級聯式逆變器在光伏并網系統的應用研究

摘要：采用級聯式多電平逆變器的電路拓撲結構，并對基于此結構的光伏并網系統的控制策略進行研究。為實現有效并網，使得并網電流與電網電壓相位一致，在結合單級光伏并網系統控制策略和級聯式逆變器控制策略兩者特點的基礎上，采用階梯波控制與電流環控制的混合控制方式，并對此系統進行Matlab／Simulink仿真分析，驗證這種控制方法的可行性。采用PR調節器的電流環控制，提高了級聯式逆變器的效率。
關鍵詞：光伏并網系統；級聯式逆變器；PR調節器；混合控制

0 引言
隨著國際上對于清潔能源的要求越來越高，我國逐漸開始加大光伏發電等清潔能源在整個電網發電中的比重。光伏并網技術是光伏發電系統的核心技術之一，光伏發電系統主要由太陽能板、DC-DC升壓電路、逆變器、用戶(電網)等組成。目前，大多數逆變器采用傳統的單級式或多級式，基于這些形式下的太陽能光伏并網系統在結構上存在著如下不足：并網逆變器中開關管的工作頻率較高，損耗較大；逆變器工作需要足夠的直流電壓，這需要多個光伏電池串聯起來以達到電壓等級的要求，同時，逆變器開關管承受的du／dt較大，整個系統的可靠性下降。采用級聯式逆變器就可以很好解決這些傳統方式下的不足，本文旨在探討級聯式逆變器在光伏并網中的特點以及基于級聯式逆變器的光伏并網系統的Matlab／Simulink仿真研究。

1 基于級聯式逆變器的光伏并網發電系統
1．1 級聯式逆變器的結構
1988年日本學者M．Marchesoni等人在PESC年會上提出了基于H橋級聯的多電平逆變電路結構。該種電路結構以多電平階梯波來模擬逼近正弦波，從而可以提高輸出電壓的等級，同時減小高次諧波含量。圖1是三相四級級聯電路的拓撲結構圖。從圖1所示的拓撲結構分析可以得知：逆變H橋直流測電壓為UDC時，單級H橋輸出有UDC，0以及-UDC三種電平，則N級級聯結構輸出共有2N+1種電平。這種多電平結構使得級聯式逆變器具有如下幾個優點：各個模塊相對獨立，可以方便進行更換或擴展成更高電壓等級；各個模塊的開關器件(IGBT)承受電壓相對普通逆變器要低，系統的可靠性增加。

1．2 光伏并網發電系統的拓撲結構
基于級聯式逆變器的光伏并網系統的拓撲結構如圖2所示，圖中前級為太陽能電池板和DC—DC升壓電路(BOOST)電路，后級為多個H橋(DC-AC)級聯而成的逆變器，其輸出通過網側濾波器與電網相連。

圖2中光伏電池提供各個部分的獨立直流電源，DC—DC電路對光伏電池電壓升壓并完成實現最大功率跟蹤控制，DC-AC電路完成實現并網電流與電網電壓相位一致。在本文光伏并網系統建模中，級聯逆變器輸出通過濾波電感與電網相連，在一定控制方式下，完成實現并網電流與電網電壓相位一致(功率因素為1)，使系統能夠實現并網。