基于级联SEPIC变换器和三相逆变器的最大功率点跟踪优化电网注入

S.Ravivarman¹, T.Samydurai²

印度泰米尔纳德邦特里肯码市兰加美理工学院电子工程学院助理教授
PG学生[PED]， EEE系，K.S.Rangasamy技术学院，特里肯code，印度泰米尔纳德邦

摘要

本文介绍了可再生能源并网的现代单开关直流变换器的建模和控制。该系统由光伏电池、用于最大功率点跟踪(MPPT)的SEPIC DC-DC变换器、三相电网变换器组成。针对负载电流不稳定的情况，提出了一种三相逆变器的非线性控制方法。它允许直流母线电压的整体控制，同时计算从光伏电池到系统的功率流，并保证在不同的太阳照射下客观正弦电网电流以单位功率因数。此外，利用SEPIC DC-DC变换器的滑模控制系统提取最大功率ppt。所提出的控制技术具有良好的性能。在不同的太阳照射值下，使用“电力系统块集”模拟器对系统进行了验证。

关键字

太阳能电池板，MPPT, SEPIC转换器，三电平逆变器，公用电网。

I.INTRODUCTION

光伏能源被认为是绿色能源，因为它不污染环境，而且是可再生能源。因此光伏能源被认为是各种可再生能源中的重要能源。随着光伏电池制造技术的不断进步，光伏电池的效率已经提高到一定的水平，在电力系统中的应用成为可能。最近一段时间，将从光伏源获得的电力注入电网变得越来越受欢迎，因为将有功功率和无功功率都注入电网，从而帮助电网。无论光伏系统是并网、独立还是混合系统，在特定的辐照水平下提取最大可能的功率都是非常重要的，因为它增加了光伏电池的效用。到目前为止，已经提出了许多提高光伏电池效用的方法或技术，这些方法或技术被称为最大功率点跟踪(MPPT)[1]，[2]，[3]技术。介绍了一种新型的具有高电压增益和降低半导体电压应力的单开关非隔离dc-dc变换器。该拓扑利用电压倍增器和/或混合开关电容技术提供高电压增益，而没有极端开关占空比[9]，[13]。基于电压的技术被广泛使用，因为其固有的稳定性，相对于辐照度的变化，由于对数依赖的PV电压相对于辐照度水平。相反，基于电流的技术利用了PV电流对辐照度等级[10][11]的线性依赖关系。在大多数并网光伏系统中，配置包括两个阶段，例如前端的DC-DC变换器在所有可能的大气条件下跟踪最大功率点，后端的逆变器将前端变换器从光伏源提取的功率送入电网。 In the presented paper, a method has been proposed consisting of two stages, having a SEPIC converter at the front end and a three phase inverter at the back end, thereby maximum possible power extracted from the PV modules is injected into the power grid.

2pv模块的数学模型

基本上，一个光伏组件由许多光伏电池组成，以满足终端的要求，如标称工作电压和电流，以满足所需的功率输出。现在有很多单元的大模块，都是串联的，这是很明显的。

图1:串联NS单元的PV模块的等效电路模型

这种光伏组件的电路模型应表示为，一个相对于入射太阳辐射的理想电流源，一个代表光伏电池中PN结的二极管，一个代表漏电效应的集总电阻，它们都并联连接，还有一个代表PV电流沿流动方向的各种效应的电阻，与前面提到的并联组合串联，如图(1)[4]所示。上述PV组件的ivbehavior可以进行适当的解析建模，可以用特征方程[5]表示，如式(1)。

