级联H桥光伏并网逆变器混合调制策略
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
合肥工业大学电气与自动化工程学院的研究人员王付胜、张德辉、戴之强、杨乐，在《电工技术学报》2016年增刊1上撰文指出，单相级联H桥光伏并网逆变器具有模块化易拓展、输出电流谐波低等优势。但H桥模块的直流侧光伏电池板由于环境因素导致其输出功率不平衡，甚至一路或多路H桥的功率降为0，使得该模块成为虚设单元，影响了系统的稳定运行和冗余能力。
因此提出一种改进的“方波+脉冲宽度调制+排序算法”的混合调制策略，利用低频方波调制从根本上扩大系统的稳定工作范围并配合高频脉冲宽度调制减小输出波形的谐波分量。同时对直流侧电压误差进行排序控制实现最大功率点跟踪，并在此基础上从有功功率角度分析了系统的稳定工作条件。
所提出的混合调制控制策略结构简单、容错性强，能够实现对虚设单元的稳定控制以及正常模块的独立最大功率点跟踪性能。最后通过仿真和实验验证了所提混合控制方案的正确性。
由于传统发电造成的环境污染问题和光伏（Photovoltaic，PV）电池板价格的降低，太阳能从可再生能源中脱颖而出，因而光伏并网逆变器也逐渐成为研究的热点。级联H桥（CascadedH-Bridge，CHB）多电平逆变器具有模块化易拓展、效率高、可以产生高质量的并网电流等优势[1-15]，并已应用于电机驱动、静止无功补偿器、有源电力滤波器等场合[4-6]。
由于光伏电池板正好解决了该拓扑结构需要大量直流电源的缺点，并且比较容易实现独立最大功率点跟踪（Maximum PowerPoint Tracking，MPPT）性能，因此级联H桥多电平逆变器被认为是下一代光伏并网逆变器最合适的替代者[2, 3]。
尽管级联H桥逆变器已成功应用于中高电压场合，但是在光伏系统中的应用仍面临着严峻的挑 战[7-9]，这是由于PV板受环境影响呈现出的多样性和引起的功率失配问题。失配导致有功功率输出占较大比重的H桥模块出现过调制现象[12]，更严重的工况下，当一块或多块PV板被完全遮蔽时，其输出功率和电压均降为0，使得合成的输出电压不能满足系统要求，影响了系统的稳定工作和冗余能力。
目前鲜有文献针对上述问题提出有效的解决方案[9-15]，文献[10,11]采用一种改进的特定谐波消除（SelectedHarmonic Elimination，SHE）调制方式，能够实现轻微失配条件下的系统平衡，但是该调制算法本身实现困难且没有分析极度不平衡的工况。文献[9,12]将功率因数作为一个自由度，并且在功率极度不平衡时能够通过无功功率的注入维持系统稳定，但是该方法并没有从根本上扩大系统稳定运行域且对于光伏并网系统是不允许无功功率流入的。
文献[13]提出了一种混合调制策略用于解决级联整流器中的负载不平衡问题，但是该方法并不能够实现光伏系统中直流侧电压的MPPT且并没有分析该方法的适用范围。对于存在虚设单元的级联结构，文献[14, 15]采用一种单电源的工作模式以及相应的调制策略，能够在具有单个直流源和虚设单元的级联系统中稳定工作，但是该方法仅针对两个H桥串联的结构，扩展困难、控制复杂，其中电压平衡问题仍然是一个挑战尤其是在功率不平衡条件下。
本文提出了一种改进的“方波+PWM+排序算法”混合调制策略（Hybrid PWM，H-PWM），采用高频PWM产生具有低次谐波的输出电流，配合具有较大调制基波的低频方波调制，从根本上提高系统的稳定运行范围。采用对直流侧电压误差进行排序控制，确定每个H桥模块的正确开关状态以实现跟踪最大功率点电压，同一个周期有且仅有一个模块工作于PWM模式而其余模块均工作于固定模式，有利于降低开关频率。
该方法在正常工况和不平衡条件下，甚至在存在多个输入功率为0的虚设单元的拓扑结构中，仍然能够使得级联H桥光伏并网逆变器稳定运行并具有良好的输出波形，且实现独立MPPT，提高逆变器的稳定工作裕度和冗余能力。
图9 基于dSPACE的级联H桥样机
结论
本文提出一种改进的“方波+PWM+排序算法”的混合调制策略应用于级联H桥光伏并网逆变器。利用低频方波调制从根本上扩大系统的稳定工作范围并配合高频PWM调制减小输出波形的谐波含量，同时对直流侧电压误差进行排序控制实现最大功率点跟踪。
该方法具有良好的动态性能和稳态性能，从根本上扩大了系统稳定工作范围，并且控制结构简单、容错性强，同时在满足稳定条件的前提下适用于存在一个或多个虚设单元的级联系统。