关键字 |
| 太阳能光伏(SPV)，升压转换器，中性点箝位(NPC)，多电平逆变器(MLIs)，总谐波畸变(THD)，电压源逆变器(VSI)。 |
介绍 |
| 近年来，人们对可再生能源发电越来越感兴趣，如光伏(PV)或风力发电系统[1]，[2]。利用这些资源发电的好处被广泛接受。它们基本上是取之不尽用之不竭的，而且对环境友好。在可能获得电力的不同可再生能源中，太阳能一直是过去几十年最活跃的研究领域之一，无论是并网还是独立应用[3]-[9]。全球累计光伏容量的指数级增长主要是由于并网逆变器拓扑结构的增强。光伏阵列和电池通过一个普通的DC/AC逆变器连接到交流电网。交流输出电压是通过切换全桥在适当的顺序[10]-[11]。逆变器的拓扑结构可分为单级逆变器和多级逆变器。单级逆变器具有成本低、效率高、性能稳健、可靠性高、结构简单等优点。另一方面，多级逆变器接受输入电压变化范围大，成本高，效率低，结构复杂，拓扑隔离，高频变压器即使在直流电压很低的情况下也能从电源中提取功率[12]。 [13] present the comparison of expense of power semiconductors and passive components of a (2.3 kV, 2.4 MVA) two-level, three-level NPC, three-level flying capacitor, four-level flying-capacitor, and five-level series connected H-bridge voltage source converter on the basis of the state-of-the-art insulated gate bipolar transistors for industrial medium-voltage drives. And illustrate that in three level inverter topology net total harmonics distortion is reduced in the output wave form without decreasing in inverter output power [14-18]. |
| 光伏系统需要在光伏阵列和电网之间连接电源转换器。这些电源转换器用于两个主要任务。首先，向电网中注入正弦电流。二是降低电网注入电压和电流中的谐波含量。通常有两个电源转换器[19]。第一个是DC/DC功率转换器，用于在最大功率点操作光伏阵列。另一个是DC/AC电源转换器，用于将光伏系统连接到电网。如图1所示 |
| 经典的单电平或三相两电平vsi通常用于这种功率转换器类型[13]。然而，已经提出的其他拓扑是多级VSI。多级转换器拓扑是实现这一目标的一个非常有趣的选择。 |
| 多电平功率变换器比传统的两电平变换器有几个优点，例如: |
| ·降低开关频率 |
| ·输出电压畸变很小 |
| ·降低dv/dt应力[14-18]。 |
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| 为了获得电网和光伏发电机之间的电连接，许多光伏系统使用电力变压器，避免泄漏电流可能流过光伏发电机和地之间的电容。一些系统使用嵌入在高频DC/DC变换器中的变压器。其他使用线频率变压器在逆变器的输出提出的模型。 |
| 针对这些发展，本文提出了一种新型的SPV系统功率变换器结构。所提出的结构采用双配置三相三电平NPC vsi和线路变压器。这种结构是专门为配合中央管柱技术而开发的。文中还提出了一种MLI控制系统。该控制系统基于电压导向控制器和脉宽调制器(PWM)。针对传统的两电平逆变器拓扑结构，给出了几个实验结果，以验证所提系统的特性。 |
控制策略 |
| 在并网系统的众多功能中，电流控制是最重要的功能之一。整个系统的性能在很大程度上取决于所应用的电流控制策略的质量。它必须满足基本要求，如输出电流的低谐波失真，高动态响应，直流链路电压的调节，并在许多情况下，提供双向功率流。在过去的二十年里，人们渴望提出一种结合了大多数这些要求的当前控制策略，这鼓励了许多研究。 |
A.拟dc/dc变换器控制器 |
| 图2所示的DC - DC升压变换器是并网系统中达到期望电压水平的重要部件，以降低所需光伏组件的复杂性和额定值。电压源为开关控制器和磁场存储元件提供输入直流电压。 |
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| 控制信号或占空比由开环开关控制给出，它指导开关元件的动作，而输出整流器和滤波器在输出端提供可接受的直流电压。在输入端变换器处给出200伏的输入，用Vdc sc表示，在控制电路中给出所需的参考电压作为输入信号，即400伏用符号Vref表示，如图3所示。这两个信号在PI控制器中进行比较，并将控制输出给信号发生器。所需的直流输出电压由式(1)给出。 |
 (1） |
| VLL =交流电网的线对线电压 |
| M =调制指数 |
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| B.提出的多电平PV逆变器控制器 |