(1）

在哪里

V光伏板输出电压

I光伏板输出电流

光产生电流

IOS反向饱和电流

VT Volts等效温度

一般来说，Rsh的大小足够大，[9]，[10]，以至于对于几乎所有的实际应用，在式(1)中最后出现的项可以忽略，可以简化为式(2)。

（2）

在开路条件下，光伏组件的终端电流几乎为零，表示光伏组件I-V行为的式(2)应提供由式(3)给出的光伏组件的开路电压‘Voc’。

这是增量电导技术背后的基本思想。通常情况下，等式很少出现[8]，因此加入一个小的误差因子来满足条件。

MPPT控制器

最大功率点跟踪检查增量电导法+积分调节器。

dP/dV=0时得到最大功率点，其中P= V*I

d(V*I)/dV = I + V*dI/dV = 0

dI/dV = -I/V

积分稳压器使误差(dI/dV + I/V)最小化

调节器输出=占空比校正

SEPIC转换器

目的是设计和优化一个SEPIC dc/dc变换器(单端初级电感变换器)。SEPIC转换器允许调节直流电压范围，以保持恒定的电压输出。本工作讨论了dc-dc转换器的重要性，以及为什么使用SEPIC转换器而不是其他dc-dc转换器。本文还详细介绍了如何用电位器或反馈控制转换器的输出，以说明如何在电路中实现。从这个项目中，学习了dc-dc变换器的优化和控制。电路在稳定和特定的输入下运行得最好。控制特定子电路的输入对实现设计要求至关重要。交流-交流转换可以用变压器轻松完成;然而，dc-dc转换并不简单。二极管和电压桥对于降低一定数量的电压是有用的，但效率可能很低。电压调节器可以用来提供参考电压。 Additionally, battery voltage decreases as batteries discharge which can cause many problems if there is no voltage control. The most efficient method of regulating voltage through a circuit is with a dc-dc converter. There are five main types of dc-dc converters. Buck converters can only reduce voltage, boost converters can only increase voltage, and buck-boost, Cuk, and SEPIC converters can increase or decrease the voltage.

一些变换器的应用只需要降压或升压，可以简单地使用相应的变换器。然而，有时所需的输出电压会在输入电压的范围内。在这种情况下，通常最好使用可以降低或增加电压的转换器。Buck-boost转换器可以更便宜，因为他们只需要一个电感和一个电容器。然而，这些转换器遭受大量的输入电流纹波。这种波纹会产生谐波;在许多应用中，这些谐波需要使用大电容器或LC滤波器。这通常使buck-boost昂贵或低效。另一个可以使buck-boost变换器的使用复杂化的问题是它们反转电压的事实。Cuk转换器通过使用额外的电容和电感来解决这两个问题。然而，Cuk和buck-boost变换器操作都会对组件造成大量的电气应力，这可能导致设备故障或过热。 SEPIC converters solve both of these problems

操作

所有dc-dc转换器通过快速开关MOSFET/IGBT来工作，通常具有高频脉冲。什么转换器做的结果是什么使得SEPIC转换器优越。对于SEPIC，当脉冲高/ IGBT开时，电感1由输入电压充电，电感2由电容1充电。二极管关闭，输出由电容2维持。当脉冲低/ IGBTis关闭时，电感通过二极管输出到负载，电容器充电。时间百分比(占空比)越大，脉冲就越低。这是因为电感充电的时间越长，然而，如果脉冲持续时间过长，电容器将无法充电，转换器将出现故障，如图2所示。

图2:SEPICConverter操作

三相电压源逆变器

逆变器通常用于中压应用。对于高压大功率应用，逆变器还可作为无功功率和稳压的控制机构。使用多电平变换器拓扑，输出波形可以形成更小的电压步长(dv/ dt)，这也降低了轴承和绕组隔离的应力。它显然也给出了一个较低的总谐波失真(THD)在输出，因为更接近于正弦波形。对于多电平转换器，中压半导体器件仍然可以用于高压大功率应用。仍然存在的问题是电容电压平衡问题。然而，多级变换器在电力电子平台上仍占主导地位。

研究和测试最多的多级类型是:

级联h桥多电平变换器

飞电容多电平变换器

二极管夹紧多电平转换器

对于这一领域，将主要讨论和研究二极管箝位变换器。逆变器开关组合背后的思想是脉宽调制(PWM)。有几种不同的调制策略。其中之一是空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)，这将是这一命题的理论基础。

