一種可實(shí)現(xiàn)兩組池板獨(dú)立MPPT控制的新型雙逆變器光伏并網(wǎng)變流器

尹靖元 金新民 楊 捷 吳學(xué)智 李金科

一種可實(shí)現(xiàn)兩組池板獨(dú)立MPPT控制的新型雙逆變器光伏并網(wǎng)變流器

尹靖元1金新民2楊 捷2吳學(xué)智2李金科2

（1. 中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190
2. 北京交通大學(xué)國家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心 北京 100044）

為了實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)大容量高效率的運(yùn)行需求，本文提出一種新型雙逆變器串聯(lián)的光伏并網(wǎng)變流器拓?fù)洹Ｍㄟ^建立雙逆變器串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得出了在光伏系統(tǒng)中抑制共模漏電流的調(diào)制方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制和兩組串聯(lián)光伏池板的獨(dú)立最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT），有效降低光伏系統(tǒng)的初始成本并提升發(fā)電效率。文中通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了提出方法的有效性。

光伏發(fā)電系統(tǒng) 雙逆變器串聯(lián) 共模電壓差 最大功率點(diǎn)跟蹤

1 引言

隨著能源需求的增長和環(huán)境保護(hù)呼聲的提高，太陽能發(fā)電技術(shù)得到了長足的發(fā)展，如何更加高效、可靠地將太陽能并入電網(wǎng)具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義[1]。光伏變流器作為將太陽能饋入電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)手段，其性能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中尤為重要，在光伏技術(shù)中較高初始成本和較低的電能轉(zhuǎn)換效率仍需要進(jìn)一步提善[2-3]。

在大功率光伏并網(wǎng)變流器中，光伏電池板通過電壓型逆變器（VSI）并入電網(wǎng)，其中還包括DC-DC斬波器，隔離變壓器。DC-DC變換器保證光伏池板可以工作在較寬的電壓范圍內(nèi)。無變壓器和高頻變壓器拓?fù)淇梢员苊獯篌w積的低頻變壓器，但是這些拓?fù)渲饕獞?yīng)用于單相小功率變流器。

傳統(tǒng)電壓型逆變器常采用兩電平拓?fù)?，與其相比采用三電平拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)更高的電壓等級(jí)、更小的輸出du/dt、更小的并網(wǎng)電流諧波[4-5]，且在抑制共模電流上更具優(yōu)勢(shì)[6-7]。目前應(yīng)用最為廣泛的是中點(diǎn)鉗位式三電平（NPC）拓?fù)鋄8]，如圖1a所示。但此系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要多個(gè)中點(diǎn)鉗位二極管，同時(shí)需要進(jìn)行中點(diǎn)電位平衡控制，勢(shì)必降低并網(wǎng)電流波形質(zhì)量[9]。

本文提出一種新型雙逆變器串聯(lián)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1b所示。兩個(gè)獨(dú)立的光伏池板分別供給兩臺(tái)逆變器，即可以采用雙級(jí)結(jié)構(gòu)也可以采用單級(jí)結(jié)構(gòu)。兩臺(tái)逆變器交流輸出經(jīng)原邊開繞組三相變壓器連接而成，變壓器的二次繞組通過角接或星接并入電網(wǎng)。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of PV grid-connected converter

圖1 b中的三相逆變器通過級(jí)聯(lián)方式可以工作在三電平模式下，等效成一個(gè)三電平變流器，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)三電平變流器的優(yōu)勢(shì)[10-11]。但比較傳統(tǒng)三電平逆變器，更明顯優(yōu)勢(shì)在于優(yōu)化了硬件結(jié)構(gòu)，省略了鉗位二極管；由于兩臺(tái)逆變器串聯(lián)共用一個(gè)濾波器，等效降低了濾波器的感值，并可以充分利用變壓器漏感，大幅度降低初始成本；電池板PV1和PV2分別供給兩組逆變器，可以實(shí)現(xiàn)兩組池板在不同光照強(qiáng)度下的獨(dú)立MPPT控制，光伏系統(tǒng)的整體發(fā)電量將大大提高；無需進(jìn)行中點(diǎn)電位控制，簡化了控制算法。

