阳鹏飞，王 卫，陈 瀚 (湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412008)
摘 要：结合MMC和光伏电源的作业特性，运用模块化多电平换流器具有易级联扩展的长处，本文规划了 一种依据MMC的分布式单级光伏并网体系, 该拓扑结构能处理部分暗影条件下，光伏电源功率装备不平衡问 题。即在级联式MMC中的每一个半桥子模块中并联一组光伏阵列，并且这种新式子模块具有必定的毛病切 除才能。这种分布式单级光伏并网体系，在削减DC/DC环节的状况下，本文规划了对应的操控办法，其间 MMC的并网操控选用依据PI的电流解耦并网操控，子模块的电容电压操控选用微调稳压的办法。经过PSCAD/ EMTDC仿真软件验证了该体系的有效性，成果显现该体系可以进步光伏阵列的太阳能运用率，满意对每一个 光伏阵列的独自操控、适宜高电压等级的要求，并且对电网的谐波污染少。
关键词：模块化多电平换流器；光伏阵列；子模块；电流解耦操控
0 导言
咱们现在运用的光伏体系中，一般串联数十个光伏 电池来进步逆变侧输出电压。关于这种衔接办法，当出 现部分暗影时，会下降整个直流端的电流输出，影响整 个体系的最大功率点追寻操控。文献[1]在每个光伏组 件旁反并联一个二极管，当产生部分暗影时，二极管电 路会替代光伏电池运转，避免暗影组件影响整个体系输 出。这种结构带来的新问题，该暗影组件被替代后，会 变成负载耗费体系动力，下降了整个光伏体系的输出 功率。
现在运转的VSC逆变器中，选用二三电平居多，如 文献[2]研讨了在不同容量要求下，可以选用不同的三电 平光伏逆变器，但一般运用在低电压和中小容量场所， 单个逆变器无法接受高压和大容量的要求。若直接把传统的二三电平逆变器并联运转，怎么保证开关器材的 同步触发、怎么使各逆变器的输出电流平衡又称为一个 难点，文献[3-6]研讨的是两级式光伏逆变，中心选用 boost/buck电路稳压，使得直流输出端到达最大功率值 运转。文献[7]的光伏逆变体系中，沟通端需求增加LCL 滤波器，不只增加经济本钱，全体谐波也偏高。相反， 模块化多电平换流器（MMC）不只能满意大容量和高 压的需求，并且MMC的输出电压波形为多电平的阶梯 波，输出谐波THD含量低，无需增加额定的滤波器，波 形质量较传统逆变器而言相对更好，因而探究MMC在 光伏并网中的运用是许多学者现在都在从事的研讨，文 献[8]针对MMC在光伏中的运用进行了研讨，可是选用 的是把每一个光伏电池经过DC/DC改换之后，与MMC 的每个子模块电容并联的办法，这种整合办法增加了经济本钱，使得整个体系结构变得反常杂乱。文献[9]提出 的一种依据MMC的新式光伏体系，操控过于杂乱。
依据上述研讨状况，所以本文提出一种依据MMC 的分布式单级光伏并网体系，对MMC与光伏阵列结合 的新式子模块(PM)拓扑结构进行详细机理剖析，把本文 规划的MMC新式子模块与传统半桥MMC子模块比照, 阐明其特色。对新式子模块(PM)的稳压操控进行介绍， 使得PM的电容电压作业在光伏电池的最大功率点电压 邻近。该体系的并网操控选用依据PI的电流解耦并网控 制。终究，经过PSCAD/EMTDC仿真软件验证该体系的 有效性。
1 依据MMC的光伏拓扑结构及原理
本文提出的一种依据MMC的光伏并网体系如图1 所示。本文规划的MMC光伏并网结构主电路跟传统一 般MMC相同，一共分为三相，其间每一相包含两个桥 臂，每个桥臂中不只包含N个PM子模块，并且每个上 下桥臂各自都有一个电感L1、L2。这种光伏阵列和子 模块结组成的PM模块与一般MMC级联电路不同，PM 模块省掉了DC/DC改换电路，将光伏组件直接与子模块 的电容并联而成。别的传统MMC的子模块结构包含半 桥型子模块、全桥型子模块和双箝位型子模块。其间具 有支流毛病穿越才能的是全桥型子模块和双箝位型子模 块，缺陷是本钱高、结构杂乱。现在盛行的半桥型子模 块不具有直流毛病铲除才能，根本上都是需求额定加装 沟通断路器来维护线路。为此本文特意规划的MMC光 伏并网结构中，也对PM模块进行了纤细改善。