| 在多电平逆变器中，我们将使用一种快速开关控制机制，即如图4所示的电压导向控制方法，我们必须使用来自电网的有功功率反馈来控制电网中的有功功率和无功功率流，并将电网电流保持在规定的范围内。在控制器中，将来自电网的有功功率与参考功率进行比较，然后将误差信号输入功率控制器，通过同步坐标系理论提取正、交轴上的参考电流信号。这再次转换成三相分量，这个参考电压Vref与电网电压Vabc_IB的直轴分量进行比较。由此计算出误差信号，并将其进一步转换为相控元件并提供给PWM发生器，该发生器将产生控制脉冲以控制逆变器的开关状态。 |
| 该控制策略使用基于锁相环的单位矢量模板从失真的输出源中提取参考信号。为了得到电压的单位矢量模板，传感输出电压并乘以增益等于1/Vp，其中Vp为基波输出电压的峰值。这些单位矢量模板然后通过锁相环进行信号同步。得到不同相位的单位矢量模板如下: |
 （2） |
 （3） |
 （4） |
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| C.直流/交流两电平逆变器控制器设计 |
| 控制器通过将系统参数限制在规定的范围内，在控制和维持整个系统的正常运行中起着重要的作用。图5给出了并网两级光伏逆变器的控制器。如图5所示，我们需要利用电网的功率反馈来控制电网中的有功功率和无功功率流，并使电网电流保持在规定的范围内。在控制器中，将电网功率与参考功率进行比较，然后将结果信号馈送到功率控制器，由功率控制器提取出dq轴上的参考电流信号。再将参考电流转换为三相分量，将参考电流与电网电流和误差信号进行比较，反馈给滞后控制器，直接产生控制信号或发射脉冲，使逆变器将电网电流维持在规定的范围内。 |
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并网三电平pv逆变器的仿真研究 |
| 三级并网光伏逆变器的作用是通过降低thd、提高电压等级来改善并网太阳能发电系统的电能质量。 |
| A.提出的三电平逆变器的电网集成光伏系统 |
| 本文提出的并网光伏系统的基本结构如图6所示。该系统由光伏组件作为直流电源、DC/DC功率变换器、多级DC/AC功率变换器、电力变压器、阻性负载和交流电网组成。输入电源通过光伏组件的直流电源馈电，该输出电压值被升压到所需电平，采用dc/dc升压变换器获得线路电压。DC/DC升压变换器的输出是提供给多级DC/AC功率变换器的直流电源。 |
| 在本系统中，给三相电网的平衡电压为: |
 （5） |
 (6） |
 (7） |
 （8） |
| 其中Vp为峰值电压。 |
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结果和讨论 |
| 三电平逆变器产生的三相电压和电流是正弦和平衡的。三电平逆变系统在电网中电压和电流的总谐波畸变比二电平逆变系统在很大程度上降低。并提供无功功率补偿在PCC和减少电磁发射。结果表明了基于MLI的并网光伏系统的有效性。 |
| 图8 (a)为基于三电平逆变器的并网SPV系统直流电源电压和电流。图8 (b)为基于两级逆变器的并网光伏系统直流电源电压和电流。从结果中可以清楚地看出，在直流升压阶段产生的电压和电流的量级在产生400伏特，20安培的两个级要小于产生大约400伏特，50安培和高失真的三个级。 |
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| 图9(a)为三电平逆变器模型下各单元有功功率和无功功率的流动情况。图9(b)显示了逆变器和电网两电平逆变器模型下p.u中' P '和' Q '功率的流动情况。不同之处在于，基于三电平逆变器的系统向电网提供“Q”功率补偿，同时提供高“P”发电量，即约 |
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| 图10 (a)和(b)为三电平、二电平逆变器和电网的三相电压电流波形。从两幅图的波形可以清楚地看出，三电平逆变器给出的电流和电压的正弦波形幅度较大，波动幅度较小。 |
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| 图10(a)和(b):三电平两电平逆变器gri连接SPV系统中逆变器和无极母线的三相电压和电流。 |
| 图11 (a)和(b)明确了两种系统THD水平的差异，在三电平逆变器系统中，逆变器输出电压为0.37%，而在两电平逆变器系统中，输出电压失真水平为38.51%，过高，对电网交互DER的电能质量产生反影响，这是IEEE标准所不允许的。 |
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| 图12 (a)和(b)基于三电平逆变系统的电网或无穷母线电流中的THD含量为5.93%，而在提供给系统的相同输入条件下，两电平逆变系统的THD含量为197.67%，失真水平相差很大。 |
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结论 |
| 随着逆变器中开关数量的增加，mli非常有益，这增加了逆变器的电平，交流输出电压和电流的谐波失真降低，它还为交流电网提供无功补偿，并减少电磁发射，因为它们工作在较低的开关频率上。 |
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