阳鹏飞
(湖南工业大学，湖南 株洲 412008)
摘要：今世传统的二、三电平改换器已不能满意高电压，大容量光伏并网体系的要求，而模块化多电平换流器（MMC）因具有易扩展、功率器材容量大、谐波含量低一级特质而成为光伏发电范畴的新研讨。本文介绍了光伏并网中的最大功率点盯梢技能（MPPT）和模块化多电平换流器（MMC）拓扑结构的特色、操控办法，提出一种依据MMC子模块操控的光伏并网体系及操控办法，即在模块化多电平换流器中的每一个子模块中通过DC/DC改换器并联一组光伏阵列，体系操控是电压外环供给与电网同步的参阅电流，电流内环则完结并网电流的调理，MPPT则选用电导增量法完结，然后得到每一个子模块的参阅电压，阀级操控选用正弦载波移相脉宽调制（CPS-SPWM）来调制MMC，使用PSCAD/EMTDC仿真软件建立一个9电平的MMC光伏并网模型。成果表明：依据MMC的光伏并网体系在子模块独立操控下成功并网行，并且具有电网谐波少、光伏动力使用率高的优势。
关键词：模块化多电平换流器;光伏并网;最大功率点盯梢;子模块;PSCAD/EMTDC
0 导言
现在，新动力发电技能现已老练，跟着可再生动力工业的迅速发展，光伏发电所占份额越来越大，电力体系对光伏发电提出了更高的要求，进步并网逆变器容量、加强光伏发电功率将是往后光伏并网的研讨要点 [1] 。
现在最常用的逆变器为二电平或许三电平，适用于低电压场所，并且关于功率器材损耗较大。为了进步太阳能使用率，使其作业在最大功率状况，许多学者都致力于研讨光伏阵列最大功率盯梢(maximum powerpoint tracking，MPPT)技能，关于逆变器拓扑结构的研讨较少 [2] 。模块化多电平技能发展迅速，将级联式多电平拓扑结构与分布式发电相结合逐步成为抢手。针对这种状况，许多研讨人员都在从事模块化多电平换流器（MMC）的研讨，文献 [3-5] 针对MMC展开了一系列研讨，可是并没有使用在光伏并网体系；文献 [6-7] 把MMC使用到了光伏并网体系，可是其仿真模型都是在Matlab/Simulink上建立的，具有局限性；文献 [8] 提出将MMC 运用在低压集中式并网形式的光伏体系中，并把双闭环操控与最大功率点盯梢技能结合在一起，可是对MMC 研讨不行深化，并且拓扑结构单一。
所以，为了处理大型光伏并网发电体系现在所存在的上述问题，本文提出一种依据MMC子模块独立操控的光伏并网体系，对MMC与光伏阵列结合的子模块拓扑结构进行了具体的介绍和剖析，侧重研讨了新式子模块的的原理和操控办法，把本文规划的MMC新式子模块与一般MMC子模块比照，阐明其特色。通过这种结构，可以进步光伏阵列的太阳能使用率，满意对每一个光伏阵列的独自操控、合适高电压等级的要求，并且对电网的谐波污染少，最终通过PSCAD/EMTDC仿真软件验证了该体系的有效性。
1 依据MMC的新式光伏拓扑及原理
MMC拓扑通用结构如图1所示。本文规划的MMC全体三相结构跟传统MMC相同，由3个相单元构成，每个相单元包括两个上下桥臂以及上下换流电抗L，一共6个桥臂，1个桥臂由N个子模块级联构成。现在常见的子模块有是半桥型子模块、全桥型子模块和双箝位型子模块。其间半桥型子模块使用最广泛。所以本文依据半桥型子模块规划一种将光伏阵列、DC/DC改换电路和SM 组成的MMC子模块拓扑，命名为PSM，其拓扑结构如图2所示。
本文提出的PSM拓扑结构跟一般PSM不同的是;在每一个子模块中，PSM出口端并联了一个由IGBT和大电阻R组成的旁路，在AB端口处并联了一个高速开关K1和一个晶闸管K2。当子模块产生毛病时，K1闭合用于维护子模块，K2用于维护D2。DC/DC改换电路与SM之间并联1个大电容，当电压过大或许MMC闭锁时，IGBT导通，使大电阻R用于电容的缓慢放电。
2 PSM模块运转原理
正常作业状况下，维护电路并不会起效果。其间DC-DC电路用于追寻光伏阵列最大功率点，体系运转之前，光伏阵列经DC-DC电路给电容预充电，当电容电压都到达预订值后解锁各子模块。设ISM电流流入方向为正，依据电流 ISM的方向以及开关S1和S2的状况，子模块的输出电压在UC和 0 之间切换。具体的开关状况由表 1 可见，其间“1”代表开关导通，“0”代表开关关断。
2.1 MMC逆变器的作业原理
以A相为例对MMC逆变器的原理进行论述。先不考虑电抗L的效果，uap和uan分别为上、下桥臂直流侧电压，直流侧的正负母线相关于参阅点ｏ的电压分别为Udc/2和-Udc/2，usa为A相沟通输出侧的电压，得到公式
