单相H桥多电平逆变器的控制在光伏并网中的应用

1、 单相H桥多电平逆变器的控制在光伏并网中的应用Elena Villanueva, Pablo Correa, Jose Rodriguez摘要：本文对单相H桥多电平变换器在光伏发电中的应用提出了一个控制方案。这种控制方案允许每个H桥模块提供不同的功率等级，允许每个独立的最大功率点跟踪监测光伏（PV）面板。由于需要升压的DC-DC变换器没有中间阶段，于是获得了一个相比于标准的光伏发电变换器系统更高效的解决方法。此外，此拓扑结构提供了其它的一些优点，如可以操作在较低的开关频率与较低的电流纹波中。仿真提出了两个H桥串联形成的整流器与最大功率点在不同条件下追踪监测所呈现的结果。关键词：光伏，太阳能电池

2、系统，多级转换器。一、引言小功率单相光伏并网发电系统是目前研究的一个重要课题。在这些发电系统的众多问题中，解决方案的可靠性、效率、尺寸、重量以及价格都是需要考虑的重要因素。光伏并网发电的应用在未来的趋势上是允许每一个小的光伏发电集团独立控制使其最大功率被送到电网1。几种满足了这一要求的拓扑机构已经被提出了2 3。其中特别有趣的是几个H桥串联整流器的构造，因为它允许在每一个面板上独立跟踪最大功率点（MPPT），不一定需要一个额外的阶段来提高电压4。这种拓扑结构具有发电时降低了电流纹波以及操作时有较低的开关频率的优势，整个系统的效率可以因此而被提高。几种用于控制多个H桥变换器串联连接的有源整流器的

3、方法已经被提出。大多数人认为，直流母线（DClink）电压是恒定的5，或者是非常复杂的，并难以执行4，6。在本文中，一个简单的基于7的控制方案被应用于多级光伏发电系统控制中。该方案允许每个面板独立的最大功率点（MPPT）和提供电流的电网具有单一的功率因数。该方案包括了在光伏电压测量中的数字带阻滤波器，为了实现发出高品质且未经100赫兹分量干扰的单相电流。 文章如下：首先，描述该拓扑结构以及给出该模型的基本方程。然后，对该控制器转换器进行说明。为了验证所提出的控制方案最后评论仿真结果。二、拓扑描述所提出的光电转换器系统包括两个H桥变换器串联连接，如图1所示。这种拓扑结构可以通过添加额外电池面板的

4、串联来扩展，允许发出更高的电压和最终并入电网时无需变压器。因为在许多光伏工程安装中面板和电网之间的隔离通常是必需的，所以变压器常常在这项工作中予以考虑。每个H桥模块可以产生3个等级：-Vc，0和+Vc，Vc为直流母线电压，如果直流母线电压是相等的则整个系统可以提供5个电压等级。则输出电压很容易被确定出下面这个简单的关系： (1) TXX表示每个开关的状态，如图1。TXX的定义如下：1为开，0为关，因此，P1和P2都有离散值-1，0或+1，当H桥输出电压分别为Vc， 0或+Vc时。为了有一个完整的变换器的线性模型，P2和P1的功能，被取而代之的是S1和S2-1,1的连续切换功能。 因此，该系统的

5、动态行为可以描述如下： (2) 三、控制方案该控制策略的提出是基于单个H桥变换器8的经典控制方案。在7,9，这种想法已经扩展为N个单元串联连接的有源整流器的控制。这些不同的控制方案中，似乎只有7适合这种应用，因为它能够操作不同的直流母线电压。但在目前阶段一个类似的计划包括了电流控制PI控制器的方案被提出，正如图2所示。该控制方案具有三个控制回路：其中两个是被用来在每个直流母线（DClink）上调节电容器电压，而另一个是用来产生正弦输入电流与功率因数。能在图2中看到的是，直流母线的电压Vc1和Vc2的总和是通过PI控制器的输入电流Is.max的幅值来决定控制的，乘以一个标准化电网控制器输出的电压

6、正弦相位信号，取一个对于当前电流回路合适的参考值。另一方面，PI电流控制器给出的开关连续函数的总和S1 + S2。控制电压Vc2是通过另一个控制器选择的开关函数幅值S2.max决定。请注意，这方案设置的S2的相位等于电网相电压相位，得到图3的相量图（b）。为了从每个光伏发电面板PV获得最大功率，在扰动观察中使用（PO）算法。该算法在实践中是最常用的，因为它易于实现且在实践中很有潜力，如果它是正确的，这便使其与其他的方法非常有竞争力，于是对于硬件10进行了优化。采用这种拓扑结构，每个面板独立的MPPT可以被跟踪，然后观察变量，计算出的太阳能电池板输出功率和扰动变量，在这种情况下，参考电压，即VC