但該拓?fù)淙源嬖趲c(diǎn)問題需要研究。首先由于光伏池板與大地之間存在分布電容，盡管由于變壓器的存在使得共模電流不經(jīng)過電網(wǎng)形成回路，但如果兩臺(tái)逆變器之間存在共模電壓差，其會(huì)在兩臺(tái)逆變器對(duì)地的分布電容中形成回路產(chǎn)生漏電流，所以圖1b所示的拓?fù)湓诠夥袘?yīng)用首先要考慮對(duì)系統(tǒng)共模電壓差的抑制。其次在抑制共模電壓差的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組逆變器的功率分配，保證在兩組池板光照強(qiáng)度相同以及不同條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定控制以及兩組電池板的獨(dú)立MPPT控制。針對(duì)上述問題，本文首先建立雙逆變器串聯(lián)型并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上分析了無共模電壓差的調(diào)制方法；以此為依托通過對(duì)功率流動(dòng)分析，完成對(duì)雙逆變器結(jié)構(gòu)控制算法研究；最后給出獨(dú)立MPPT控制算法并分析了提升獨(dú)立MPPT工作范圍與系統(tǒng)功率因數(shù)之間的關(guān)系。

2 雙逆變器拓?fù)涔材ｋ妷翰畹囊种?/h2>

2.1雙逆變器拓?fù)鋽?shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1b所示的開繞組光伏發(fā)電系統(tǒng)，DC-AC側(cè)并網(wǎng)變流器可以等效為圖2所示系統(tǒng)模型。理想三相靜止坐標(biāo)系下系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可表示為[11-12]

式中 esa，esb，esc——網(wǎng)壓；

vsa，vsb，vsc——逆變器相電壓；

isa，isb，isc——并網(wǎng)電流；

Ls，Rs——線路阻抗；

S——變流器相橋臂開關(guān)函數(shù)，上橋

臂導(dǎo)通為1，下橋臂導(dǎo)通為2；

Vg1g2——直流側(cè)兩節(jié)點(diǎn)電壓。

圖2 雙逆變器光伏系統(tǒng)等效模型Fig.2 PV system equivalent model of the dual inverter

將（1）轉(zhuǎn)變?yōu)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系下為

2.2雙逆變器拓?fù)淇臻g矢量合成

通過式（2）可以看出雙逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生空間矢量vs由兩個(gè)逆變器單組產(chǎn)生空間矢量vs1、vs2合成，即vs= vs1- vs2，vs1和vs2分別是逆變器1和逆變器2的空間矢量，如圖3所示。

圖3 兩組逆變器空間矢量Fig.3 Voltage space vectors of the individual inverter

圖3 中逆變器1和逆變器2由各自的開關(guān)函數(shù)產(chǎn)生不同位置的空間矢量1～6和1′～6′，將其按空間角度排列組合即可得出雙逆變器聯(lián)合空間矢量圖如4a所示，對(duì)于合成矢量vs即可按圖4a進(jìn)行電壓空間矢量的選擇和分配。

圖4 雙逆變器空間矢量分布Fig.4 Voltage space vectors and space phase combinations of the dual inverter

2.3共模電壓差的抑制

對(duì)于雙逆變器的開繞組結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)共模電壓差如式（8）所示[13-14]

