级联式逆变器在光伏并网系统的应用研究
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2 光伏并网系统的控制策略
结合单级光伏并网系统控制策略以及级联式逆变器控制策略两者的特点，为获得与电网侧同相位的并网电流，前级DC-DC电路对光伏电池电压升压并实现最大功率跟踪控制，后级DC-AC电路采用阶梯波控制和电流环控制的混合控制策略。在这种策略控制下的光伏并网系统，并网电流与电网电压相位保持一致，并能实现最大功率跟踪。限于篇幅，前级的最大功率跟踪控制本文将不作介绍，本文重点介绍级联式逆变器部分的控制策略。
2．1 基于阶梯波控制的PWM载波调制控制
对于级联式逆变器部分的控制系统，文献提出一种高效PWM载波控制方式，此方式是基于阶梯波控制的前提下形成。PWM载波控制策略是：前3级采用阶梯波控制，第4个H桥引入PWM方式。具体操作为：前3个H桥输出的波形叠加后形成阶梯波，以电网侧理想正弦波减去叠加的阶梯波作为第4个H桥的调制波，调制波与传统三角载波进行比较，确定第4个H桥的PWM控制。这种PWM载波控制方式比4个H桥都使用阶梯波控制方式效果更好。图2所示系统中，前3个H桥采用的阶梯波控制是利用级联式多电平结构特点实现控制。图3以三级级联电路为例说明，在导通角分别为θ1，θ3，θ5时，控制3个H桥依次导通，输出电压逐级增加，且波形对称分布。导通角度的计算可以采用面积等效法进行计算获得，也就是以阶梯波与横轴的面积等于正弦波与横轴的面积为准则。如果计算得到的导通角为θ1，θ3，θ5，在正半周期内，在[θ1，π-θ1]，[θ3，π-θ3]，[θ5，π-θ5]区间3个H桥分别导通输出正向电压。负半周期导通方式与正半周期类似，输出负电压叠加，其余时间各H桥则输出零电压。本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/201809/388670.htm
2．2 电流环捏制
前文介绍了前3个H桥的控制方式，为了保证并网电流与电网电压相位一致，需在第4个H桥引入电流环控制。如图2所示的级联式逆变器电流环控制系统中：前级DC-DC电路的最大功率跟踪控制决定直流侧电压参考值UDC(ref)，此参考值与实际直流侧电压值UD的差值通过PI调节器决定并网电流的幅值指令，该幅值指令与电网电压的相位正弦值sinωt相乘，得到电流调节器的参考值(Iref)，此参考值与实测电流值误差通过电流控制器得到的PWM信号，再通过驱动电路去控制第4个H桥的开关管，电流控制器是基于PR调节器进行设计而得到的。级联式逆变器电流环控制流程图如图4所示，其中电流控制器部分的设计思路为：电流参考值与实测电流值误差通过PR调节器得到的信号，与电网侧电压以及前3级输出叠加阶梯波电压的运算值作为第4个H桥的调制波信号，然后将此信号与三角载波比较生成的PWM信号来控制第4个H桥的开关管。图4中PR调节器采用其改进形式为：
选择PR调节器的好处是：选择合适的参数(ωc)得到更好地控制调节器性能，对于ωc的选择，可以得到不同的基频处增益，以满足对于稳定性的要求。
3 基于级联式逆变器光伏并网系统的仿真研究
本文仿真是基于级联式逆变器光伏并网系统的Matlab／Simulink仿真。Matlab版本为Matlab R2012a，基于上文所描述的控制方式，通过选择合适的参数进行仿真。部分参数的选择为：并网电感4 mH，PR调节器参数选择为：KP=0．2，ω=314 rad／s，KI=20，ωc=10，PI调节器参数比例系数取0．4，假设标准光照环境下光伏电池DC取36 V，DC-DC升压电路占空比取0．64。主电路采用4级级联的方式，电网有效值220 V，频率50 Hz。设定强弱光照下并网电流参考值幅值分别为30 A，20 A，得到的仿真波形分别如图5、图6所示。
由图5、图6可以得知：在此种控制方式下，不管光照强度如何，并网电流与电网电压同相位，能够进行并网，验证了前文所述控制方式的可行性。
4 结语
级联式逆变器其输出的波形接近正弦波，具有更小的谐波，采用阶梯波控制与电流环控制方式能够在强弱光照下进行很好的并网。Matl ab／Simulink仿真分析验证此种方法的正确性。同时由于多个独立电源的串联，开关管的耐压与du／dt只取决于与之并联的直流电源，将会减小。这些都能很好地解决传统的单级式或多级式太阳能光伏并网系统结构上一些不足，提高系统的稳定性和效率。
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