局部陰影條件下基于MMC換流器的光伏并網(wǎng)

羅誠安，于惠鈞，李 林，閔 婕

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

局部陰影條件下基于MMC換流器的光伏并網(wǎng)

羅誠安，于惠鈞，李 林，閔 婕

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

提出了局部陰影條件下基于模塊化多電平（MMC）的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，并設計了該系統(tǒng)的控制策略。光伏陣列經(jīng)DC-DC變換電路調(diào)節(jié)后并入電壓源型換流器，構成子模塊PSM，子模塊PSM和電抗器串聯(lián)組成MMC。控制系統(tǒng)包括啟?？刂啤⒆畲蠊β庶c控制以及并網(wǎng)控制。啟?？刂?，在能量反饋階段采用直流電壓控制策略，在電容放電階段采用三相同時放電策略；最大功率點跟蹤控制采用擾動觀測法。利用Matlab/Simulink對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行仿真，仿真結果表明：該系統(tǒng)能提高太陽能利用率，降低并網(wǎng)輸出波形的諧波含量，實現(xiàn)功率獨立控制。

局部陰影；模塊化多電平逆變器；光伏并網(wǎng)；最大功率點跟蹤

0 引言

近年來，環(huán)境污染和能源枯竭的問題越來越嚴重，許多國家開始重視環(huán)保并積極地開發(fā)清潔能源。太陽能作為一種具有可再生性的清潔能源，成為了各國爭相開發(fā)和研究的對象[1]。我國開發(fā)和利用太陽能、優(yōu)化能源結構的步伐也在不斷加快，并走在了世界前列。隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，太陽能發(fā)電的裝機容量得到了大幅提升的同時，一些問題也相繼顯現(xiàn)出來，如發(fā)電效率和輸出電壓等級低等[2]。

當光照發(fā)生變化時，光伏陣列（photovoltaic array，PV）的性能、輸出特性等都會隨之變化。因此，國內(nèi)外學者對局部陰影條件下最大功率點跟蹤算法（maximum powerpoint tracking，MPPT）進行了大量研究[3-8]。文獻[3]提出了一種新型的電感拓撲結構，在光照強度分配不均勻的情況下，零序電流和負序電流通過接在不同組件之間的電感實行分流，進而提高輸出效率。文獻[4]提出了一種基于干擾觀測法的最大功率點跟蹤算法，該算法提高了光電的轉換效率和電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。文獻[5]研究了粒子群優(yōu)化算法在光伏陣列多峰值的最大功率點跟蹤控制中的應用，設計了一種具有較高魯棒性的模糊控制器。文獻[6]提出了在局部陰影條件下光伏陣列的最大功率跟蹤算法，但是該算法實現(xiàn)較困難。

為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓等級，學者們提出了逆變輸出多電平電壓，以此減小諧波，提高電能質(zhì)量。文獻[9]提出了一種基于MMC（modular multilevel converter）的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)的造價過高，算法實現(xiàn)較難。文獻[10]提出了基礎MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，將功率單元改為半橋式結構，實現(xiàn)了相近的控制，還增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻[11]提出了一種新的調(diào)制策略，該策略能實現(xiàn)MMC上下橋臂的平衡控制，很好地解決了級聯(lián)式MMC應用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的技術難題。

綜上所述，本文提出了一種在局部陰影條件下基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。本系統(tǒng)能在光照分配不均勻時實現(xiàn)光伏的最大功率點跟蹤，提高了光能利用率；具有較高的電壓等級，降低了光伏逆變輸出對電網(wǎng)的諧波污染；實現(xiàn)了有功功率和無功功率的單獨控制，并無需進行額外的無功補償。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結構

本文所設計的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用級聯(lián)式模塊化多電平（MMC）結構，如圖1所示。MMC每相由上下2個橋臂組成，每個橋臂由N個子模塊PSM（photovoltaic array sub-module，PSM）和1個電抗器L串聯(lián)組成[12]。

MMC子模塊的結構如圖2所示。圖中，VSC（vehicle stability control）換流器是由2個絕緣柵雙極型晶體管（T1, T2）、2個反向二極管（D1, D2）和1個電容C構成的半H橋結構。

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，PV經(jīng)DC-DC變換電路進行升降壓變換，以滿足逆變時直流側的電流要求；控制直流側電壓能實現(xiàn)光伏陣列的最大功率點跟蹤；通過脈沖寬度調(diào)制技術（pulse width modulation，PWM）觸發(fā)或關斷子模塊上的開關器件，控制子模塊的投入或切出，以保證子模塊的電壓恒定、輸出電壓的穩(wěn)定，實現(xiàn)功率的獨立控制。本文所設計的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能實現(xiàn)交流側的多電平輸出、功率的獨立控制，具有輸出電壓諧波小、輸出效率高等優(yōu)點。