考慮開關(guān)函數(shù)作用，共模電壓差可以化簡為

通過圖2可以看出，若系統(tǒng)中存在共模電壓差，通過兩個(gè)電池板的對(duì)地電容可以形成回路，導(dǎo)致系統(tǒng)中漏電流的存在。為了抑制漏電流帶來的安全問題，必須抑制系統(tǒng)的共模電壓差。由式（4）可以看出，若理論上完全抑制系統(tǒng)共模電壓差，前提條件需要保持兩組逆變器直流側(cè)電壓相等即Vdc1=Vdc2= Vdc，在此前提下通過對(duì)圖4a中空間矢量進(jìn)行合理分配使得兩臺(tái)逆變器開關(guān)函數(shù)在開關(guān)周期內(nèi)任意時(shí)刻保持式（4）為零。在圖4a中有19個(gè)空間電壓矢量，其中七個(gè)電壓矢量對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生共模電壓差，七個(gè)電壓矢量空間位置為H、J、L、N、Q、S、O，空間分布如圖4b，七組矢量對(duì)各自逆變器產(chǎn)生共模電壓，但疊加之后系統(tǒng)共模電壓差為零，使得兩組池板負(fù)極之間不會(huì)因?yàn)榉植茧娙莸拇嬖诋a(chǎn)生漏電流。圖4b給出了不產(chǎn)生共模電壓差下的合成空間矢量，對(duì)于每個(gè)合成矢量（零矢量除外）均有兩種構(gòu)成方式，在考慮每臺(tái)逆變器具體脈沖發(fā)生時(shí)，需要在單位開關(guān)周期內(nèi)讓每臺(tái)逆變器相鄰兩個(gè)矢量作用，保證在開關(guān)周期內(nèi)每個(gè)開關(guān)只開通關(guān)斷一次。以圖4b的1扇區(qū)為例，合成矢量vs由OS和OH兩組矢量構(gòu)成，其中OS和OH的矢量長度分別為

其中θ為合成矢量運(yùn)行角度?？紤]脈沖發(fā)生規(guī)則，OS矢量由13′構(gòu)成，OH矢量由24′構(gòu)成，且

將合成矢量分配到每臺(tái)逆變器各自矢量后如圖3中vs1、vs2，vs1由1、2兩組矢量構(gòu)成，θ1為vs1的運(yùn)行角度，vs2由3′、4′兩組矢量構(gòu)成，θ2為vs2反向與α軸角度，此時(shí)矢量1和3′作用長度為

比較式（6）、式（7）可以看出

由此可以看出，逆變器1和逆變器2只需按照式（8）產(chǎn)生各自矢量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)共模電壓差抑制，而無需改變逆變器傳統(tǒng)兩電平SVPWM脈沖發(fā)生，簡化了程序設(shè)計(jì)。

3 獨(dú)立MPPT控制算法

3.1抑制共模電壓差下的功率流動(dòng)分析

由式（8）可知，為抑制系統(tǒng)共模電壓差，逆變器1和逆變器2分別發(fā)出幅值相同，角度與合成矢量vs差30°和150°的矢量vs1、vs2，而vs1和vs2即可以超前vs也可以滯后vs。vs1和vs2分解到dq坐標(biāo)系下矢量如圖5所示。

圖5 雙逆變器矢量控制框圖Fig.5 The vector control diagram of the dual inverter

穩(wěn)定直流電壓需要系統(tǒng)有功功率的傳輸平衡，即對(duì)每臺(tái)逆變器電池板的輸入功率與對(duì)應(yīng)的輸出有功功率平衡，才能維持各自的直流電壓。按圖5a矢量分布可以得出逆變器1、2對(duì)應(yīng)的輸出有功功率，如式（9）所示

其中當(dāng)isq為感性無功時(shí)，β=0°，當(dāng)isq為容性無功時(shí)，β=90°；vd1、vd2分別滯后vd30°和150°，vq1、vq2分別滯后vq30°和150°，稱此時(shí)為m狀態(tài)，如圖5a所示。在此狀態(tài)下逆變器1輸出有功Pm1，逆變器2輸出有功為Pm2。當(dāng)并網(wǎng)功率因數(shù)等于1，即isq=0時(shí)，此時(shí)兩臺(tái)逆變器輸出有功功率差值為

當(dāng)vs1和vs2超前vs30°和150°時(shí)，稱為n狀態(tài)，如圖5b，此時(shí)仍可以滿足系統(tǒng)沒有共模電壓，則式（10）中逆變器器1和逆變器2的功率差值取負(fù)號(hào)，逆變器1輸出有功為Pn1=Pm2，逆變器2輸出有功為Pn2=Pm1，此時(shí)逆變器1有功功率小于逆變器2。

通過上述功率流動(dòng)分析可知，通過調(diào)節(jié)m狀態(tài)和n狀態(tài)的空間矢量作用時(shí)間，即可以滿足對(duì)各自逆變器有功功率的調(diào)節(jié)，進(jìn)而穩(wěn)定各自中間直流電壓，滿足系統(tǒng)功率平衡。引入調(diào)節(jié)系數(shù)k（0＜k＜1），其為給定周期內(nèi)以m方式運(yùn)行的占空比，1-k即以n方式運(yùn)行的單位周期時(shí)間。