改善的PM模块结构如图2所示,与一般的PM模块不 同的是：加入了快速开关和压接式封装晶闸管，在AB 端口处并联了一个高速开关K1和两个晶闸管D4、D5,当 子模块产生毛病时，运用K1闭合快速旁路毛病，用于保 护子模块，使得桥臂电流接连，晶闸管D3、D4、D5则 用来维护与之对应的续流二极管，避免毛病电流冲击续 流二极管。当电容电压过大或许MMC闭锁时，VT3导 通，使大电阻R成为电容和光伏电池的负载。
1.1 子模块运转原理
依据电流Ism 的巨细和方向，选用适宜地开关状 态，就可使PM模块的电容电压稳定在最大功率点电 压，然后保证了PV组件的最大功率输出。表1给出了 PM模块处于不同开关状况和电流方向(Ism 流入PM模块 时为正)时的PM模块电容电压Uc 的改变进程。表中： 开关状况1对应IGBT注册，0对应IGBT关断。依据光伏 电池的不同光照下的V-I曲线可知，当光伏电池的输出电压过高时，也便是子模块电容电压过高时，光伏电池 的输出电流根本为零，PM作业形式相当于一般的半桥 子模块作业办法。
2 体系操控战略
2.1 依据PI的电流解耦并网操控
MMC的输出沟通信号需求将三相并网电流改换到 d-q坐标系后，再运用PI操控器进行操控。MMC并网 运转时，其输出有功功率和无功功率各自与并网电流 在d轴和q轴上的重量id 、iq 有关，故只要对并网电流的 id 、iq 重量采纳操控措施，就能完成对输出有功和无功 功率的独自操控。设usa、usb、usc是三相MMC的内部等 效沟通输出电压，Leq和Req别离是单相MMC的等效电感 和电阻，eva、evb、evc为电网侧三相电压，iva、ivb、ivc为 电网侧三相电流。则
经过Park改变又可以得到：
以上公式可以看出MMC改换器的电流电压在d-q坐 标下是彼此耦合联系，为此，咱们可以采纳解耦操控实 现并网。
设K1、K2为PI份额系数，Ki1、Ki2为PI积分系数。 isd_ref和isq_ref别离是MMC并网电流在d-q坐标下isd、isq的 参阅值。经过总结以上公式可以得到：
由此得出，经过操控MMC输出电流的isd、isq重量， 就可以对其进行解耦操控，其详细操控框图如图3所 示，MMC的输出电流经过Park改换后得到isd、isq,然后 经过PI操控使isd、isq别离盯梢它们的参阅值isd_ref、isq_ref， 两个PI操控器的输出再经过解耦操控后得到usd、usq，最 后将usd、usq进行Park反改换便可得到三相MMC输出电 压的参阅值。其间,锁相环PLL供给了实时的相位角和频 率信息，保证输入信号与输出信号在频率和相位上坚持 共同。
2.2 PM模块电容电压微调制
仅靠上层操控的并网电流解耦操控调理并不能保证 每个电容电压平衡。为此经过对各子模块的参阅电压进 行微调，间接地调理对应子模块开关管在每个开关周期 内的占空比，终究到达桥臂内部电容电压平衡的操控效 果。以MMC的A相桥臂第j个子模块的驱动电压生成过 程为例，操控拓扑如图4所示。第j个子模块电容电压实 际值Uacj与整个桥臂的子模块电容电压之和Ua_cj的均匀 值做差，所得的误差量与该桥臂环流电流ij_ac的乘积经 过份额和限幅环节，即为参阅电压的微调量Uajcref。然后 把A相的并网电流参阅值Ua_ref与微调量相加，得到A相 上下桥臂每个子模块的独立驱动信号Uadiff_j，终究经过阀级调制战略对IGBT进行调制。
其间，桥臂环流电流ij_ac为A相上下桥臂电流iap与ian 相加平分得来。
3 MMC调制办法
本文选用的阀级调制办法为载波移相调制战略 （CPS-PWM）。调制原理如图5所示。
该调制办法的等效开关频率很高(f=Nfc)，而开关 器材的实践开关频率却很低，所以该调制战略具有杰出 的谐波特性，十分适用于本文规划的操控体系。以A相 为例来阐明，已知上下桥臂参阅电压为upa、una则各子模 块的调制电压可以表明为：
