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网格连接的建模与控制采用简化的光伏电站模块化多电平变换器的模型
穆罕默德·阿尔萨达
电气工程系
科罗拉多大学丹佛分校
丹佛，科罗拉多州，美国
电子邮件：Muhammad.Alsadah@ucdenver.edu
费尔南多·曼西拉 - 大卫
电气工程系
科罗拉多大学丹佛分校
丹佛，科罗拉多州，美国
电子邮件：Fernando.Mancilla-David@ucdenver.edu
摘要本文的目的是实现一个模块化多电平转换器（MMC）的简化模型用作光伏电站和光伏电站之间的接口交流电网。 基于MMC的拓扑结构以及光伏（PV）数组具有大量组件，因此难以详细模拟。 因此，研究人员为MMC和PV开发了简化模型数组来说明他们的终端行为。 本文提出使用终端行为建模技术为MMC和文献中提出的光伏阵列，开发了完整的模型单级并网光伏电站。 论文通过计算机模拟演示了MMC的能力注入时执行最大功率点跟踪可调无功功率，类似于传统的两电平电压源转换器。
关键词 - 模块化多电平变换器，光伏发电植物，终端行为模型一，导言可再生能源收集是一个活跃的研究领域由于能源需求的增加和人们的关注支付环保[1]。风和光伏（PV）能量是被研究的能源之一并且现在发展了。虽然风能很好成熟的技术已经在行业中长期部署自此，光伏技术仍在经历发展。支持系统，如电源转换，传输和控制也在同时发展。典型的PV模块产生大约21V的开路直流电压最大功率点（MPP）电压约为16 V [2]。一个模块的平均输出功率大约是一对百瓦。因此，对于并网应用，a需要大量模块串联连接产生适当的电压电平。而且，够了字符串数必须并联连接才能满足所需的吞吐量。因此，包括每个光伏电池进入仿真平台的细节差不多不可能。终端行为的许多方法光伏阵列的模型已经出现在文献中。在特别是，[3] - [4]作者在一个模块中整合了连接的任意数量的PV电池的行为系列和/或并行。
在具有所需的DC电压电平之后的下一阶段电源是将此直流电转换为交流电并控制电源电力流向电网。电压源转换器（VSC）具有一直在提供互连各种可再生能源的手段现有AC网络的资源。传统的VSC通常使用由链条实现的两级或三级逆变器绝缘栅双极晶体管（IGBT）的连接系列。该技术有许多缺点，例如每个IGBT的电压分布问题很高开关损耗和电能质量差[5]。在早期的2000年代，一种名为Modular Multilevel的新型转换器技术转换器（MMC）开发[6]。 MMC是由组成的许多子模块（SM），反过来是由浮动DC馈电的半桥转换器单元组成电容。该配置也称为桥接桥转换器（BoBC）。对于高压应用，MMC将拥有非常多的这些半桥转换器，超过一千，这意味着MMC的数学表示将超过一千个微分方程。这会导致计算机模拟这种类型的模型非常困难需要很长时间。因此，研究人员正在排泄努力想出一个代表实际的等效模型转换器的行为，但更简单，更容易模拟。本文采用了最近开发的简化版[7]中介绍了MMC的终端行为模型。该model用互连PV阵列的接口面板到网格。本文的结构如下。第二节描述了MMC的操作原理。第三节提出了建议的等效简化终端行为MMC的模型。光伏阵列的模型和设计是第四节介绍。第五节介绍了综合MatLab / Simulink中的模型，然后是Section中的案例研究VI。最后，简要讨论和结论第七节。
II。 MMC拓扑和操作原理
- 拓扑三相MMC有三条腿，每相一个，每个腿有两条胳膊。 MMC的主要组成部分是半桥子模块（SM单元），如图1（a）所示。
每个臂包括n个串联连接的那些子模块和串联电感器，其提供电流控制在相臂内并限制故障电流。 每个SM由两个IGBT，两个反并联的双极和一个组成电容。 SM的数量取决于所需的电压评级和功率水平。 这是一个典型的结构配置如图1（b）所示。 主要优点这种结构具有出色的波形质量，模块化，可扩展性和容错性[8]。
B.行动
子模块中的两个IGBT开关（T1和T2）是在正常操作期间互补地控制，即当一个开启时，另一个被关闭，反之亦然。有两种情况，T1和T2都被转动OFF：在初始启动（通电）期间，或在发生的情况下严重失败。 在通电状态期间，电容器