由此可見通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)k，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中間直流電壓控制。直流側(cè)電壓控制框圖如圖6所示。

圖6 雙逆變器系統(tǒng)控制框圖Fig.6 Block diagram of the whole system

通過PI輸出k來進(jìn)行各自逆變器的矢量分解，分解方法如式（12）所示（只給出d軸），將各自矢量分配給對(duì)應(yīng)逆變器進(jìn)行矢量控制。

3.2獨(dú)立MPPT控制算法

當(dāng)并網(wǎng)功率因數(shù)為1時(shí)，兩臺(tái)變流器穩(wěn)定工作時(shí)輸出有功功率差值最大如式（10）所示，即在此范圍內(nèi)均可通過PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)逆變器各自的MPPT控制，這里MPPT輸出為電壓環(huán)電壓給定值。

圖7 不同光照強(qiáng)度下I-V特性曲線Fig.7 Typical I-V curves of photovoltaic cells

圖7 為不同光照強(qiáng)度下太陽能池板的典型I-V特性曲線，其中MPPT1、MPPT2和MPPT3為不同光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)，假設(shè)2、3兩點(diǎn)為可控范圍內(nèi)，意味著PI輸出k沒有飽和，直流電壓可以分別工作在給定值；而當(dāng)兩組池板光照強(qiáng)度差異較大時(shí)，如1、3兩點(diǎn)，此時(shí)功率調(diào)節(jié)范圍超出式（10）所示，意味著兩組池板都無法工作在最大功率點(diǎn)，此時(shí)光照強(qiáng)度大的變流器由于無法輸出給定功率導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高，在這種情況下，可以將光照強(qiáng)度小的池板維持在最大功率點(diǎn)，在功率可控范圍內(nèi)，盡量提高光照強(qiáng)度大的池板的功率輸出。本文MPPT控制的基本原理為電導(dǎo)增量法[15]，電壓參考值由下式確定

式中，Vref(k)、P(k)和V(k)分別為第k個(gè)計(jì)算周期的電壓參考值、光伏池板輸出功率和光伏池板實(shí)測(cè)電壓，γ為電壓調(diào)節(jié)增量系數(shù)。

兩組池板獨(dú)立MPPT算法的流程如圖8所示，算法首先追蹤輸出功率小的光伏池板的最大功率點(diǎn)，然后根據(jù)輸出功率大的光伏池板對(duì)應(yīng)逆變器的直流電壓是否已經(jīng)跟隨指令值，來對(duì)池板功率差值是否存在控制余量進(jìn)行判斷:若誤差在直流電壓脈動(dòng)ΔVdc_error允許范圍以內(nèi)，表示尚存控制余量，繼續(xù)對(duì)輸出功率大的池板進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤；若誤差在ΔVdc_error之外，意味著PI調(diào)節(jié)已達(dá)到控制極限，此時(shí)按步長Vstep略微提高參考電壓以限制其輸出功率，以滿足式（10）的限定范圍。根據(jù)圖8的流程，在一定光照強(qiáng)度差異范圍內(nèi)，上下池板都能工作在最大功率點(diǎn)；在光照強(qiáng)度差異較大時(shí)，光照強(qiáng)度小的池板能夠追蹤到最大功率點(diǎn)，光照強(qiáng)度大的池板能夠在功率差值的控制能力內(nèi)盡可能大地逼近最大功率點(diǎn)。

圖8 獨(dú)立MPPT算法流程Fig.8 The algorithm flowchart of independent MPPT control

得到Vref1和Vref2之后，作為兩組逆變器直流電壓的指令，進(jìn)行雙PI電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制。

由上述分析可知，由于采用獨(dú)立MPPT控制，當(dāng)兩組池板光照強(qiáng)度不同時(shí)，造成直流電壓Vdc1≠Vdc2，此時(shí)系共模電壓差勢(shì)必不為零，會(huì)引起系統(tǒng)漏電流的存在。但由式（4）可以看出，共模電壓差最大不會(huì)超過Vdc1-Vdc2，且盡管光照強(qiáng)度差異較大情況下直流電壓差值仍不會(huì)出現(xiàn)較大偏差，所以當(dāng)池板光照強(qiáng)度不同時(shí)仍可以將系統(tǒng)漏電流控制在安全范圍內(nèi)，第四節(jié)會(huì)給出對(duì)應(yīng)的漏電流仿真波形。