调制流程为：关于每个桥臂中的N个子模块，选用 相同开关频率的正弦波，每个子模块对应的三角载波 顺次移开1/N个周期，即每一个子模块三角波之间相差 2π/N相位角,上、下2个桥臂的调制波相差180°或许为 同一调制波皆可，再让每一个子模块的载波与对应的调 制波进行比较，生成N组子模块对应的PWM调制信号，这样的话，恣意时刻MMC投入运转的子模块个数为N， 且每相的中上、下桥臂入的模块个数互补。MMC的三 相桥臂调制波的相位角参阅值见下表2。
Uadiff_j为本文规划的CPS-PWM，载波选用高频率的 三角波fc，幅值为0~1，相位角设置如表2所示，终究由 调制波与三角载波的比较取得子模块的触发信号。
4 仿真验证
本文仿真运用PSCAD/EMTDC电力体系仿真软件搭 建了一个依据MMC的分布式单级光伏并网模型，沟通 输出为MMC的9电平构成，仿真时刻为0.6 s，设直流电 压参阅值为6 kV，桥臂电感为20 mH,子模块电容巨细为 5 000 μF，载波频率为500 Hz，沟通侧阻抗为10 Ω。其 中每个子模块中并联的光伏阵列的参数见表3。
PM模块的电容电压经过微调操控，电压值稳定在 0.67 kV左右，与光伏阵列的最大功率点追寻操控电压 数值相差不大，其间一个PM模块的电容电压仿真成果 见图6。
MMC经过依据PI的电流解耦操控今后，三相沟通 输出电压和电流见图7和图8。
对A相的沟通输出电流进行谐波畸变率（THD）分 析，成果如图9所示，成果显现最大畸变率为0.268%。
仿真成果表明，本文所提出的MMC拓扑结具有很强的优势，输出电流最高谐波畸变率为0.268％，契合 IEEE1547的电能质量要求。
5 定论
本文提出的分布式单极MMC光伏并网体系适用大 电容、高电压的场合，并且子模块直接与光伏电池并 联，省去DC/DC改换电路环节，MMC的沟通输出电压 和电流契合电能质量要求，无需滤波电路。经过依据PI 的电流解耦操控和电容电压微调操控，可以使得每一个 子模块的电容电压可以稳定在与其并联的光伏组件最大 功率点电压邻近，然后保证PM模块输出功率最优。当 MMC的电平数量增多时，本文规划的光伏体系优势更 加显着。
参阅文献：
[1] 吴小进,魏学业,于蓉蓉,等.杂乱光照环境下光伏阵列输出特性研 究[J].我国电机工程学报,2011,31(增刊):162-167.
[2] 肖华锋,谢少军,杨晨,高牢靠型非阻隔三电平光伏并网逆变器 [J].电力自动化设备,2013,33(8):114-119.
[3] 鲁晓军,神往,林卫星,等.混合型模块化多电平换流器解析建模与 功率运转区间剖析[J].电力体系自动化,2018,42(7):76-84.
[4] JORDEHI A R. Maximum power point tracking in photovoltaic (PV)systems:A review of different approaches[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2016,65: 11271138.
[5] SUBUDHI, PRADHAN R. A comparative study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power systems[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(1):89-98.
[6] RAJASEKAR S,UPTARAJESH G. Solar Photovoltaic Power Conversion Using Modular Multilevel Converter[A]. Stude-ntsConf. on Engineering and Systems[C].2012:1-6.
[7] 李彦哲,保婷婷.三相LCL光伏并网逆变器的新式入网操控战略 [J].操控工程,2018,25(8):1511-1515.
[8] 姚致清,于飞,赵倩,等.依据模块化多电平换流器的大型光伏并网 体系仿真研讨[J].我国电机工程学报,2013,33(36):27-33.
[9] 荣飞,刘诚,黄守道.一种新式模块化多电平光伏并网体系[J].中 国电机工程学报,2015,35(23):5976-5984.