圖1 基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結構圖Fig. 1 Topological structures of grid-connected PV system based on MMC

圖2 子模塊結構圖Fig. 2 PSM structures

1.2 PSM的工作原理

通過調(diào)節(jié)上下橋臂的電壓比率，同時串聯(lián)疊加各子模塊的輸出電壓，就可以在交流側得到所期望的多電平電壓。上下橋臂間電壓比率是通過調(diào)整上橋臂PSM的投入運行模塊數(shù)Np以及下橋臂PSM的投入運行模塊數(shù)Nn來實現(xiàn)，即通過設置T1、T2的不同開關狀態(tài)實現(xiàn)Np、Nn的控制。子模塊PSM的工作狀態(tài)分為3種情況。

1）閉鎖狀態(tài)

閉鎖狀態(tài)下，T1和T2同時處于關斷狀態(tài)。當系統(tǒng)處于初始狀態(tài)或出現(xiàn)故障時，PSM會被強制閉鎖，如圖3所示。由圖可知，上下橋臂的所有IGBT都處于關閉狀態(tài)。當沒有電流流進或流出PSM時，PV對電容進行充電。當有電流正向流入PSM時，子模塊電流ipsm通過續(xù)流二極管D1和光伏陣列PV一起向電容充電；反之，ipsm通過反向二極管D2流出PSM，由光伏陣列產(chǎn)生的電流ipv對電容進行充電。

圖3 閉鎖狀態(tài)時子模塊的工作情況Fig. 3 Working condition of PSM in the lock-out state

2）投入狀態(tài)

投入狀態(tài)下，T1導通，T2關斷，如圖4所示。由圖可知，如果電流ipsm是流入狀態(tài)，則電流ipsm與光伏陣列產(chǎn)生的電流ipv共同向電容C充電（見圖4a）。如果電流ipsm是流出狀態(tài)，則當光伏陣列電流ipvipsm時，PV向電容充電，電容電壓UC上升，PSM的輸出電壓為UC，投入工作的子模塊PSM數(shù)量增加（見圖4c）；當ipv=ipsm時，電容處于平衡狀態(tài)，PV產(chǎn)生的電流通過T1流出子模塊。

圖4 投入狀態(tài)時子模塊的工作情況Fig. 4 Working condition of PSM in the input state

3）切出狀態(tài)

切出狀態(tài)下，子模塊PSM的工作情況如圖5所示。電流ipsm正向流入時，經(jīng)T2流出，由PV向電容C充電；當ipsm為流出狀態(tài)時，ipsm通過反向二極管D2流出，也是由PV向電容C充電，但投入工作的子模塊數(shù)量減少。

圖5 切出狀態(tài)時子模塊的工作情況Fig. 5 Working condition of PSM in the cut-out state

綜合以上分析結果可以得知，只需要根據(jù)模塊電流ipsm制定合理的控制方案，控制PSM中全控器件的開通及關斷，即可使輸出電壓為最大功率點電壓，從而實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出，控制功率的輸入輸出平衡。

2 控制策略

本文對MMC控制系統(tǒng)進行改進，設計了基于MMC光伏并網(wǎng)的控制策略?？刂撇呗园▎⑼？刂?、最大功率點跟蹤控制、并網(wǎng)控制。

2.1 啟?？刂?/p>

MMC裝置的啟動過程可以分為不可控階段和可控階段[11]。不可控階段中，所有的子模塊PSM都處于閉鎖狀態(tài)，模塊化多電平結構近似的等效于三相六脈波的不可控電路。光伏陣列給電容充電，電流ipv達到最大值時，電容電壓UC能達到Us（Us為交流輸出端線電壓的有效值）。進入可控階段后，在光伏陣列和電流ipsm共同作用下繼續(xù)向電容充電，充電電流i=ipv+ipsm。當UC達到額定值時，MMC進入正常工作狀態(tài)。

MMC裝置的停機一般分為正常檢修停機和故障緊急停機。本文僅對正常檢修停機進行分析。該過程可以分為能量反饋階段和電容放電階段。

能量反饋階段，MMC與交流系統(tǒng)之間交換的有功功率和無功功率分別為

式中：Ub為交流輸出端基波有效值，

X為與交流系統(tǒng)連接的等效連接阻抗；

因此，在能量反饋階段，采用直流電壓控制策略控制光伏陣列的直流電壓Udc，使其不斷下降，當Udc下降至1.633Us時，整個能量反饋過程完成。

電容放電階段，本文采用三相同時放電策略。以其中一相進行說明：控制器接收到放電指令后，首先斷開交流側斷路器，封鎖觸發(fā)脈沖；然后先將上橋臂的PSM1進行放電，使傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率逐步降低至零，再對PSM2進行放電，以此類推，待所有子模塊都放電完畢時閉鎖MMC，從而實現(xiàn)MMC的停機控制。