3.3功率因數(shù)對(duì)獨(dú)立MPPT控制能力的影響

由式（9）可知考慮功率因數(shù)下兩臺(tái)逆變器有功功率差值為

由式（14）可以看出，在m狀態(tài)下給定無功電流沒有改變兩臺(tái)逆變器有功功率輸出，但改變了其有功差值，若增加感性無功電流，差值減??；若增加容性無功電流，功率差值增加，即兩臺(tái)逆變器在光照強(qiáng)度差異較大條件下工作能力增加。n狀態(tài)下感性、容性無功電流引起有功功率差值變化與m狀態(tài)相反。說明在全范圍功率調(diào)節(jié)能力受功率因數(shù)影響，功率因數(shù)越小，獨(dú)立MPPT調(diào)節(jié)范圍越寬。當(dāng)ΔP=P1，認(rèn)為逆變器1單獨(dú)提供功率，逆變器2不輸出功率，此時(shí)認(rèn)為兩臺(tái)逆變器可以在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立MPPT控制，即在最極端光照條件下，一臺(tái)逆變器不輸出有功功率，發(fā)電系統(tǒng)仍可以工作，結(jié)合式（9）、式（14），可以得出單臺(tái)逆變器不輸出功率的d、q軸電流極限關(guān)系式

式（15）代表含義是如果d、q軸電流滿足此關(guān)系式，則此時(shí)兩臺(tái)逆變器在全功率范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立MPPT控制，不受變流器功率平衡約束。令iq=0得出在功率因數(shù)為1下能夠滿足全范圍調(diào)節(jié)的d軸電流表達(dá)式為

當(dāng)d軸電流大于此關(guān)系式時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)全范圍調(diào)節(jié)，即PI輸出功率調(diào)節(jié)系數(shù)k小于1，沒有飽和。

在此定義比例系數(shù)m為全范圍實(shí)現(xiàn)獨(dú)立MPPT控制能力，m=ΔP/(P1+P2)，0＜m＜1，m越大說明調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，做出功率因數(shù)、功率等級(jí)和m之間關(guān)系示意圖如圖9所示。隨著功率等級(jí)的提升，實(shí)現(xiàn)在全范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的功率因數(shù)越接近于1，當(dāng)超過式（16）的功率限定時(shí)，功率因數(shù)為1即可滿足全范圍調(diào)節(jié)。

圖9 功率因數(shù)、功率等級(jí)對(duì)獨(dú)自MPPT能力影響Fig.9 Influence of power factor and power level on the MPPT control ability

通過上述分析可知，當(dāng)功率等級(jí)超出一定范圍時(shí)，光伏系統(tǒng)可以在全功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立MPPT控制，即可以實(shí)現(xiàn)一組池板滿發(fā)而另一組池板不輸出功率的極限情況；當(dāng)功率等級(jí)較小時(shí)，可以通過在允許范圍內(nèi)降低功率因數(shù)來提高光伏系統(tǒng)在光照強(qiáng)度相差較大條件下獨(dú)立MPPT工作范圍，達(dá)到效率進(jìn)一步優(yōu)化的目的。

光伏發(fā)電系統(tǒng)額定工作下為單位功率因數(shù)并網(wǎng)，但對(duì)于系統(tǒng)中多臺(tái)變流器可分別進(jìn)行功率因數(shù)超前滯后調(diào)節(jié):對(duì)光照強(qiáng)度差異較大變流器發(fā)容性無功，增加獨(dú)立MPPT工作范圍；對(duì)光照強(qiáng)度差異較小變流器發(fā)感性無功，降低變流器功率輸出差異不影響?yīng)毩PPT跟蹤，使得系統(tǒng)整體對(duì)外功率因數(shù)為1。功率因數(shù)對(duì)獨(dú)立MPPT工作范圍的影響也可以應(yīng)用在故障情況下，當(dāng)一組變流器無法工作在滿額狀態(tài)下(散熱能力不足等原因)，則可以通過適當(dāng)改變功率因數(shù)使得另外一臺(tái)變流器工作在滿額狀態(tài)。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中也可以通過加入適當(dāng)弱磁電流，擴(kuò)大兩組變流器有功功率輸出的差異，適合于功率分配不均的特殊工況。

