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小容量太阳能并网发电系统
作者：Jinn-Chang Wu , Kuen-Der Wu , Hurng-Liahng Jou , Sheng-Kai Chang
摘要: 本研究提出小容量太阳能并网发电系统，该系统由双输出直流-直流功率变换器和七电平逆变器组成。基于拓扑结构的倍压整流用于构成双输出直流-直流功率变换器，将太阳能电池阵列的输出电压变换成两个具有多重关系的受控电压源。七电平并网发电逆变器是由一双 buck 功率变换器和全桥功率变换器组成。双 buck 功率变换器通过高频率脉宽调制变换产生四电平直流电压。全桥功率变换器同步的以有效电压运作，将四电平直流电压变换成七电平交流电压。本文研究的太阳能发电系统将输出和有效电压同相的正弦电流。本文中七电平逆变器的创新处在于两个不对称的直流电压源用于提高电压水平，并且六个具有七电平逆变功能的电力电子开关中只有两个电力电子开关保持在高频切换状态。研究中搭建了仿真模型并测试结果，以此来验证本文所述的太阳能发电系统的可行性。实验结果表明，本文所述的太阳能发电系统具有预期的性能。
- 简介
如今，太阳能发电系统用在配电系统来缓解全球温室气体排放的问题。太阳能电池阵列成本的降低将推动太阳能发电系统的发展。因此，在不久的将来小容量分布式的太阳能发电系统在住宅中将会广泛的使用。由于太阳能电池阵列输出的是断续的直流电，电源变换接口在太阳能并网发电系统 扮演着重要的角色。电源变换接口将由太阳能电池阵列产生的直流电变换成交流电，并接入公用电网。电源变换接口可以是单级或双级。单级的电源变换接口由直流-交流逆变器 组成[3-4]。然而，太阳能电池阵列的输出电压必须与直流-交流逆变器直流母线电压匹配。直流-交流逆变器为太阳能电池阵列和电能从直流电变换成交流电做最大功率点跟踪 (MPPT) 的功能。单级电源变换接口适用于大容量太阳能发电系统。双级电源变换接口需要在太阳能电池阵列和直流-交流逆变器之间插入额外的直流-直流功率变换器[5-7] 。直流-直流功率变换器的功能是最大功率点跟踪和调整太阳能电池阵列的电压，以匹配直流-交流逆变器的直流母线电压。直流-交流逆变器将直流电变换成交流电并接入公用电网。双级电源变换接口适用于小容量太阳能发电系统。
电源变换接口的效率在减少太阳能电池阵列的功率损耗中非常重要。对于有源器件， 直流-交流逆变器的功率损耗包括工作损耗和开关损耗 [8]。开关损耗同电压和电流的变化和有源器件的开关频率成比例。采用多电平逆变器，降低了每个开关的操作电压的变化，从而提高电源的变换效率 [9-18] 。结果，同时还减少谐波含量和电磁干扰，降低了输出滤波器的容量。传统的多电平逆变器拓扑结构包括二极管钳位型 [9-12]、 飞跨电容 [13，14] 和级联H 桥 [15-18] 类型。二极管钳位型和飞跨电容多电平逆变器使用电容建多个电压等级。
然而，这些电容器的电压调整是一个问题。由于不对称电压技术很难在二极管钳位型和飞跨电容多电平逆变器中实现，它们电源电路将因为提高输出电压的水平更复杂。单相七电平逆变器，二极管钳位型和飞跨电容拓扑电路需要十二个电力电子开关。不对称电压技术可以在级联 H 桥多电平逆变器中应用，实现更多水平的输出电压 [18]，所以级联 H 桥多电平逆变器适用于有需要调高电压等级的应用设备中。对于带有实现多重电压等级的直流电压母线的两个 H 桥逆变器可以同单相七电平逆变器连接和使用在有八个电力电子开关中。在近年来，开发了多种七电平逆变器的拓扑结构 [19，20]。
双 buck 功率变换器和全桥功率变换器可以级联连接来构成五电平逆变器 [21]。不对称电压技术可进一步用于在此拓扑中增加电压水平。本文提出了新颖小容量太阳能并网发电系统。该太阳能发电系统由双输出直流-直流功率变换器和七电平逆变器组成。七电平逆变器由双 buck 功率变换器和全桥功率变换器组成，输入不对称的直流电压。基于优化的电压整流拓扑用来构成双输出直流-直流功率变换器，并且它会通过使用只有一个控制器自动生成两个具有多重关系的受控电压。本文的太阳能发电系统生成同相的正弦输出电压和电流，然后接入到公用电网中。本文的太阳能发电系统的突出特点是，两个不对称的直流电压源用于输入双 buck 功率变换器，并且六个具有七电平逆变功能的电力电子开关中只有两个电力电子开关工作在高频切换状态。模型搭建和测试是为了对使用七电平逆变器的太阳能发电系统的性能进行验证。
2.DC-AC整流器的谐波含量
图1.DC-AC逆变器的仿真结果