7、1和VC2。四、控制器的设计 本节中的整定程序的三个控制回路如图2所示。为方便分析环路，结束时间由于计算和调制该转换器而被忽略。用于光伏电压测量的过滤器的设计，是以避免在当前的100赫兹分量也被描述。A. 电流回路 由于控制回路比电压回路的动态快得多，被设计的控制器需要考虑的只有第一个方程中所描述的系统（2）因此，得到下面系统方程： (3) 简化的电流控制回路的方案在图4-（a）中。电流控制器的设计假定电网电压Vs是可变的，但电流回路中有干扰。B、电压回路 两个PI控制器是必要的，以便管理动力传输和电压电平上的每个H桥。加入最后两个等式于（2）中，用于控制的Vc1和Vc2变为： (4) 仅考虑

8、长期的直流分量S1，max+S2，max，则图7最后的方程是： (5) 考虑到光伏面板上ipv1和ipv2电流干扰，和长期的直流分量S1, max+S2,max几乎是常数，则获得以下系统： (6) 其中C1 = C2= C，且S1，max+ S2，max定义为额定工作条件下，在所指示的附录中。第二控制回路负责电压回路的每个直流母线之间的电流差。在最后的等式（2）中，与以前的回路赋予同样的考虑，提供了该控制器的设计依据。 (7) 在这种情况下，将假定由第一控制回路传递的电流大小是恒定的。因此，（7）可以在拉普拉斯域表示为： (8) 这里的最大值is.max被定义为标准稳态条件，在所示的附录中。对

9、于两个方案的电压回路图。 如4-（b）和（c）所示。三相PI控制器的设计已经用根轨迹法进行。C滤波器设计 为了避免在当前由单相配置生成的100 赫兹分量的干扰，数字带阻滤波器放置在Vc1和Vc2之间电压控制器的输入测量一直集中在100赫兹。需要注意的是光伏面板之间的过滤器电压测量是故意避免最大功率点MPPT的，因为有必要确保跟踪的最佳功率点，以及减少过滤器对光伏面板电压扰动的影响。如图5中所示的是数字滤波器的工作状态。 原始信号V由半周期错开，然后加入到原始波形获得DC分量信号。整个系统包括了100赫兹滤波器如图6所示。五、结果为了验证所提出的想法，进行了光伏并网发电系统的模拟实验。这种模拟考

10、虑了两个H桥串联连接整流器与变压器。每个H桥组成的光伏面板，根据商业提供的光伏规范选用夏普208u2面板。直流回路每个模块电容器4700（F），交流滤波器参数L = 1（MH）和r = 0.1（）。变压器输入的电压值提供30（5）在终端的峰值。每个单元的调制采用三角形生成一个频率的载波信号的单极性PWM（5千赫）。五级电平逆变器的操作是模拟了三个操作阶段。第一个阶段，采用相等的两个光伏面板使温度和太阳辐射为25和1（w/平方米）;然后在t =1.5（S）时太阳能辐射在第二面板上减小到0.6（w/平方米）;最后在t =2.5（S）时在第二个面板上使温度从25升到35。图7给出了直流回路电压和每个

11、小区的参考值。在第三个阶段中，最大功率点MPPT大约只有在根据PQ算法得出的最佳点引用三个层次10中给出，而DC-Link的电压即使改变太阳能辐射和温度的数据，这些短瞬状态都比真正的天气变化还要快。正如所料，在第一小区的MPPT电压不改变，因为电网整个模拟条件是一致的。与此相反，在第二个面板上的电压是相同的，当太阳辐射因为前比例减小变量后而变为低级。最后，该第二小区的MPPT电压变化因为温度11的加注变为第三阶段。 图8所示，给出了两个面板的三级电平电压输出。这些电压一起成为5级电平的电压，如图1所示的逆变器的输出。 图9，随着电压和电流在变压器的终端输出。在该图的上半部分，多级逆变器的5个电

12、压等级被描述，则电流在变压器的终端如图所示。6、 结论 在这项工作中一个新的多电平光伏系统控制方案被提出了。该控制方案的特点是使每个独立电池面板为提供电流的电网输入最大功率变为了动力工厂。 所提出的系统具有这样几个优势如：高品质的电流;能够操作的开关频率低；不是单一的转换器;该控制方法简单;它允许使用小型变压器与面板结构并联连接，降低了损失和增加了全球发电效率。附录 对于is.max，根据功率平衡计算输入输出功率。因此，得出下面的表达式，其中在电容器中的损耗和MOSFET已忽视： (9) 考虑到这两个PV模块工作在相同的操作点，（9）中的两个公式是相等的，则： (10) 最后，下面的表达式，则对于is，max则为： (11) S1，max + S2，max的值是来自于相量图3中所描述的关系。只考虑相量的幅值，从毕达哥拉斯定理可以得到： (12) 加上关系：vC1=vC2=vC，（12）可以被写为： (13) 然后S1,max+S2,max 的值为： (14) 对is，max 以及i1，max+i2，max进行计算，该操作点是每个面板的最大功率点（MPPT），所以MPPT的电流值和电压值在1（千瓦/