4 仿真結(jié)果

使用Matlab-simulink對(duì)雙逆變器串聯(lián)光伏并網(wǎng)變流器進(jìn)行了建模仿真。光伏池板的模型建模參數(shù)按照下表選取[16]，逆變器采用圖6控制策略。仿真條件為:并網(wǎng)點(diǎn)交流電壓380Vrms/50Hz，系統(tǒng)開關(guān)頻率3kHz，上下組直流電容為5mF，交流濾波電感為3mH，MPPT控制參數(shù)ΔVdc_error=10V，Vstep=1V，γ=0.01。

表 光伏電池板模型參數(shù)Tab. Parameters of photovoltaic cell model

圖10為兩組池板光照強(qiáng)度差異較小時(shí)的仿真結(jié)果，其中池板2太陽輻射強(qiáng)度（W/m2）給定800?？梢钥闯龀匕甯髯宰粉櫟阶约旱淖畲蠊β庶c(diǎn)，兩組池板直流電壓工作在最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓值，證明直流電壓穩(wěn)定控制的正確性，同時(shí)系統(tǒng)共模漏電流在安全范圍內(nèi)[17]（模板模擬漏電容10μF/kW[18]），驗(yàn)證了抑制共模電壓控制算法的有效以及在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)的正常并網(wǎng)；逆變器1和逆變器2的線電壓va1b1、va2b2為兩電平，但開繞組結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)三相電路相比，由于進(jìn)行矢量調(diào)配的逆變器端電壓由逆變器1和逆變器2疊加而成，所以此時(shí)系統(tǒng)實(shí)際線電壓應(yīng)該定義為（va1b1-va2b2），仿真結(jié)果顯示合成線電壓為三電平，即起到了傳統(tǒng)NPC拓?fù)湎嗤碾娖絻?yōu)勢(shì)。

圖10 光照強(qiáng)度差異較小時(shí)并網(wǎng)變流器仿真波形Fig.10 Simulation waveforms of grid connected inverter with the light unbalance illumination intensity

圖11 為光照強(qiáng)度差異較大下的仿真結(jié)果，其中池板2太陽輻射強(qiáng)度（W/m2）給定600?？梢钥闯鲇捎诠β收{(diào)節(jié)能力的受限，池板2滿足此光照條件的最大功率輸出，而池板1無法追蹤到自己最大工作點(diǎn)，其輸出功率下降到14.8kW，此時(shí)用于調(diào)節(jié)功率的電壓環(huán)PI輸出飽和。由于直流電壓Vdc1≠Vdc2，系統(tǒng)漏電流增加但仍在安全范圍內(nèi)，同時(shí)并網(wǎng)電流滿足功率平衡。在上述光照強(qiáng)度差異較大條件下給定5A的容性無功電流，仿真結(jié)果如圖12所示。池板1和2都能工作在此輻射強(qiáng)度下各自的最大功率點(diǎn)，說明了降低一定的功率因數(shù)，有助于提高系統(tǒng)追蹤最大功率點(diǎn)的能力，提升極端光照強(qiáng)度下的發(fā)電效率。

圖11 光照強(qiáng)度差異較大下并網(wǎng)變流器仿真波形Fig.11 Simulation waveforms of grid connected inverter with the heavy unbalanced illumination intensity

圖12 光照強(qiáng)度差異較大下給定無功電流并網(wǎng)變流器仿真波形Fig.12 Simulation waveforms of grid connected inverter for given reactive current with the heavy unbalanced illumination intensity

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用DSP28335對(duì)本文提出的雙逆變器串聯(lián)系統(tǒng)無共模電壓差下系統(tǒng)控制算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并在兩臺(tái)兩電平實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。其中直流側(cè)采用兩組光伏模擬電源，并按照表2中參數(shù)模擬兩組串聯(lián)池板，其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)同仿真條件相同。