图1 显示输出电压和两个电平、 三个层电平、 五个电平和七个电平的直流-交流逆变器的仿真结果。调制信号是 60 Hz的 正弦信号，载波信号是 2160 Hz的 三角波信号。调制比为 0.8，直流母线电压是 200 V。如图 1a 所示， 两电平逆变器的输出电压切换在之间 200 minus; 200 V之间，其主要的谐波分量频率和载波频率相近。两电平逆变器的输出电压总谐波失真 率(THD %) 为 146%。图 1b 所示的输出电压正半周期变换在 200 与0 V 之间，负半周期minus; 200 和 0 V 之间变换，三电平逆变器中。三电平逆变器输出电压总谐波失真 为 76.7%。图 1 c 所示，五电平逆变器的输出电压切换在 200、 100，0，minus;100 和 minus; 200 V之间。五电平逆变器的输出电压总谐波失真 为 38.3%。图 1 d所见，七电平逆变器的输出电压切换 在200，133，66，0，minus;66，minus;133 和 minus; 200 V之间。七电平逆变器的输出电压总谐波失真 仅占 24.1%。这显示输出电压增加时能减少谐波分量 和THD的数值。
如图 1 所示，直流-交流逆变器的输出电压包含基波电压和接近载波频率的谐波电压。叠加原理可用于分析不同频率的电路系统。相当于太阳能发电系统可以等效为基波电路和谐波电路组成。直流-交流逆变器输出的基波电压是可控的，它允许在太阳能发电系统控制基波电流。直流-交流逆变器输出电压的谐波成分导致输出电流的谐波分量，可视为开关纹波。如果该分量具有信号失真小，谐波等效电路中有效电压可以视为短路。因此可以确定开关纹波，输出电压的谐波成分除以滤波电感的阻抗。如果开关纹波是确定的，则随着输出电压的谐波成分的减少，滤波电感器的电感值也会减少，。图 1 显示，随着直流-交流逆变器的输出电压升高，滤波电感值可以减少，。然而，提高直流-交流逆变器输出电压的水平可能会使电源电路和控制电路更加复杂。
3.电路结构
图 2 显示了小容量太阳能发电系统的组成。该小容量太阳能发电系统由太阳能电池阵列、 双输出直流-直流功率变换器和七电平逆变器组成。太阳能电池阵列的输出连接到双输出直流-直流功率变换器的输入。基于拓扑结构的电压整流应用在高升压增益的直流-直流功率变换器[22，23]。因此，基于拓扑的电压整流得到优化，并且应用在双输出直流-直流功率变换器中，以变换太阳能电池阵列的输出电压为七电平逆变器提供两个不对称的电压。优化后的基于拓扑的电压整流可以自动生成两个有多种关系的受控电压，并只用一个控制器来实现。因此，简化了控制电路的双输出直流-直流功率变换器。七电平逆变器由双 buck 功率变换器和全桥功率变换器构成。根据双Buck整流器中电力电子器件的输出电平的变化，双 buck 功率变换器将两个有复合关系的受控直流电压变换成具有四个电平的直流电压。当有效电压是在负半周期，并且全桥功率变换器的输出电压是七种电平的交流电压时，全桥功率变换器同有效电压同步变换，反转四种电平的直流电压，。因此采用高频脉冲宽度调制(PWM)的方式，双 buck 功率变换器的电力电子器件才能不断开断。以这种方式，本文的太阳能发电系统输出同有效电压同相的正弦电流，该有效电压接入电网，以得到一致的功率因数。由此可得，七电平逆变器只有六个电力电子开关是处在工作中，因此简化了电源电路。
4.工作原理
图2.太阳能发电系统的电路结构
如图 2 所示，本文的小容量太阳能发电系统包含双输出直流-直流功率变换器和七电平逆变器。双输出直流-直流功率变换器和七电平逆变器的操作解释如下。
4.1 双输出DC-DC功率整流器
图3 双输出DC-DC功率整流器的运行方式
如图 2 所示，可由两个升压变换器和电压整流电路构成双输出直流-直流功率变换器。由于升压变换器的电力电子开关使用交错的 PWM 波，它们的变换相位相差 180 度。当 S7 处于接通状态时，电感 L1 的电流逐渐增加。当 S7 处于关闭且S8 处于接通状态时，存储在L1中的能量释放， L2 的电流增加。L1能量释放时的电流通路如图 3a 所示。同样地，当S7 处于接通，S8 处于关闭的状态时，存储在L2中的能量释放 ，L1 的电流增加 。L2能量释放时的电流通路如图 3b 所示。在图 3 中，符号 表示电容电压的极性。
为了简化分析，二极管的电压降和电力电子开关将被忽略。如图 3 所示，C3 和 C4的充电通路和 类传统的升压变换器类似， C3 和 C4 上的电压，可以写成