如果电流从正DC极流出，则将被充电到AC终端。 但是，如果电流流入相反方向，反并联二极管绕过电容。 T1和T2都接通的状态将永远不会发生，因为它会导致短路电容。 在正常运行期间，SM输出电压
图。1。 （a）具有n个半桥的三相AC / DC MMC的示意图子模块。 （b）单个半桥子模块。
图2. SM单元和电流路径的不同状态。
VSM等于电容器电压VC或零取决于开关状态，如表I所示T1为ON，T2为OFF，VSM等于VC，无论如何电流方向。 当T1为OFF且T2为ON时，VSM为零。 SM的不同状态和当前流量方向如图2所示腿中的SM等于DC总线电压。 所需AC端子的正弦电压可以通过以下方式实现调整每相臂电压的比例[1] - [2]。
III。 建议的简化模型
参考文献[7]考虑了三相AC-DC MMC有n个子模块。 等式（1） - （3）构成平均值电路的动态模型，其中vNSB定义为桥中性电压，平衡时通常为零运行条件。 平均等效电路示意图如图3所示。
占空比dBij可以使用其相应的AC来表示和DC组件如下：
通过操纵（1） - （5），可以显示AC稳定状态下MMC的终端行为是降压DC-AC转换器，而DC端子表现稳定作为升压DC-DC转换器。 基于这个结论，[7]中的作者提出了简化的终端行为模型，展示了基本的提升 - 降压MMC的操作，如图4所示。平均模型可以用平均值填充利用FPGA实现单刀双掷开关受控电压和电流源，如图5所示该电路的状态空间模型可以通过写入来开发每个电抗元件的干式方程。 从...开始AC侧的三极电感，以下三种方程可以导出：
图3.（a）MMC的一个臂的等效电路。 （b）平均用于三相AC / DC MMC的等效电路。
图4.由a表示的三相DC / AC MMC的等效电路升压降压转换器。
在直流侧，极电感和投掷电容可以由以下等式表示：
将使用图5中所示的等效电路作为转换器模型在本文的模拟部分。
IV。 光伏阵列设计与建模
“用于光伏发电的单元到模块到阵列的详细模型”在[3]中介绍的“面板”将用于模拟PV要在模拟部分中使用的数组。 相当于阵列电路由两个受控电流源组成和两个电阻，如图6所示。有五个PV阵列模型中的参数与它们相关另外，（11），基本上是I-V曲线方程。
图5.等效电路填充了平均实现的SPDT开关。
图6. PV电池的等效电路。
该模型需要一些参考参数特定数组作为等式的输入。参数是：理想因子（nref），光电流（Iirr，ref），二极管饱和电流（I0，ref），并联漏电阻（Rp，ref），和串联电阻（Rs，ref）。参考文献[3]提供了一个通过查找这些参考参数的详细步骤评估（11）在五个不同的条件下发展五个方程式，允许求解五个参考参数。方程组是隐式和非线性的;因此必须以数字方式解决。
由SUNPOWER制造的PV板“E19 / 425”是用于本文的模拟部分。五个参考通过求解计算该特定面板的参数[3]中的方程组使用非线性求解器MatLab中的“fsolve”。计算出的参数列于表二。请注意，图7中所示的模型类似于单个单元格的那个，但是说明了数组的行为任何大小[3]。
本文考虑模拟的系统需要额定直流电压约为625V，转换额定值为560kW电网的吞吐量。为了满足这个要求，串联电池的总数应为1152个电池和并联连接的电池数量应为142个电池。使用此数量的单元并在标准测试中运行条件（辐照度= 1000W / m2 和T =25C），运行MatLab / Simulink仿真来生成I-V和该阵列的P-V曲线，如图7所示。
从I-V和P-V曲线可以推断出选定的单元数满足设计要求。 如细胞的输出受到辐照度和水平的影响电池温度，确保输出是非常重要的在限度内。 因此，模拟是在极端情况下进行的辐照度和温度（最大值和最小值）。 它发现这个数组提供了下面的要求各种条件列于表III。
V. MATLAB / SIMULINK中的系统模型
A.对MMC进行建模
建立了图5所示的MMC等效电路在Simulink环境中使用PLECS Blockset。系统组件的大小如表IV所列。
- 直流链路电压控制器设计
用于管理DC链路的控制器类型电压，Cdc，是一个引导控制器，然后是集成商。 考虑了控制器的传递函数对于这种设计，在（12）和（13）中给出，其中p是极点滤波器N（s）和alpha;是大于1的常数。开环系统的增益在（14）中给出，其中Gp，d是转移MMC系统的功能。 该控制器的参数在表V中定义。
