由于NPC结构的特点需要对电容电压控制，主要采用中点电压平衡法，实现中点平衡，保证并网电压稳定。与传统的2L-VSC多串拓扑相比，其优点是可以达到更高的电压，降低共模电压，使用较低的开关频率，用更小的滤波器改善电能质量。在DC-DC变换电路中，选择了LLC变换器，该变换器在原边上可以实现零电压开通，副边上可以实现零电流关断。

图1 分布式NPC光伏逆变系统拓扑结构

系统采用电压外环电流内环的控制方法[8]，中点平衡问题，采用了引入平衡因子的方法实现中点电位的平衡。最大功率点控制可采用扰动观察法[9]，并对锁相环进行了探究[10-11]，系统总控制图如图2所示。

图2 光伏逆变系统控制图

2 控制方案

2.1 DC-DC变换器及原理分析

高功率、高效率的DC-DC变换器是目前电力电子技术研究的重要方面，在高频下的工作能力尤为重要，而谐振变换器越来越受到大家的关注。通过对LLC电路进行串并联的改良，得到了一种LLC半桥谐振变换器电路，这种LLC半桥电路不仅能够吸取串联谐振，还可以隔离直流，并且能够利用并联谐振减小滤波电容电流脉动小的特点，经过对比发现，LLC型半桥电路是一种应用比较理想的DC-DC变换模型。

从图3可知，LLC半桥式谐振变换的核心电路包括3个器件，即进行谐振所需的电容Cr、励磁电感Lm以及电感Lr元器件等。由这3种元器件可以构成2种谐振方式，第1种谐振的方式不涉及励磁电感Lm，只需Cr与Lr即可。设第1种方式的谐振频率为fr1，其关系式为

图3 LLC半桥谐振变换器的拓扑结构

(1)

第2种工作情况是谐振电容Cr、谐振电感Lr和励磁电感Lm3个器件同时参与了谐振，所以此时的谐振频率设为fr2，其表达式为

(2)

2.2 NPC逆变器中点电压平衡控制策略

NPC型逆变器的中点电位平衡的问题是NPC逆变器固然存在的问题。这是由于直流侧2个电容在工作时因为充电和放电从而使中点电位偏移，其产生的3次谐波会影响整个逆变器的输出。中点电流是导致中点电位平衡的根本原因，主要是由于小矢量的作用而引起的，但是正小矢量和负小矢量的影响正好相反，所以小矢量的影响可以控制[12]。

导致中点电位不平衡的最本质原因就是在一个脉冲周期上，在中点流入的电荷和流出的电荷不是零,有：

(3)

小矢量的作用是完全对称且影响结果完全相反，所以通过对小矢量在七段中的第一和第四段的作用时间的调整就可以达到中点电荷平衡的目的[12]。标准七段式如图4所示。

图4 标准七段式

设段一到段四作用中点电流为i0、i1、i2、i3且为定值。当运行在标准情况下(平衡因子k=0)，中点电荷的变化为

(4)

引入平衡因子k后，重新计算作用时间，电荷变化量为

(5)

由于i0=-i3，代入上式：

ΔQ=kT0i0+T1i1+T2i2

(6)

直流侧两电容C1、C2的电压差可表示为

Δudc=uC1-uC2

(7)

若直流母线侧两个电容的容值都为C，则中点电荷为

Q=QC1-QC2=C·Δudc=C·(uC1-uC2)

(8)

如果需要控制中点电位平衡，那么式(6)中的ΔQ和式(8)中点电荷量的和为零，即：

ΔQ+Q=0

(9)

根据式(6)，将式(8)和式(9)联立得到：

(10)

引入平衡因子后矢量作用时间分配如图5所示。

图5 引入平衡因子后矢量作用时间分配

3 仿真分析

在MATLAB/simulink仿真软件中，搭建光伏并网逆变系统，参数如表1所示。

表1 系统仿真参数

采用SVPWM调制策略。对于NPC拓扑存在的中点电位不平衡问题，引入平衡因子，调整矢量的作用时间而达到中点电荷平衡的目的，通过仿真验证方案可行性。

在中点电位平衡的控制算法上面采用平衡因子法。其中直流侧母线电压700 V，母线电容2200 μF。首先进行未加入中点平衡的测试，如图6所示。

(a)直流侧母线两电容电压

(b)直流母线两电容差值图6 未加入平衡算法的两电容电压及其差值

通过图6可以发现，当没有加入控制算法的直流母线上下2个电容的电压是不相等的，同时上个电压的电压差并不稳定，且不接近于零。对于NPC拓扑固然存在的中点电位不平衡问题，引入平衡因子，调整矢量的作用时间而达到中点电荷平衡的目的，最后通过仿真验证方案可行性。

仿真波形如图7所示。

(a)直流侧母线两电容电压

(b)直流母线两电容差图7 引入中点平衡算法后2个电容电压及其差值

经过引入平衡因子后，仿真可以发现，虽然在一开始2个电容的电压并不相等，但经过约0.03 s之后，2个电容的电压趋于平衡，并在允许的范围内波动，作差分析，两电容的电压差值不超过5 V。最终通过锁相和电压电流控制，逆变器输出电流与电网电压同频同相位，维持单位功率因数运行，且THD=2.46%<5%，可以实现并网，输出较为标准正弦波，波形如图8所示。

(a)逆变器输出电压

(b)并网电流图8 正常运行逆变器输出电压及并网电流

4 结束语

本文对三电平光伏并网逆变器进行了分析和设计，分别对光伏并网拓扑结构、LLC谐振变换器和中点电压平衡进行了研究。LLC半桥谐振变换器不仅能够吸取串联谐振还可以隔离直流；采用了将三电平逆变器的数学模型建立在不同的坐标系下，采用SVPWM调制策略，并解决中点电位平衡问题。最终实现系统在检测不平衡电网的电压上升以及跌落的时候可以实现良好的并网效果。