其中 D 是 S7 和 S8 的占空比， Vsol 是太阳能电池阵列的输出电压。由于跨C3 和 C4 电压相等， C5 和 C6 电也等于C3 和 C4的电压。那么，图3中C2可以写成
那么，C1的电压可以写成
如等式(2) 和(3)所示， 双输出直流-直流功率变换器自动将太阳能电池阵列的输出电压变换成两个复合关系的受控电压。因此 VC1 和 VC2 的电压控制可以整合，从而简化双输出直流-直流功率变换器的控制装置。因为交错的 PWM 用于升压变换器，太阳能电池阵列的输入电流纹波频率是 S7 和 S8 的开关频率发两倍。太阳能电池阵列的输入电流中的高频纹波也是远小于 L1 和 L2。在图 2 中，应该注意到，当 C3、 C4在充电时，S7和 S8 不能同时在关闭的状态下，所以 S7 和 S8 的占空比必须 gt; 0.5 。 (3) 所示的电压是两倍以上的太阳能电池阵列的输出电压。因此，七电平逆变器直流母线电压是 太阳能电池阵列的输出电压的六倍以上。因此双输出直流-直流功率变换器提供两个复合关系的受控电压，达到不使用变压器也有高升压增益并简化了控制器。
4.2 七电平逆变器
如图 2 所示，七电平逆变器由双 buck 变换器、 全桥功率变换器和滤波电感组成。双 buck 变换器的工作有四种模式。双 buck 功率变换器的输入电压是VC1 和 VC2。双 buck变换器的工作模式如下所示:
模式1: S1开启 ， S2 关闭，双 buck 变换器的输出电压是 VC1。
模式 2: S2开启 和，S1 关闭，双 buck 变换器的输出电压是的VC2 (= 2VC1)。
模式 3: S1 和 S2都 打开，双 buck 变换器的输出电压是 VC1 VC2 (= 3VC1)。
因为VC1 和 VC2 具有复合关系，双 buck 变换器的输出电压有四种电平: 0，VC1，2VC1 和 3VC1。全桥功率变换器的电力电子开关工作在低频段，和程序同步。全桥功率变换器进一步将双 buck 变换器的输出电压变换为七种电平的交流输出电压: 3VC1，2VC1，VC1，0，minus;VC1，minus;2VC1 和minus;3VC1。
双 buck 变换器的输出电压可以分成三种模式: (0，VC1)，(VC1，2VC1) 和 2VC1 (3VC1)。从双 buck 变换器的角度来看，全桥功率变换器是将有效电压和七电平逆变器的输出电流变换为其绝对值的电路。双 buck 功率变换器应根据其有效电压的绝对值调整其输出电压。因此，在双向双 buck 功率变换器功率电子开关的操作必须遵循有效电压的幅值原则。根据有效电压的绝对值，由于双 buck 功率变换器的输出电压包含四种电平，双 buck 功率变换器的工作模式可以分为三种电压范围: (0，VC1)，(VC1，2VC1) 和(2VC1，3VC1)。图 4 显示从双 buck 功率变换器的角度下，七电平逆变器的等效电路。
图4 从双 buck 功率变换器的角度下的七电平逆变器的等效电路
当有效电压绝对值小于 VC1 时，双 buck 功率变换器工作电压范围内 (0，VC1) 。在此工作的电压范围内，双 buck 功率变换器工作在开关模式 1 和模式 4 之间。图 4a 显示七电平逆变器的等效电路的工作电压范围内 (0，VC1)。这是 buck 变换器的第一种工作模式，和常规 buck 变换器相似。在这种类型的 buck 变换器，电压源是 VC1。应该指出的是，buck 变换器的输出电压是有效电压的绝对值，并且其控制对象电感电流是不可控制的。如果开关 S1打开，电感电流的斜率可以表示为
其中Lf是 滤波器的电感值。输出电流的斜率为正的所以当打开开关 S1时输出电流 |iL|增加。如果关闭开关 S1，电感电流的斜率表示为
电感电流的斜率为负，这意味着当关闭开关 S1 时电感电流 |iL|减小。如(4) 与(5)所示，电感电流 |iL|是通过控制开关 S1 开断来跟踪参考电流信号。在此电压变化范围时，在pwm的作用下开关S1被关闭。S1的占空比d可以表示为
在 PWM 电路中，vm 和 Vtri 分别是调制信号和载波信号的振幅值。双 buck 功率变换器的输出电压可以写成
其中是双buck功率变换器的增益，可以写成
由此导出的闭环传递函数为
其中是电流检测器的增益。
当有效的绝对值是 大于VC1 和小于 2VC1 时，双 buck 功率变换器运行的电压范围 (VC1，2VC1)。在此电压范围内，双 buck 功率变换器和运行在电压范围 (VC1，2V
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