图7.（顶部）SUNPOWERreg;E19/ 425光伏阵列的I-V曲线。 （底部）P-V曲线
该设计所需的相位裕度选择为45°。接下来，环路增益的大小（没有0 k）是在拐角频率处计算，然后计算0 k基于这个幅度值，以这种方式的幅度为转角频率等于1。
接下来，计算m，环路增益的相位（无0 k）应在拐角频率处计算。 然后，m是以相位裕度满足的方式计算期望的标准，即45。 随着所有这些计算参数，可以计算，然后是p，最后是0 n。
最后，设计的控制器的传递函数是在（15）中给出，并且使用来验证系统稳定性
MatLab / SISOTOOL如图8所示。电压控制器输出是进入的电源指令（Pref）电流控制器，反过来控制有功和无功功率。
C.最大功率点跟踪器
上述电压控制器接收直流链路来自最大功率点跟踪器的电压命令（Vdc，ref）（MPPT）。 本文中用于MPPT的算法是增量电导（IC），用于调整命令电压跟踪最大功率。
D.标准电流控制器
电流控制器是在D-Q参考中开发的框架，其中abc电流转换为两个组件，id和iq; 前者控制有功功率而后者则控制无功功率。 命令（Pref）从电压控制器和命令（Qref）接收手动设置为所需的值。 这两个命令去了进入由PI控制器组成的电流控制器前馈条款。 电流控制器的输出将是控制降压DC / AC转换器的占空比
E.交流电网模型
交流电网简单地由三个理想的受控电压源建模，每个相一个。 电网电压是假设是270V，以及整个系统的原理图模型如图9所示。
VI。 模拟和结果
PV模型用80秒的曲线进给
辐照度和温度如图10所示。模拟跑了一整天，花了大约12分钟完成。 测量的注入有功功率如图2所示。11与最大理论功率进行比较光伏阵列的功率点（Pmpp）。 无功功率是命令处于单位功率因数，如图11所示。
图8.基于MatLab / SISOTOOL进行系统稳定性验证。
图9.在MatLab / Simulink中实现的整体系统模型，使用PLECS Blockset
平均交流电压和电流的波形注入电网的情况如图（12）所示。 电压控制器和最大功率点跟踪器成功遵循理论最大功率点电压（Vmpp），如图13所示。
图9. MatLab / SVII中实现的整体系统模型。 讨论和结论[7]的主要思想是通常表明MMC由一个非常大量的子模块组成数学表示成为大量的微分方程。 例如，如果MMC具有1,000 SM单位，那么将有1000个微分方程代表模型。 用。模拟转换器电路所有这些方程都很乏味，需要很长时间完成。 解决方案是提出一个等价物电路更加简单，模拟速度更快，并且但是从终端行为中有足够的代表性透视。 参考文献[7]通过逐步提出数学操作，MMC的简化模型以升压降压转换为代表。 本文利用了这一点提出的模型，以将光伏阵列互连到电网，以及仿真结果呈现。 imulink，使用PLECS Blockset
图10.辐照度和温度曲线。
图11.（顶部）传输到电网的测量有功功率（P）。 （底部）测量的无功功率（Q）
图12.（顶部）平均交流电压（底部）注入电网的电流
图13.与理论Vmpp相比的直流链路电压
参考文献
[1] M. Davies，M。Dommaschk，J。Dorn，J。Lang，D。Retzmann，D。
Soerangr，“HVDC PLUS - 基础和操作原理”，
西门子能源部门，2008年8月。
[2] B.杨; W. Li，Y。Zhao，X。他; ，“电网连接光伏发电系统的设计与分析”，IEEE电力交易会
电子学，vol.25，no.4，pp.992-1000，2010年4月。
[3] H. Tian，F。Mancilla-David，K。Ellis，E。Muljadi，P。Jenkins，“用于光伏电池板的电池到模块到阵列的详细模型”，太阳能，
第86卷，第9期，2012年9月，第2695-2706页
[4] H. Tian，F。Mancilla-David，E
资料编号：[5998]
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