一種級聯(lián)多電平光伏逆變器的Matlab仿真研究

趙鋒，王朋，王朝，班鈺

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京　100083）

一種級聯(lián)多電平光伏逆變器的Matlab仿真研究

趙鋒，王朋，王朝，班鈺

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083）

論文討論一種級聯(lián)多電平光伏逆變器拓?fù)洌治隽似湓谳d波移相SPWM調(diào)制下的工作狀況，得出不同調(diào)制度下輸出電壓特性與調(diào)制度之間的關(guān)系。最后，利用Matlab平臺對逆變器建模仿真，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

多電平；載波移相SPWM；光伏逆變器；調(diào)制度

0　引言

隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，可再生能源變得越來越重要以滿足當(dāng)今社會對能源的需求。而太陽能以其清潔、環(huán)保、可持續(xù)等特點(diǎn)備受關(guān)注。作為光伏系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，光伏逆變器的性能直接決定了太陽能利用效率的高低［1］。因此，改善和提升光伏逆變器的工作性能已成為國內(nèi)外本領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)［2，3］。

本文通過H橋級聯(lián)得到一種多電平逆變器，其由于電平數(shù)多，使得輸出電壓諧波含量低，同時可以有效地減小開關(guān)損耗，因此該拓?fù)湓诟邏捍蠊β使夥到y(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。針對文中所提出的級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用Matlab建立了其仿真模型并對其進(jìn)行了載波移相SPWM調(diào)制（CPS-SPWM），通過對逆變電路在不同調(diào)制度下輸出電壓電流波形的研究，得到調(diào)制度與輸出電壓電平數(shù)及其基波幅值之間的關(guān)系。

1　級聯(lián)光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

級聯(lián)多電平逆變器通常是由若干個單相逆變器串聯(lián)而成，對于每一個單相逆變器中均含有獨(dú)立的直流電源。同二極管鉗位型逆變器和飛跨電容式逆變器相比，級聯(lián)多電平逆變器中無需大量的鉗位二極管或電容，同時也不會出現(xiàn)直流電壓中性點(diǎn)偏移等問題［4］。本文提出級聯(lián)多電平逆變器為便于分析討論，只選取兩個單相逆變器單元串聯(lián)而成，其最終的相電壓由各單元的電壓疊加得到。由于各功率單元是相對獨(dú)立的，其之間并沒有關(guān)聯(lián)，故無需考慮均壓問題，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　級聯(lián)多電平光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of the cascaded multi-level photovoltaic inverter

2　調(diào)制方式的選擇與實(shí)現(xiàn)

合理地選擇PWM調(diào)制方法，可以使逆變器具有理想的輸出波形，同時提升逆變器的效率。目前應(yīng)用于級聯(lián)逆變器最常見的脈寬調(diào)制方式主要包括：空間矢量調(diào)制技術(shù)、多載波SPW技術(shù)和載波移相SPWM技術(shù)（CPS-SPWM）［5］?？臻g矢量調(diào)制技術(shù)如應(yīng)用于多電平逆變器中，其會隨著輸出電平數(shù)的增加而使得控制算法變得更加復(fù)雜。而多載波SPWM技術(shù)結(jié)合其自身特點(diǎn)，會造成各級連單元的開關(guān)頻率不統(tǒng)一，從而導(dǎo)致功率電路的難以模塊化。

針對基于H橋級聯(lián)而成的多電平光伏逆變器，載波移相SPWM技術(shù)顯得最為適合。其最初就是針對具有等電壓的單元級聯(lián)電路提出的，其實(shí)現(xiàn)方式是對級聯(lián)各H橋采取相同的正弦波脈寬調(diào)制方式，通過改變各橋之間載波的相移使各單元電壓脈沖在相位上相互錯開，從而疊加得到多電平波形。

當(dāng)級聯(lián)多電平光伏逆變器采取CPS-SPWM調(diào)制方式時，不僅可以用較低開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)高載波頻率的結(jié)果，同時其在結(jié)構(gòu)上所用元器件較少，便于模塊化的研究。本文將結(jié)合文中所提拓?fù)渚虲PS-SPWM原理加以分析說明。

可以看出文中提出的逆變器是基于兩H橋模塊結(jié)構(gòu)級聯(lián)而成，當(dāng)使用CPS-SPWM調(diào)制時，需采用4列三角載波移相PWM來驅(qū)動各橋中的每一個橋臂。依據(jù)CPS-SPWM的原理，對于N個功率單元級聯(lián)，其三角載波的相位差為π/N，N=2，故可確定相位差為π/2。由于各個橋臂中的功率開關(guān)器件驅(qū)動規(guī)律類似，僅存在相位查的區(qū)別，故僅對上橋中S1和S2的開通方式加以分析說明。當(dāng)初始相位為0的三角載波與調(diào)制正弦波進(jìn)行比較，當(dāng)正弦波高于三角波時則輸出信號為高電平（對應(yīng)仿真中SPWM1信號），其用于驅(qū)動上橋左半橋中的S1；而與SPWM1互補(bǔ)的信號SPWM2（即在仿真中對SPWM1取反）用于驅(qū)動上橋左半橋中的S2，由此可見，S1和S2的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的。同理，對于S3和S4，S5和S6，S7和S8而言，其驅(qū)動信號都是成對互補(bǔ)的，僅在合成驅(qū)動脈沖信號的三角載波初始相位上依次存在π/2、π、3π/2的差別，故不再贅述。