二极管夹紧多电平转换器

二极管箝位多电平逆变器几乎具有与飞行电容器相同的结构，但这种逆变器类型使用二极管作为箝位装置，产生所需的输出电压。每个电容上的电压定义为V DC /(m−1)，m为电平数，(m−1)为所需电容的数量。因此，对于两级逆变器，电压是VDC，在这种情况下，使用一个电容器。对于三电平逆变器，电压为VDC/2，因此需要两个电容器。这种特殊的设计可以通过增加电容器的数量来增加电平的数量。在这种情况下，术语“中性点夹”经常被使用。它描述了通过直流总线连接的两个电容器之间的中性点，为系统增加了一个额外的电平。如果m是偶数，则中性点未被利用，因此通常称为多点箝位变换器。经验表明，高于三电平转换器的电平会导致电压平衡问题，因此通常使用三电平逆变器，但也有研究表明具有自平衡系统的SVPWMs。

图3:三电平二极管夹紧(中性点)夹紧逆变器

图3显示了三相系统中需要6个二极管的三电平逆变器。这些高电平逆变器在理论上可行，但在实践中行不通。两个二极管夹住开关电压到直流总线电压的一半和Va0之间的差值(例如，当S1和S2打开时，a和0之间的电压是VDC，给出Va0 = VDC)和Van给出一个电容上的电压(VDC/2)。重要的是要补充上开关对和下开关对是互补的。设计一种空间矢量调制三电平中性点二极管箝位变换器，适用于可再生能源发电等高功率应用。主要原因是可再生能源资源不可靠，缺乏均衡输出的形式，需要监管和适应。

3提出了电力抽取和电网注入的方法

在提出的方法中，从光伏组件中提取电力使用SEPIC转换器，它也提供电力作为输入到下一阶段由三相逆变器组成。逆变器以这样一种方式运行，即从光伏组件中提取的功率注入电网，同时也考虑到谐波水平、无功补偿和电流平衡。提出的配置框图如图(2)所示。为了从光伏组件中提取尽可能大的功率，在提出的配置中加入了现有流行的MPPT技术增量电导技术[6]，[7]。这些dc-dc转换器由传统的PWM方法在恒定频率下调节。转换器容器实现大的阶梯上转换比，没有变压器，也继续低电压应力跨所有半导体[11]，设计滑模控制器的最大功率点跟踪光伏(PV)应用程序。它适用于单端初级电感变换器，因此适用于四阶拓扑，但它可以适用于广泛的一类转换器，适用于PV使用[12]，[13]。本文的重点是三相逆变器，在存在本地负载的情况下，将可再生能源接口到微电网的本地总线，如下图4所示。

图4:可再生能源供电的三相电网的典型配置。

四、采用sepic变换器的并网逆变器仿真

利用MATLAB的Sim-Power系统工具箱进行了完整的仿真。SimPower Systems软件和物理建模产品家族的其他产品与Simulink软件一起工作，为电气、机械和控制系统建模。SimPower Systems扩展了Simulink，为电能的产生、传输、分配和利用提供了建模和模拟工具。它提供了这些系统中使用的许多方法的模型，以及三相机器、电力驱动和特定于应用的模型库，如风力发电。用于替代能源的单开关高增益dc/dc变换器MATLAB/Simulink框图如图5所示。可再生的太阳能为SEPIC变换器提供了一定的势能，它具有高增益输出给三电平二极管箝位三相逆变器，并通过同步变压器与电网连接。图(4)所示为上述太阳辐照水平对应的PV组件输出。该图清楚地说明了PV性能与辐照水平的关系。

