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第35卷 第23期 5976 2015年12月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE Vol.35 No.23 Dec. 5, 2015 ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.23.003 文章编号：0258-8013 (2015) 23-5976-09 中图分类号：TM 615
一种新型模块化多电平光伏并网系统
荣飞，刘诚，黄守道
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082)
A Novel Grid-connected PV System Based on MMC
RONG Fei, LIU Cheng, HUANG Shoudao
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)
ABSTRACT: In order to solve the low efficiency and serious impaction on public grid of PV system under partial shading, this paper proposed a novel PV (Photovoltaic) topology and its control method based on modular multilevel converter (MMC). The novel topology connects a PV module to the capacitor of each sub-module (PM) of MMC in parallel. When there is a partial shading, the maximum power can be achieved by regulating each PM’s capacitor voltage to the maximum power point voltage without additional hardware cost. Based on the novel topology, the maximum power tracking control, redundancy control, voltage stable control and grid-connected control were studied carefully. Compared to the traditional series topology, the proposed topology has the advantage of relatively less hardware investment, low harmonic content, high solar energy utilization and so on. At the same time, its strong fault-tolerant ability can ensure the reliable operation of the system. The simulation model of the system by MATLAB and experimentation were realized to verify its effectiveness. KEY WORDS: modular multilevel converter (MMC); photovoltaic PV; grid-connected system; redundancy control; maximum power point tracking (MPPT)
摘要：为了解决光伏并网系统存在的光能利用率低、对电网影响大等问题，提出一种新型模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)光伏并网系统及其控制方法，即在级联式MMC的主电路结构中，对每一个子模块电容并联一块光伏组件，在不增加额外硬件成本的基础上，仅通过控制方法实现局部阴影条件下每个光伏组件的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。其控制方法包括MPPT控制、冗余模块控制、稳压控制和并网控制。详细论述该系统的结构及其控制策略，并在Simulink中搭建系统模型。该系统具有硬件相对投入少、谐波含量低、太阳能利
基金项目：“青年教师成长计划”(531107022023)；国际科技合作项目(2011DFA62240)。
Project Supported by Growth Plans for Young Teachers (531107022023); International Cooperation Ministry of Science and Technology PRC (2011DFA62240).
用率高等优势。同时，在光伏组件出现故障时能及时进行容错处理，保证了系统的可靠运行。仿真实验结果验证了该系统及其控制策略的可行性。
关键词：模块化多电平逆变器；光伏电源；并网系统；冗余控制；最大功率点跟踪
0 引言
光伏系统中，一般将数十个光伏组件串联以提高输出电压。受限于这种连接方式，当出现局部阴影时，整条支路的电流急剧降低，所有组件都不能工作在最大功率点。文献[1]中对每个光伏组件反并联一个二极管，当发生局部阴影时，阴影组件将会被二极管旁路，从而避免了影响非阴影组件的正常输出。这种方式存在的问题是，只要某个组件受到的辐射强度低于其他组件，该组件就会被旁路，由电源变成了负载，从而大大降低了光伏系统的效率；此外，这种连接方式的P-V曲线上存在多个极值点，输出功率容陷入局部最优值，也会降低光伏阵列的输出效率。