3　仿真設(shè)計與分析

為了對文中所提出的級聯(lián)光伏逆變器在CPS-SPWM的調(diào)制策略進(jìn)行驗(yàn)證，在Matlab/Simmulink環(huán)境中對級聯(lián)光伏逆變器進(jìn)行了仿真研究，如圖2所示。仿真算法為ode23tb，最大仿真步長為1E-6，仿真時間為0.2s。其中原拓?fù)渲械奶柲馨逵脙蓚€獨(dú)立的直流電源代替，U1=U2=50V。PWM的信號來源可以通過構(gòu)建一個Subsystem子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。這個子系統(tǒng)中通過對三角波發(fā)生器（依次相位差π/2）與正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的信號進(jìn)行比較，及對比較結(jié)果進(jìn)行取反，便可得一組成對的驅(qū)動信號，用于驅(qū)動同一橋臂上的兩個開關(guān)元器件，其中三角載波頻率設(shè)為1kHz，正弦調(diào)制波頻率設(shè)為50Hz。而對于H橋模塊及負(fù)載模塊調(diào)用鏈接后設(shè)置參數(shù)即可，取R=30Ω，L=30mH。

圖2　級聯(lián)多電平光伏逆變器的Matlab/Simulink仿真模型Fig.2 Simulation model of the cascaded multi-level photovoltaic inverter

圖3　CPS-SPWM發(fā)生器的Matlab/Simulink仿真模型Fig.3 Scheme of CPS-SPWM generation

為了觀察不同調(diào)制度下光伏逆變器的輸出特性，分別取調(diào)制度為M=0.25、M=0.5、M=0.75、M=1時的仿真波形進(jìn)行分析比較，如圖4所示。

圖4　不同調(diào)制度下輸出電壓的仿真波形Fig.4 The waves of output voltage with different M

由圖4可以看出，M=1和M=0.75時，輸出電壓為5電平，明顯多于M=0.25和M=0.5時的3電平，同時通過對比不同調(diào)制度下的電壓輸出波形，可以看出當(dāng)M大于0.5時，其電壓的基波幅值也會超過基波幅值最大值的一半；當(dāng)M小于0.5時，其電壓基波幅值也會隨之變化，變得小于基波幅值最大值的一半。由此可以得出結(jié)論：負(fù)載的電壓及電流輸出特性與調(diào)制度相關(guān)，輸出電壓的電平數(shù)會隨調(diào)制度的增大而增多，同時在輸出電壓電流頻率與調(diào)制度頻率相同時，輸出電壓的基波幅值與調(diào)制度M成正比關(guān)系。

4　結(jié)束語

本文通過對一種級聯(lián)光伏逆變器在載波移相SPWM調(diào)制下的原理進(jìn)行分析，并基于Matlab仿真平臺搭建拓?fù)淠Ｐ停ㄟ^比較不同調(diào)制度下輸出特性，得到了調(diào)制度與輸出電壓電平數(shù)及調(diào)制度與輸出電壓基波幅值的關(guān)系，驗(yàn)證了此級聯(lián)光伏逆變器在光伏系統(tǒng)中的可行性與正確性。

［1］高素玲，吳欣慧，劉密富.光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略研究及仿真［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2013，2.

［2］張厚升，趙艷雷.單相雙級式光伏并網(wǎng)逆變器［J］.電力自動化設(shè)備，2010，8.

［3］于晶榮，曹一家，等.單相單級光伏逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤方法［J］.儀器儀表學(xué)報，2013，1.

［4］彭方正，錢照明，等.現(xiàn)代多電平逆變器拓?fù)洌跩］.變流技術(shù)與電力牽引，2006，5.

［5］韋寶泉，胡文華，曾建軍.基于DS P的單相橋式級聯(lián)逆變器S PWM的研究［J］.工礦自動化，2010，5.

Simulation and Analysis of a Cascaded Multi-level Photovoltaic Inverter

ZHAO Feng，WANG Peng，WANG Zhao，BAN Yu
（School of Mechanical Electronic&Information，China University of Mining&Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

In this paper，a cascaded multi-level photovoltaic inverter is dicussed.The working modes of the proposed topology under the situation of CPS-SPWM have been analyzed.The relationship between output characteristics with different modulation ratio is given.In final，the Matlab results were presented to validate the theoretical analysis.

multi-level；CPS-SPWM；photovoltaic inverter；modulation ratio

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.025

1002-6673（2015）01-070-03

2014-10-30

趙鋒（1988-），男，博士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動；王朋，電氣工程與自動化專業(yè)（本科）。