圖13和圖14為光照強(qiáng)度差異較大條件下的實(shí)驗(yàn)波形，池板1、2光照強(qiáng)度同仿真相同。沒有給定容性無功電流時(shí)，池板輸出功率差異超出此時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)MPPT的范圍，池板2達(dá)到其最大功率點(diǎn)，輸出功率為8.7kW，對(duì)應(yīng)直流電壓391V；限制池板1輸出功率為14.5kW，維持其直流電壓為413V，如圖13所示。當(dāng)給定5A容性無功電流時(shí)，增加系統(tǒng)獨(dú)立MPPT調(diào)節(jié)范圍，使得兩組池板能夠分別實(shí)現(xiàn)自己的獨(dú)立MPPT控制，穩(wěn)態(tài)時(shí)池板1、2輸出功率分別為15kW和8.7kW，對(duì)應(yīng)直流電壓399V和391V如圖14所示。

圖13 光照強(qiáng)度差異較大下并網(wǎng)變流器實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveforms of grid connected inverter with the with the larger different illumination intensity

圖14 給定無功電流并網(wǎng)變流器實(shí)驗(yàn)波形Fig.14 Experimental waveforms of grid connected inverter with the reactive current

6 結(jié)論

本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立MPPT控制的新型雙逆變器串聯(lián)光伏并網(wǎng)逆變器，同傳統(tǒng)NPC三電平相比優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:①省略鉗位二極管，降低初始成本；②兩組池板可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的MPPT控制，提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率；③無需中點(diǎn)平衡控制。

基于該逆變器串聯(lián)拓?fù)?，文中進(jìn)一步提出抑制光伏系統(tǒng)共模電壓差的方法和在抑制共模電壓差調(diào)制方式基礎(chǔ)上雙PI電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的并網(wǎng)控制策略，并實(shí)現(xiàn)了兩組光伏池板的獨(dú)立MPPT控制。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，上述控制策略消除了兩組逆變器共模電壓差對(duì)漏電流的影響；當(dāng)兩組池板的光照強(qiáng)度差異不大時(shí)，能夠使池板均工作在最大功率點(diǎn)；在兩組池板的光照強(qiáng)度差異較大時(shí)，能夠使光照強(qiáng)度較小的池板工作在最大功率點(diǎn)，光照強(qiáng)度較大的池板工作在獨(dú)立控制能力范圍內(nèi)的最大功率點(diǎn)處；當(dāng)提供一定無功電流時(shí)，能夠拓寬兩組池板的獨(dú)立MPPT工作范圍，保證池板在光照差異較大下也可跟蹤各自的最大功率點(diǎn)。證明該拓?fù)錈o論在降低硬件成本還是提升發(fā)電效率上都有其優(yōu)勢(shì)，具備較大應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王飛, 余世杰, 蘇建徽. 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2005, 20(5)： 72-74.

Wang Fei, Yu Shijie, Su Jianhui. Research on photovoltaic grid-connected power system[J]. Transactions of China Electrotechnical of Society, 2005, 20(5)： 72-74.

[2] Kjaer S, Pedersen J, Blaabjerg F. A review of single phase grid-connected inverters for photovoltaic modules [J]. IEEE Transactions on Industry Application, 2005, 41(5)： 1292-1306.

[3] Park J H, Ahn J Y, Cho B H. Dual module based maximum power point tracking control of photovoltaic systems[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 2006, 53(4)： 1036-1047.

[4] Nabae A, Takahahii I, Akagi H. A new neutral-point clamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1981, 17(5)： 518-523.

[5] 謝路耀, 金新民, 吳學(xué)智. NPC基于零序注入的NPC三電平變流器中點(diǎn)電位反饋控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(12)： 117-128.

Xie Luyao, Jin Xinmin, Wu Xuezhi. Neutral point voltage feedback control based on zero sequence injection for NPC three-level converter[J]. Transactions of China Electrotechnical of Society, 2012, 27(12)：117-128.

[6] 肖華鋒, 楊晨, 謝少軍. NPC三電平并網(wǎng)逆變器共模電流抑制技術(shù)研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 12(33)： 23-29.

Xiao Huafeng, Yang Chen, Xie Shaojun. NPC Threelevel grid-connected inverter with leakage current suppression[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 12(33)：23-29.