2.2 最大功率點跟蹤控制

目前，光伏陣列的最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）算法有電導增量法和擾動觀測法[13]。電導增量法雖然響應較快，但其存在控制精度要求較高、噪聲大、測量誤差較大等問題。而擾動觀測法更易于硬件實現(xiàn)，控制算法簡單。因此本文采用擾動觀測法實現(xiàn)最大功率點跟蹤。

根據(jù)圖1分析可知，最大功率點的跟蹤受電容電壓的影響，電容電壓由子模塊電流ipsm和光伏陣列電流ipv共同作用，通過控制子模塊IGBT的開通與關斷實現(xiàn)功率控制。因此，本文選取某橋臂的第i個模塊的電壓增量ΔUi作為擾動步長，其是控制IGBT的開通與關斷的依據(jù)。

控制流程設置為：當ΔUi>0時，子模塊電容電壓Uc在下一時刻應該增大，子模塊的電容進入充電狀態(tài)，若此時ipsm>0，則T1導通，T2關斷；若ipsm<0，則T1關斷，T2導通。同理，當ΔUi<0時，則電容電壓Uc下降，電容處于放電狀態(tài)，若ipsm>0，則T1關斷，T2導通；若ipsm<0，則T1導通，T2關斷。

最大功率點跟蹤控制器如圖6所示。圖中U為最大功率點跟蹤控制器的輸入量，ip,ref為橋臂電流參考值。

圖6 光伏陣列的最大功率點跟蹤控制Fig. 6 Diagram of maximum power point tracking control of PV arrays

2.3 并網(wǎng)控制

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，MMC的數(shù)學模型如式（3）所示。

式中：R為逆變側的等效電阻；

L為橋臂上串聯(lián)電抗器的電抗；

Ud,Uq分別為MMC交流側電壓的d-q軸分量；

Us,d,Us,q分別為交流電網(wǎng)電壓的d-q軸分量。

從式（3）可以看出：MMC交流側電流的d-q軸分量id,iq會受到交流側電壓Ud,Uq以及交流電網(wǎng)電壓Us,d,Us,q的影響，同時還具有一定的耦合效應。為了去耦合，令

式中：ω為工頻；

ΔUd、ΔUq分別為d-q軸耦合因子。

式中：id,ref、iq,ref分別為d軸電流和q軸電流的參考值；

Kp、Ki分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)。

MMC并網(wǎng)逆變電路的解耦控制器如圖7所示。此控制器為雙閉環(huán)控制器，包含外環(huán)直流母線PI控制器1個，內(nèi)環(huán)有功和無功電流PI控制器各1個。圖中：U*dc為直流側電壓的參考值，經(jīng)過調(diào)制后獲得MMC各子模塊投入或切除的控制信號；為電流有功分量的參考值，由直流母線電壓PI控制器給定。

圖7 系統(tǒng)并網(wǎng)控制原理圖Fig. 7 The grid control diagram of system

3 仿真分析

3.1 參數(shù)設置

為了驗證局部陰影下基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的有效性、可行性，本文利用Matlab/Simulink搭建了該系統(tǒng)模型，采用擾動觀測法追蹤光伏最大功率點。PV陣列的相關參數(shù)設置如表1所示。

表1 PV陣列參數(shù)設置Table 1 Parameters of PV modules

基于MMC光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)設置如表2所示。仿真中，0.5 s前為正常光照下，光照強度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃；0.5 s后受局部陰影影響，光照強度為800 W/m2，溫度為25 ℃。為了降低逆變后輸出電壓諧波的畸變度，上下橋臂各設置8個PSM子模塊，三相一共48個子模塊。光伏陣列的輸出電壓通過BOOST電路進行調(diào)壓，再通過MMC逆變，最后經(jīng)過變壓器升壓至35 kV并入電網(wǎng)。

表2 仿真系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of simulation system

3.2 仿真結果

圖8為MMC子模塊的電容電壓仿真波形，其額定值為500 V。

圖8 光照變化時子模塊的電容電壓波形圖Fig. 8 Capacitance voltage of sub-modules in light changing

由圖8可以看出：啟動時，子模塊的電容電壓迅速達到500 V左右的穩(wěn)態(tài)值，波紋為±10 V，波動率為2%，可知，正常光照下，橋臂上的各個光伏陣列都能工作在最大功率點；0.5 s后，光照條件變?yōu)榫植筷幱?，光照強度?00 W/m2，受光照強度下降的影響，子模塊電壓輕微回落后，又迅速回到額定電壓附近波動，光伏陣列仍能工作在最大功率點。因此，局部陰影條件下，子模塊電容電壓的控制能實現(xiàn)電容電壓的均衡控制，使光伏陣列工作在最大功率點。