为了保持直流电压的安稳，每个相单元中投入的子模块数量是持平且不变的，由此可得
以本文所建立的9电平MMC逆变器为例，在每个桥臂上串联8个子模块．为了可以使逆变器输出的波形挨近正弦波，单相桥臂的投入模块个数依照正弦规则改动，且上下桥臂子模块对称互补投入，设输出电平数Nlevel和桥臂模块数N，满意下面公式：
其间，nap为上桥臂投入子模块个数；uan为下桥臂投入子模块个数。
3 依据MMC子模块的操控战略
3.1 子模块中光伏阵列的MPPT操控
图3给出了PSCAD软件中建立的Boost电路以及MPPT操控，由光伏阵列、DC/DC改换电路组成。
为了完结光伏阵列最大功率点的追寻操控，本文选用电导增量法MPPT操控 [9] 改动Boost电路中晶闸管的占空比D，使光伏的输出电压与在最大功率点处的电压持平，这儿不再赘述，操控进程如图4所示。
设MMC沟通侧输出电压和电流为Ua(t)和Ia(t)，则
相应的公式为：
其间MV和MI分别为电压调制比和电流调制比，由于MPPT操控安稳了子模块的电容电压，在三相天然对称的工况下，又可以推导出桥臂输出电压公式为：
以A相为例验证，在本文所提的MMC拓扑结构中，A相上、下桥壁的输出电压契合公式（6），又由于MMC换流器6个桥臂作业原理和电气状况共同，一切桥臂都遵从天然平衡的规则。因而，各桥臂之间不再附加平衡操控。
3.2 依据子模块的并网操控
本文规划的MMC并网操控框图如图6所示，全体操控是依据电压外环操控和电流内环操控。电压外环首要担任为电流内环采纳与电网同相位的参阅电流Iref，其幅值由直流侧电压参阅值Uref与实践电压Upv相减再通过份额积分环节得到，相位可以通过PLL盯梢网侧电压得到。电流内环首要效果是操控逆变器输出电流Ig尽可能向参阅值Iref挨近。
3.3 阀级调制战略
阀级选用的调制办法为载波移相调制战略 [8] （CPS-PWM）。调制原理如图7所示。
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SPWM，使它们对应的三角载波顺次移开1/N三角载波周期，即每一个子模块三角波之间相差2π/N 相位角，然后应使上、下 2 个桥臂的调制波相差180°，再让每一个子模块的载波与对应的调制波进行比较，产生出N组PWM调制波信号，这样在恣意时刻每个相单元中上、下 2 个桥臂被触发投入的模块个数互补且为N，确保了在恣意时刻每个相单元都有 N 个子模块投入。各相桥臂调制波的相角参阅见表2所示：
本文使用PSCAD/EMTDC电力体系电磁暂态仿真软件 [10] 建立了一个依据MMC子模块操控的光伏并网模型，每一相电压为8个子模块构成的9电平。仿真时刻为5 s，设置直流侧参阅电压为4 kV，每一个子模块中光伏阵列的参数见图8。
该光伏阵列由250个模块串并联，每个模块串串联22个光伏模块，每个光伏模块由36个光伏电池单元串联。光照强度选用规范的1000 W/m 2 ，温度25 ℃。选用电导增量法时的仿真见图9，可以看出，挨近0.6 kV时，光伏阵列输出功率最佳。
子模块通过MPPT稳压后的电容电压见图10，可以得知参阅电压为0.6 kV。
通过MMC逆变后输出的三相沟通电压波形见图11。
三相沟通电流波形见图12。
收集A相电流进行THD剖析，得到成果如图13所示。
由此可知，本文规划的MMC与光伏整合的拓扑结构，在通过子模块独立操控战略之后，成功并网。其间THD=0.27%，契合国际规范IEEE1547中并网电流质量的要求。
5 定论
本文对MMC与光伏阵列相结合的拓扑结构进行了具体剖析，对其间各个环节的操控战略进行了具体的阐明，并在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立了一个9电平的仿真模型来进行验证，仿真成果表明，输出电压由多个PSM模块输出电压叠加而成，可通过增减PSM模块习惯多电压等级需求环境，与传统的两级逆变并网结构比较更具有灵活性。别的，通过本文子模块独立操控战略的并网体系可以一起完结MPPT操控和并网电流操控，输出电流为多电平，谐波含量低，减小了对接入电网的谐波污染，适用大电容、高电压的场合，双闭环的操控战略切实有效。
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本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第7期第40页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