[7] 姚文熙, 王斯然, 劉森森, 等. 三電平空間矢量調(diào)制中的共模分量[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(4)：108-113.

Yao Wenxi, Wang Siran, Liu Sensen, et al. Commonmode parts in SVM of three-level inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(4)：108-113.

[8] 宋文祥, 艾芊, 云偉俊, 等. 基于矢量分區(qū)的三電平SVPWM模式零序分量分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(12)： 102-108.

Song Wenxiang, Ai Qian, Yun Weijun, et al. Zerosequence signal of space vector modulation for threelevel neutral-point-clamped Inverter based on vector diagram partition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(12)： 102-108.

[9] 姜衛(wèi)東, 王群京, 李爭, 等. 中點(diǎn)電壓偏移對(duì)SVM控制的三電平逆變器的影響及補(bǔ)償措施[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 21(9)： 76-80.

Jiang Weidong, Wang Qunjing, Li Zheng, et al. Effect of neutral-point voltage unbalance of three-level inverter controlled by SVM and compensation method [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 2006, 21(9)： 76-80.

[10] 李永東, 肖曦. 大容量多電平變換器[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 2005.

[11] 年珩, 周義杰, 李嘉文. 基于開繞組結(jié)構(gòu)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2013, 17(4)： 80-85.

Nian Heng, Zhou Yijie, Li Jiawen. Control strategy of permanent magnet wind generator based on open winding configuration[J]. Elecreic machines and control, 2013, 17(4)： 80-85.

[12] 李嘉文. 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)新型拓?fù)浼翱刂撇呗匝芯縖D]. 杭州： 浙江大學(xué), 2012.

[13] Baiju M R, Mohapatra K K, Kanchan R S. A dual two-level inverter scheme with common mode voltage elimination for an induction motor drive[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(3)：794-803.

[14] 朱笑聰. 基于雙逆變器的開放式繞組PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

[15] 楊永恒, 周克亮. 光伏電池建模及MPPT控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 39(4)： 229-234.

Yang Yongheng, Zhou Keliang. Photovoltaic cell modeling and MPPT control strategies[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 39(4)： 229-234.

[16] 茆美琴, 余世杰, 蘇建徽. 帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2005, 17(5)： 1248-1251.

Mao Meiqin, Yu Shijie, Sujianhui. Versatile matlab simulation model for photovoltaic array with MPPT function[J]. Journal of System Simulation, 2005, 17(5)：1248-1251.

[17] 馬琳, 金新民. 無變壓器結(jié)構(gòu)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)共模漏電流分析[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2009, 7(30)： 884-888.

Ma Lin, Jin Xinmin. Leakage current analysis of a singlephase transformerless PV inverter connected to the grid[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 7(30)：884-888.

[18] 吳學(xué)智, 尹靖元, 楊捷. 新型的無隔離變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器器[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(10)：2712-2718.

Wu Xuezhi, Yin Jingyuan, Yang Jie. A novel singlephase grid-connected photovoltaic inverter without isolation transformer[J]. Power System Technology, 2013, 37(10)： 2712-2718.

A Novel PV Grid-Connected Converter with Independent MPPT Control for Two Sets of PV Cells Using Dual Series Inverters Topology

Yin Jingyuan Jin Xinmin Yang Jie Wu Xuezhi Li Jinke
（1.The Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. National Active Distribution Network Technology Research Center (NANTEC) Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

For meeting the demands of PV grid-connected system on large capacity and high efficiency, a novel dual series inverter topology is proposed in this paper. By establishing the mathematic model of the dual series inverters system, the method of the modulation with differential value of common current eliminating is implemented. Then the stable control of dual-DC voltage and the independent MPPT control of dual series photovoltaic cells are presented not only reducing the initial cost of the PV system but improving the generating efficiency. Simulation and experiments are made to verify the feasibility of proposed topology and the goodness of strategy.

PV power systems, dual series inverters, differential value of CM(common-mode) voltage, maximum power point tracking(MPPT)

TM464

尹靖元 男，1987年生，博士，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電并網(wǎng)技術(shù)、大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51307158)。

2014-9-10

金新民 男，1950年生，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。