表1:仿真参数详细信息

图5:.采用单开关SEPIC变换器的并网逆变器matlab /SIMULINK图。

五、输出结果和讨论

下面的图6显示了一天的辐照水平，上升响应类型增加。SEPIC变换器和三相逆变器的对应性能如图(7)和(8)所示。

图6:每日太阳辐射水平

图7:SEPIC转换器输出电压

如图(9)所示，由所提议的结构注入电网的功率对应于前面指定的辐照水平的变化。

图8:三电平逆变器输出电压

图9:电网功率注入和逆变器输出功率。

图9显示了所提出的控制与PV系统在不同辐照水平下的动态响应。如图(7)所示，在不同工况下，电网接口逆变器的输入直流母线电压保持在恒定水平，这是SEPIC变换器的输出，从而保持所提系统配置的良好功能，从而促进有功潮流。

VI.CONCLUSION

太阳辐照度对电能的转化采用级联方法，SEPIC和三线逆变器采用非线性控制技术，能够补偿不平衡负载，实现谐波电流和无功功率的补偿。对产生参考电流的非线性控制进行了修改，使用正级数而不是无源滤波器，这在动力学和鲁棒性方面有许多缺点。同时，为了提高最大功率跟踪的效率和性能，提出了一种滑模控制方法。目前，高阶变换器在工程中发挥着重要作用。不间断电源(UPS)、电力牵引、燃料电池系统和光伏系统等应用都依赖于这种转换器。

参考文献

Salas, E. OlÃ Â±as, A. Barrado, A. La´zaro“单机光伏系统最大功率点跟踪算法综述”，太阳能材料与太阳能电池vol. 90, pp. 1555-1578, 2006。
Sachin Jain和Vivek Agarwal，“具有最大功率点跟踪的太阳能光伏系统单级并网逆变器拓扑”，IEEE电力电子学报，第22卷，no. 2。5, 2007。
霍姆和罗普，“最大功率点跟踪算法的比较研究”，第2期。太阳能学报，2003;11:47-62
Eftichios Koutroulis, Kostas kalaizakis和Nicholas C. Voulgaris，“基于微控制器的光伏最大功率点跟踪控制系统的开发”，电力电子学报，第16卷，第1期。1, 2001。
Thomas Bennett, Ali Zilouchian, Roger Messenger，“用于MPPT目的的光伏模型和转换器拓扑考虑”太阳能，第86卷，pp. 2029-2040,2012。
Azadeh Safari和Saad Mekhilef，“基于Cuk转换器的直接控制方法的增量电导MPPT的仿真和硬件实现”，电子工程学报，第58卷，第1期。4、2011。
Trishan Esram和Patrick L. Chapman，“光伏阵列最大功率点跟踪技术的比较”，能源转换学报，第22卷，第1期。2、2007。
Nicola Femia, Giovanni Petrone, Giovanni Spagnuolo和Massimo Vitelli，“扰动优化和观测最大功率点跟踪方法”，电力电子学报，第20卷，no. 1。4、2005年,
Vladimir V. R. Scarpa, Simone Buso和Giorgio Spiazzi，“低复杂度MPPT技术开发光伏模块MPP轨迹表征”，IEEE工业电子学报，第56卷，no. 1。5, 2009。
高先文，李绍武，龚荣芬，“变天气参数的光伏发电系统最大功率点跟踪控制策略”，太阳能学报，357-367,1993。
Emilio Mamarelis, Giovanni Petrone，和Giovanni Spagnuolo，“用于PV MPPT应用的滑模控制SEPIC设计”，IEEE工业电子学报，Vol. 61, No. 7, pp. 3387-3398,2014。
Ebrahim Babaei，，和Esmaeel Seyed Mahmoodieh，“SEPIC转换器的输出电压纹波计算和设计考虑因素”IEEE工业电子学报，Vol. 61, No. 3, pp. 1213-1222,2014。
Esam H. Ismail, Mustafa A. Al-Saffar, Ahmad J. Sabzali“用于可再生能源应用的高电压增益单开关非隔离DCDC转换器”IEEE科学与工程技术国际会议，斯里兰卡，2010