刘晓飞，王斌，陈赟

（武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北　武汉　430081）

多电平并网逆变器H桥功率跟踪及功率匹配控制

刘晓飞，王斌，陈赟

（武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉430081）

H桥级联多电平逆变器可实现光伏电池单级式并网，但是由于该系统只在各H桥单元存在一次能量变换，除了要考虑常规逆变器控制及并网控制外，还需要同时考虑到各H桥单元所接光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）及H桥传输功率匹配的问题。对此提出对每个H桥单元加入一个MPPT控制器的控制方法，使得各H桥所接光伏电池均能工作在各自的最大功率点，能有效提高各H桥单元光照不均衡条件下MPPT跟踪的准确性和稳定性，同时基于各H桥单元最大功率跟踪过程中的电压误差，对各H桥的SPWM调制波幅值进行比例调节，从而实现各H桥传输功率与光伏电池最大输出功率相匹配。最后在Matlab/Simulink仿真平台上进行了系统的仿真实验，结果表明以七电平级联光伏并网逆变器为例证实了该系统的可行性和可靠性。

级联多电平逆变器；H桥独立MPPT控制；载波水平移相调制；传输功率匹配

太阳能作为一种无污染、资源充足的绿色可再生能源已成为人类开发利用的焦点，通过光伏并网发电技术将太阳能转换成可并网的电能是当今世界光伏发电的发展趋势。据统计，在过去的3年里有近1 000 GW的光伏发电系统并入了电网［1-4］。非凡的市场增长速度促进了并网逆变器的迅猛发展，高效、稳定、廉价的并网逆变器系统必将成为光伏并网发电领域的研究重点。

但是现今光伏并网实际运用中，往往需要将大量光伏电池进行串并联之后才能满足光伏变换器输入端要求的电压和功率等级，需要DC/DC，DC/AC两级功率变换装置才能实现光伏电池并网，系统结构复杂［5］。对此，本文基于级联多电平变换器的相电压冗余特性实现了光伏电池单级式并网，提出了一种适用于级联多电平逆变器多H桥结构的MPPT控制策略，能有效提高光伏电池输出效率。

1　H桥级联多电平光伏并网逆变器结构

级联多电平逆变器具有相电压冗余和易于模块化的特点，适用于光伏电池并网这种多个独立电源输入的系统［5-7］。多个H桥串联输出结构能有效提高光伏电池输入电压和容量等级，可避免大规模的电池串并联，还能减小热斑效应和多峰值效应对光伏并网系统的影响，无需变压器直接实现高低电压变换，可以实现光伏电池单级式并网，系统结构更加简单。同时，级联多电平逆变器每一个H桥都有独立的直流母线，这使得对每一个H桥所接光伏电池实现独立的MPPT控制成为可能，系统拓扑结构见图1。

图1　级联多电平逆变器光伏并网系统拓扑结构

2　多电平逆变器H桥单元MPPT控制

级联多电平逆变器具有多个H桥，每个H桥所接光伏电池可视为功率源输入，都以各自的功率向逆变器输出［8］，但由于光照和温度的影响每个H桥所接光伏电池最大功率输出点可能不一致。对此，本文提出了对每个H桥所接光伏电池进行独立MPPT控制的策略，使得每个H桥所接光伏电池均工作在各自的最大功率输出点，当部分H桥光照环境发生变化时，其他H桥输出不受干扰。控制系统整体结构图如图2所示，在多电平逆变器控制系统中给每一个H桥单元加入了一个MPPT控制模块，用来计算各H桥单元光伏电池的参考电压Vref，并得到与实际输出电压vPV的误差ev，并将其总误差经过PI控制器计算后作为逆变器输出电流控制参考值Iref，当系统稳定时，即可实现etotal零误差控制。

由于单级式光伏并网系统只有一次能量变换，若只采用定步长MPPT跟踪控制，通常会产生直流母线电压跌落的现象，在MPPT跟踪过程中当选取的调整步长不合适时也会产生这一现象。经过Matlab仿真，单级式光伏并网系统在光照强度突然减小时，引起的母线电压跌落过程波形如图3所示，由图3可以看到这一扰动会导致在短时间内逆变器输出功率参考值偏离并超出光伏电池当前的最大输出功率，这时光伏电池并联电容放电，直流母线电压持续降低，光伏电池工作点向最大功率点左边移动，导致光伏电池输出功率进一步减小，产生恶性循环造成直流母线电压跌落。

图2　控制系统结构图

图3　光伏电池母线电压跌落输出特性

针对光伏单级并网系统中光伏电池输出侧母线电压跌落现象，本文在变步长电压扰动观测法［8-9］基础上对内环电流参考值的运算进行了改进，算法流程图如图4所示。通过检测到的光伏电池输出电压Upv和电流Ipv计算电池输出功率变化值ΔP，当检测到ΔP减小幅值超过设定阈值ΔPmax时，则认为光照强度发生阶跃变化。这时跳出MPPT运算模块，参照这时的光伏板实际输出功率PPV来设定内环电流参考值Iref，从而限制逆变器输出功率，使母线电容上的输入输出功率基本保持平衡，继而有效避免发生母线电压跌落。图4中IPV为输出电流设定修改值，比例K为变步长比例常数，K与ΔP的乘积为扰动电压变步长给定值。

3　H桥传输功率匹配控制

对逆变器整体的控制可以实现etotal的零误差，而为了实现各H桥单元在最大功率跟踪过程中的电压误差evi也为零，还需要完成H桥传输功率与光伏电池输出功率的匹配。然而由于多电平逆变器各H桥单元的传输功率受调制方法影响，往往在逆变器总输出功率一定时，各H桥的传输功率也是一定的［10-12］。多电平脉宽调制策略中，假设两H桥级联多电平逆变器输出功率因数为1，若使用载波层叠（Carrier Disposition，CD）调制策略，两个H单元的传输功率为：

