陈元娣1，2，刘涤尘1，朱忠尼2，徐海波3，何思模3

(1.武汉大学电气工程学院，武汉 430019；2.空军雷达学院信息对抗系，武汉 430019；3.广东易事特电源股份有限公司，东莞 523808)

摘要：本文在作者提出来的一种混合控制的光伏并网级联逆变器的基础上，提出了一种梯形波叠加方式下单元逆变器导通角的简易算法，计算了不同位置下单元逆变器的输出功率，提出采取逆变器轮流工作方式解决电池模块输出功率不平衡问题，并对各级联单元光伏电池如何配置进行了分析和计算，通过仿真，证明其正确性。

关键词：级联、阶梯波控制、光伏并网

1. 引言

目前，太阳能光伏并网发电系统作为分布式发电系统的一种，一般具有单级式和两级式并网光伏发电系统结构。在这两种传统的工作模式下，逆变器开关管的电压应力高、开关频率高，损耗较大，光伏电池需串联到足够的电压等级，从而使得整个系统的可靠性降低，系统抗电池局部阴影能力减弱，采用集中式最大功率跟踪(MPPT)，将严重降低整体效率，同时，这种系统通常是基于三相平衡电网，没有考虑到电网为不平衡的情况。

针对目前这种情况，为了提高系统的可靠性，避免更多的太阳能光伏电池串联，我们提出采取级联方式实现光伏发电并网的方案。级联变换器具有所有多电平逆变器的优点，还有自身的一些特点：输出电平数相等时，所需器件数量最少；不用钳位二极管和钳位电容；不存在电容电压平衡问题；易于用基频方法模式叠加控制，开关损耗小。但传统的叠加方式存在单元逆变器导通角在线计算困难，每组逆变器(光伏电池)输出功率不相等问题，结合这两个问题，本文提出了一种梯形波叠加方式下单元逆变器导通角的简易算法，计算了不同位置下单元逆变器的输出功率，提出采取逆变器轮流工作方式解决电池模块输出功率不平衡问题，并对各级联单元光伏电池如何配置进行了分析和计算，通过仿真，证明其正确性。

2.混合控制级联多电平逆变器结构

我们研制的一台50kW光伏并网混合控制的级联多电平逆变器单相结构见图1所示，电路由4个单元级联而成。H1~H3单元为阶梯波控制，H4单元为瞬时值控制。

单元间直流电压的不同比值，其级联的电平数是不相同的。应用较多的是单元间电压为1：1和1：2两种级联方式。我们选择单元间直流电压Udc1和Udc2的比值为1：2，Udc1为70V，Udc2为140V。

H4单元为带瞬时值反馈的SPWM工作模式。与一般的SPWM工作模式下的逆变器的区别在于：它只有正向输出、反向输出和旁路三种状态，而没有四只开关器件都不导通的零状态。因此，它适合采取倍频SPWM调制方式，即用两个频率、幅值相同，相位相反的正弦波和载波三角波交截产生两路控制信号，分别控制逆变桥的左右桥臂的上管，每个桥臂的上下管互补导通。

2.1阶梯波控制逆变器触发角的计算

图2为逆变器阶梯波控制部分正半周期输出电压波形，波形关于处左右对称，负半周波形关于横轴与正半周反向对称。级联逆变器阶梯波控制法的逆变器触发角有很多种算法，其中波形逼近法给定法是应用较多的一种方法。结合图2的阶梯波形，我们提出一种简便的触发角取值方法。

根据上述方法，得到：

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3．阶梯波控制存在的问题及解决方法

从图2的工作波形可以看出，各个H桥在一个周期里导通时间是不一样的，如果系统一直保持这种工作方式，则H3桥光伏电池比H2桥光伏电池要求输出功率大些，这种不平衡会导致H3桥与H2桥直流母线电压不相等，输出功率小的电压要升高，输出功率大的电压要降低，而且对电池寿命也不利。为此，我们通过软件设计来保持系统中电池输出功率基本平衡。由于H1桥的电压与H2、H3桥电压不等，我们只控制H2、H3桥。假设图2中H2桥的工作方式为工作模式1，H3桥的工作方式为工作模式2，两个周期完成两种工作模式轮流切换一次，从而实现H2、H3桥工作平衡。整个阶梯波控制部分工作模式如图3所示。

4．光伏电池的配置

通过工作模式轮换，H2、H3桥工作平衡，但H1、H4桥在一个工作周期里输出功率和H2或H3桥是不相等的，这就需要对光伏电池进行正确的配置，对光伏电池进行合理的分配功率，让电池得到充分的利用。

H2桥和H3桥经过模式轮换后，输出平均功率基本相等，输出的平均功率为：

因此，在电池容量的选配上，H2、H3、H4桥的最大输出功率相等，约为H1桥最大输出功率2倍。选用SPS100-12型光伏组件，H1桥选用5个组件串联，5块串联的组件相并联；H2、H3、H4桥选用10个组件串联，5块串联的组件相并联。

5．仿真结果

在理论计算的基础上，进行了仿真验证。仿真条件如下：电网电压为220V；滤波电感10mH；前三个单元为梯形波控制，单元输入直流电压分别为80V，160V，160V；第四单元采取倍频SPWM调制方式，输入直流电压为160V，载波频率为1kHz，占空比为1。其中，(d)、(e)中由于逆变器输出电压与电流有相位差，电流出现负值，负电流由直流母线电容吸收。

6． 结论

本文对混合控制的光伏并网级联逆变器中的梯形波控制部分触发角进行了计算，同时对级联逆变器存在的问题进行了探讨并提出了解决方案，对光伏电池的配置进行了理论计算。通过仿真，取得了满意的结果，与理论分析一致。这种控制方式的级联逆变器具备开关次数低、可靠性高，输出波形质量好的优点。

本研究得到广东易事特电源股份有限公司2007年粤港招标项目：500KWp大型太阳能光伏发电系统关键技术(TC07BF09-8)资助。