圖9為使用擾動觀測法的最大功率跟蹤，單個光伏陣列的輸出功率。

圖9 光伏陣列的輸出功率波形圖Fig. 9 Output power of PV

由圖9可以看出，正常光照下，系統(tǒng)啟動時，單個光伏陣列的輸出功率從7.0 kW快速達到9.5 kW，并處于穩(wěn)定狀態(tài)；0.5 s后，局部陰影（光照強度為800 W/m2）條件下，單個光伏陣列的輸出功率降低，并迅速穩(wěn)定在7.6 kW。因此，基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用擾動觀測法跟蹤最大功率點，在正常光照和局部陰影條件下都能穩(wěn)定運行。

圖10為基于MMC光伏并網(wǎng)逆變側的輸出有功功率波形。由圖可以看出，在正常光照強度下達到穩(wěn)態(tài)時，有功功率為456 kW；0.5 s，局部陰影條件下，有功功率有所下降，穩(wěn)態(tài)時有功功率為364.8 kW。而由光伏參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)所計算的理論值為：正常光照強度下，有功功率為460.8 kW；局部陰影條件下，有功功率為369.6 kW?？芍?，仿真結果與理論值較接近。這證明了本文提出的基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，除去自身消耗的有功功率外，幾乎把所有的有功功率都輸出到逆變側。

圖10 有功功率波形圖Fig. 10 Active power waveform

圖11為基于MMC光伏并網(wǎng)的無功功率波形。

圖11 無功功率波形圖Fig. 11 Reactive power waveform

由圖11可以看出，系統(tǒng)的無功功率為2.3×105Var；0.5 s后局部陰影條件下，無功功率經(jīng)過短暫的震蕩后，又恢復正常。

根據(jù)功率因數(shù)公式

圖12為MMC逆變側輸出的三相電流ia、ib、ic波形。由圖可以看出，正常光照時，三相電流的幅值為700 A左右，并且輸出波形非常接近正弦波，諧波含量較少；0.5 s光照變?yōu)?00 W/m2后，輸出功率降低，輸出電流也隨之減小，三相電流的幅值在550 A左右，波形仍然非常接近正弦波，該波形沒有因光照的變化而失真。由MMC的輸出功率和三相電流可知，三相電壓也接近正弦波，且諧波含量較少。因此基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的諧波含量較少，對電網(wǎng)的沖擊較小。

圖12 三相電流波形圖Fig. 12 Current waveform

4 結語

光伏發(fā)電是解決能源短缺、改善我國能源結構的重要途徑[12]。針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)存在光伏陣列功率受光照影響以及并網(wǎng)要求較高等問題，本文設計了模塊化多電平的拓撲結構，介紹了其子模塊的運行狀態(tài)、數(shù)學模型、控制方法，并通過Matlab/Simulink進行仿真分析。仿真結果表明，基于MMC的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在正常光照及局部陰影條件下都能實現(xiàn)最大功率點跟蹤，逆變輸出為多電平輸出，同時控制全控器件的開通與關斷還可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的單獨控制，從而無需加裝無功功率補償設備。模塊化多電平結構在光伏并網(wǎng)中的使用，能提升光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量，具有較高的可靠性。

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（責任編輯：鄧 彬）

Grid-Connected PV System Based on MMC Under Partial Shading

LUO Cheng’an，YU Huijun，LI Lin，MIN Jie
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A grid-connected PV system has been proposed based on MMC (modular multilevel converter) under partial shading, followed by a design of the control strategy of the system. Each photovoltaic array is connected with a VSC by a DC-DC converter circuit, thus forming a sub-module PSM, PSM and reactor in series to form MMC. The whole control system includes the start-stop control, the maximum power point control, and the grid connected control system. The start-stop control adopts DC voltage control strategy in the energy feedback phase, three phase simultaneous discharge strategy is used in capacitor discharge phase. By using Matlab/Simulink simulation software, a simulation test of the system has been carried out, with its results to verify the effectiveness and feasibility of the system in that it helps to improve the solar energy utilization, reduce the harmonic content of the grid connected output waveform, and realize the independent control of the output power.

partial shading；MMC；grid-connected PV；MPPT

TM615

A

1673-9833(2017)02-0049-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.009

2016-11-25

羅誠安（1991-），男，廣東湛江人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為柔性直流輸電技術，E-mail：334909@qq.com