图4　内环电流设定值运算流程图

在CD调制方式下，各个H桥传输功率与调制比Mr具有非线性关系，且当调制比小于0.5时，H1单元开关管没有动作，不适合在光伏电池作为输入电源的情况下使用。

若使用载波移相（Carrier Phase Shift，CPS）调制方法，两个H单元的传输功率为：

由于CPS调制方法下两个H桥输出电压基波与电流基波夹角θ1=θ2，当Vin1=Vin2时，CPS调制方式下各H桥的传输功率是相等的。但是在本系统中，各H桥的独立MPPT控制会使得各H桥单元所接收光伏电池输入功率不同，而且会实时变化；为了保证H桥传输功率与其所接光伏电池输出功率相匹配，必须完成对每一个H桥传输功率的独立控制。对此，根据各H桥光伏电池功率跟踪过程中的电压误差，本系统在CPS调制方法中加入调制波幅值运算模块，对各H桥的调制波进行单独调节，幅值调节比例系数为ri：

式中：vPVi为第i个H桥光伏电池实际输出电压；Vrefi为第i个H桥光伏电池输出参考电压。如图5所示，将比例系数ri与调制波m的乘积作为各H桥新的调制波m1，m2，m3，再与载波水平移相调制方法中的各组载波比较，得到各个H桥的驱动信号。

当H桥传输功率与光伏电池最大输出功率不匹配时，光伏电池实际工作电压与参考电压会产生误差，当vPVi＜Vrefi时，调制波调节系数ri＜1，该H桥调制波幅值mi减小，H桥传输功率减小，光伏电池给并联电容充电，光伏电池实际输出电压升高；当vPVi＞Vrefi时，调制波调节系数ri＞1，该H桥调制波幅值mi增大，H桥传输功率增大，光伏电池并联电容放电，光伏电池实际输出电压降低，从而实现逆变器各H桥传输功率的匹配。

图5　各H桥调制波独立控制方法

4　仿真实验及结果

根据本文提出的控制方法，基于Matlab/Simulink仿真软件搭建了H桥级联多电平光伏并网系统仿真实验平台，使用光伏电池作为独立电源给七电平级联逆变器各H桥供电，其中光伏电池模型的参数基于中国安利公司的YEG-250W光伏组件参数设定，具体参数如下：Voc= 36.5 V，Isc=9.1 A，Vmp=30.4 V，Imp=8.2 A，Tref=25℃，Sref= 1 000 W/m2。仿真过程中，当各H桥所接光伏电池环境温度为25℃，光照条件如图6所示变化时，各H桥调制波调节系数r1，r2，r3与各H桥输出功率如图7、图8所示。可知，七电平逆变器内3个H桥所接光伏电池均工作在各自的最大功率输出点，实现了H桥传输功率和光伏电池最大输出功率的匹配。逆变器级联H桥输出电压和并网电流波形如图9、图10所示，可见系统运行情况稳定。

图6　各H桥光照环境变化

图7　H桥调制波调节系数变化曲线

5　结论

本文采用了H桥级联多电平逆变器光伏并网拓扑结构，针对其多H桥串联输入的特点，提出了新的最大功率跟踪控制算法和控制策略，并对多电平SPWM调制策略进行了改进。在新控制策略下，光伏并网系统可以稳定运行，在部分H桥光伏电池光照环境发生突变的情况下能快速寻找各自新的工作点，对逆变器内各H桥所接收光伏电池实现了独立的最大功率跟踪。在光照不均衡情况下，各H桥所接光伏电池的输出相互之间不受影响，有效提高了光伏电池最大功率点跟踪精度，并完成了各H桥传输功率与光伏电池最大输出功率的实时匹配控制，整个系统表现出良好的稳定特性和动态特性。

图8　级联多电平逆变器各H桥输出功率

图9　级联H桥输出电压波形

图10　逆变器并网电流波形

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Control of H-bridge MPPT and power matching for multilevel grid-connected inverter

LIU Xiaofei，WANG Bin，CHEN Yun
（College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

The H-bridge cascaded multilevel inverter can realize the single-stage grid-connection of photovoltaic（PV）cell. However，as this system has only once energy conversion in each H-bridge module，besides the conventional inverter control and grid-connected control，the maximum power point tracking（MPPT）of PV cell connected with each H-bridge module and H-bridge power matching should also be considered.The control method of adding a MPPT controller into each H-bridge module is proposed to make the PV cells connected with each H-bridge module work at the maximum power point respectively，which can improve the MPPT accuracy and stability of each H-bridge module effectively in the condition of imbalance illumination. According to the voltage error of each H-bridge module in the maximum power tracking process，the amplitude of SPWM modulating wave of each H-bridge module is controlled proportionally to match the maximum output power of PV cells with each H-bridge transmission power.The system was tested on Matlab/Simulink simulation platform.The system feasibility and reliability were verified by taking 7-level cascaded H-bridge PV grid-connected inverter as an instance.

cascaded multilevel inverter；H-bridge independent MPPT control；carrier wave phase-shifting modulation；transmission power matching

TN820.4-34

A

1004-373X（2016）20-0104-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.20.026

2016-02-04

国家青年科学基金资助（51407131）

刘晓飞（1990—），男，湖北宜昌人，硕士研究生。主要研究领域为电力电子技术、微电网技术。

王斌（1963—），男，湖北宜昌人，教授，博士生导师。主要研究领域为智能电网、新能源与分布式发电技术。

陈赟（1977—），女，瑶族，湖南江华人，讲师，博士。主要研究领域为电力电子在电力系统中的运用。