基于电导增量法的两级式三电平光伏并网逆变器
基于电导增量法的两级式三电平光伏并网逆变器
1. 引言
随着全球能源需求的不断增长以及可再生能源技术的快速发展，光伏发电已成为新能源领域的研究热点。光伏系统的能量转换效率和并网质量直接影响其经济性和可行性。在光伏系统中，最大功率点跟踪（MPPT）技术能够有效提高光伏阵列的输出功率，而高性能逆变器则确保光伏发电的并网质量。本报告将详细介绍基于电导增量法的MPPT控制策略，Boost升压转换器的应用，以及采用NPC（中点钳位）三电平逆变器的并网控制技术。
2. 光伏MPPT控制策略
光伏电池的输出功率受环境条件（如温度、辐照度）影响较大，具有非线性特性。为了最大化光伏系统的输出功率，通常采用MPPT控制算法。本文采用电导增量法（Incremental Conductance, INC），该方法基于光伏阵列的功率-电压（P-V）特性曲线，通过计算电导增量与瞬时电导的关系来跟踪最大功率点。
2.1 电导增量法原理
电导增量法的基本原理如下：
- 计算光伏阵列的电导 $G = \frac{I}{V}$ 和电导增量 $dG = \frac{dI}{dV}$。
- 在最大功率点处，$dP/dV = 0$，即 $\frac{dI}{dV} = -\frac{I}{V}$。
- 当 $\frac{dI}{dV} > -\frac{I}{V}$ 时，工作点位于最大功率点左侧，应增大电压。
- 当 $\frac{dI}{dV} < -\frac{I}{V}$ 时，工作点位于最大功率点右侧，应减小电压。
该方法能够快速收敛至最大功率点，并具有较强的抗干扰能力。
2.2 Boost变换器的应用
MPPT控制输出的最优电压可能不同于负载或逆变器所需的电压，因此需要DC-DC转换器进行功率调节。本文采用Boost升压变换器，其拓扑结构包括输入电感、电力电子开关（如MOSFET或IGBT）、续流二极管以及输出滤波电容。Boost变换器的工作原理如下：
- 当开关导通时，电感储能，负载由电容供电。
- 当开关关断时，电感释放能量，提高输出电压。
Boost变换器能够有效匹配光伏阵列与负载的功率需求，并提高系统的效率。
3. NPC三电平逆变器的设计
传统的两电平逆变器在高功率应用中存在开关损耗高、电压应力大等问题，因此，本文采用NPC（三电平）逆变器。相比于两电平逆变器，NPC逆变器的主要优势包括：
- 更低的输出电压纹波，减少滤波器设计难度。
- 更小的开关损耗，提高系统效率。
- 支持中点电位平衡控制，提高直流母线电压稳定性。
3.1 NPC三电平逆变器拓扑
NPC逆变器的基本拓扑由两个直流母线电容、四个开关器件和两个钳位二极管组成。每相输出可以实现三种电平状态：
- 正电平（$+V_{dc}/2$）
- 中点电平（$0$）
- 负电平（$-V_{dc}/2$）
3.2 控制策略
NPC逆变器的控制主要采用电压外环、电流内环稳定母线电压，并结合空间矢量脉宽调制（SVPWM）进行调节。
- 电压外环控制：采用PI控制器调节直流母线电压，确保其稳定在700V。
- 电流内环控制：采用PI控制器调节交流输出电流，保证电流跟踪参考信号，提高动态响应。
- SVPWM调制：通过空间矢量调制方法优化开关序列，提高输出电压质量，减少谐波失真。
4. 直流母线电压及并网性能
为了确保光伏系统的高效运行，本文对直流母线电压和并网电压的关键参数进行了测量和分析。
- 直流母线电压稳定性：
- 在MPPT和Boost变换器的作用下，母线电压稳定在700V。
- 采用电压外环控制，确保电压波动小于2%。
- 并网电压质量：
- 逆变器输出电压为311V，与电网电压匹配。
- 采用SVPWM调制，输出波形畸变率（THD）仅为1.6%，符合IEEE 519标准。
- 并网电流波形光滑，功率因数接近1。
仿真介绍及获取
仿真获取链接：
三电平逆变器I型NPC+光伏MPPT两级并网仿真
仿真相关图像：
图1 仿真电路图
图2 仿真主电路图
图3 光伏MPPT电导增量法
图4 锁相环结构
图5 电压外环+电流内环电路
图6 SVPWM 仿真电路
图7 网侧电压电流波形图
图8 光伏板输出电压、电流、有功功率波形
5. 结论
本文针对光伏MPPT控制与NPC三电平逆变器进行了系统性分析和实验验证，主要结论如下：
- 采用电导增量法MPPT算法，能够快速跟踪光伏阵列的最大功率点，提高系统效率。
- Boost升压变换器能够稳定输出电压，并与NPC逆变器的输入需求匹配。
- NPC三电平逆变器通过电压外环、电流内环调节母线电压，并采用SVPWM调制，确保并网电压质量。
- 直流母线电压稳定在700V，并网电压为311V，THD仅为1.6%，波形质量优异。
未来研究可进一步优化MPPT算法，提高动态响应速度，并结合储能系统提升光伏发电的稳定性和可靠性。