为此，文献[2-4]研究了局部阴影条件下，如何在多峰值的功率–电压曲线中找出全局最大功率点；文献[5]设计了二极管钳位并网结构，能独立控制每个光伏电池的端口电压，类似于多电平结构；文献[6-7]设计了一种梯式电感拓扑结构，当光照失配时，不平衡电流可以通过接在两组件之间的电感进行分流从而提高输出效率；文献[8-9]通过开关矩阵将光伏阵列连接，根据阴影分布情况在线改变光伏阵列结构，可以大幅度提高光伏系统输出功率；文献[10-11]研究了三电平光伏并网逆变器，指出不同的容量下，应选择不同的拓扑结构以提高光伏电源的发电效率；文献[12]提出了一种能量恢复电路，对串联光伏组件，利用与之并列的开关器件进行电
第23期 荣飞等：一种新型模块化多电平光伏并网系统 5977
流分流。
为了提高输出电压等级，同时利用多电平结构提高电能质量，减小谐波，文献[13-15]提出了一种基于模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)的光伏并网系统，将PV组件经过DC/DC变换器并联到各子模块(sub-modular，SM)中，类似于微逆变的改进形式。文献[16-17]在此基础上将MMC的功率单元由H桥结构改为半桥结构，实现了相同的控制目标。文献[18]分析了MMC应用与光伏并网系统中时存在的技术难题，并提出新的调制策略实现更好的上下桥臂的平衡控制。
这些工作在一定程度上解决了局部阴影带来的能量损失，但也存在不完善的地方。首先，严格来说，由于光伏电池反并联二极管的旁路效应，局部阴影时，部分光伏电池变为了负载，所以上述研究工作中提出的最大功率点并不是光伏电源能发出的最大功率；其次，采用多电平方式独立控制光伏电池的端口电压可以提高失配时光伏电源的输出功率，但随着电平数越多、光伏电源转化效率越高的同时，控制变得异常复杂；最后，针对每一个PV组件都设置一套DC/DC或者DC/AC变流器来提高光伏系统的输出功率，在成本上难以接受。
为此，本文提出一种新型模块化多电平光伏并网系统，基于MMC每个子模块均可独立控制的特点
[19-20]
its sub-modules
伏并网系统具有输出波形谐波小、开关器件电压应力低、光伏组件整体输出效率高等优点。
当PM模块的开关器件处于不同的工作状态时，电容电压的变化规律如下，其中：ipm为桥臂电流，对上桥臂的模块ipm为iP；下桥臂ipm为iN。
，在级联式MMC的主电路结构中，直接在
每一个子模块电容上并联一块光伏组件，同时在每个桥臂添加冗余模块，保证桥臂输出电压不变。当出现局部阴影时，通过调节子模块电容电压保证每个组件都能工作在最大功率点，提高了太阳能的利用率。通过仿真和实验证明本结构及其控制方法的可行性。
1）T1导通，T2关断。
若电流ipm从PM模块中点流入，如图2(a)所示，则电容受到ipm和光伏组件输出电流ipv的共同充电，电容电压必然会上升；若电流ipm从PM模块中点流出，则电容受到ipv和ipm的共同影响，如
1 MMC光伏并网系统拓扑结构
本文设计的MMC光伏并网系统拓扑结构及其子模块如图1所示。相比于传统MMC级联电路形式，本文提出的新型拓扑结构取消了在直流侧并接长串光伏组件的做法[21-22]，同时在不添加DC-DC电路的基础上，将单个光伏组件直接并接在每个子模块的直流电容侧构成一个光伏模块(PV module，PM)。当出现局部阴影时，可以采用合适的控制手段，调节与光伏组件并联的电容电压处于最大功率点电压，即可保证每块光伏组件都工作在最大功率点。同时，因为MMC的多电平结构特性，整个光
状态
(a) 运行状态1运行状态3(b) 运行状态2 (c)
状态T1?0T2?1U运行状态5(d) 运行状态4 (e)
5978 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷
状态
T1T21
投入
10000
011000
运行状态
1 2 3 4 5 6 7
ipm ??0 ??0且?|?ipm?|???ipv ??0且?|?ipm?|???ipv
??0 ??0 ??0 ??0
Upv
图2 PM模块运行状态示意图 Fig. 2 PM module running state diagram
图2(b)所示，当ipv???ipm时，电容电压下降；如图2(c)所示，当ipv???ipm时，电容电压上升。
增大减小增大增大增大增大增大
2）T1关断，T2导通。
不管ipm从PM模块中点流入还是流出，如 图2(d)和(e)所示，PM模块电容都只受到光伏组件输出电流ipv的充电，电容电压必然会上升。
闭锁切出
3）T1关断，T2关断。
如图2(f)和(g)所示，工程中，这种工作状态只会出现在故障闭锁的时候，本文不做分析。
从上述分析可知，只要根据电流ipm的大小和方向，采用合适地开关状态，就可控制PM模块的电容电压达到最大功率点电压，从而保证PV组件
2 控制策略
以A相为例，本文设计的MMC光伏系统的总体控制框图如图3所示，包括最大功率点跟踪
(maximum power point tracking，MPPT)、并网控制、冗余控制和稳压控制4部分。
图3 总体控制框图
Fig. 3 The overall control diagram
2.1 最大功率点跟踪控制
由于PM电容电压主要取决于流入电容的电流ic，当T1导通时ic???ipm???ipv，当T2导通时ic???ipv。
本文选择扰动观察法进行最大功率点跟踪，?Uj为桥臂第j个模块的扰动量。当??Uj???0时，表
示子模块电容电压下一时刻应增大，如果ipm???0，则ipm???ipv???ipv，应导通T1；如果ipm???0，则ipm???ipv???ipv，应导通T2。
当??Uj???0时，表示子模块电容电压下一时刻应降低。如果ipm???0，则ipm???ipv???ipv???0，应导通
第23期 荣飞等：一种新型模块化多电平光伏并网系统 5979
T2降低充电速度；如果ipm???0且0???ipm???ipv???ipv，则应导通T1降低充电速度；当ipm???0且ipm???ipv??
0???ipv，应导通T1进行放电。
为此可得如图4所示的最大功率点跟踪图，图中将扰动步长??U作为最大功率点跟踪环节的输入，经比例调节后，与桥臂电流(iP或iN)经符号修正后的结果相乘，得到最大功率点跟踪控制分量UrefA。
图6 稳压控制
Fig. 6 Voltage control diagram
块电容电压与冗余模块电压之和的1/2：
2.2 冗余控制
在每条桥臂上额外接了一个冗余的子模块，该子模块不接PV组件，起到调节电压的作用，保证系统的可靠运行。一方面当光照变化时，某个PM模块电容电压过低，冗余模块补偿电压可以保障逆变器的可靠工作，保证正常并网；另一方面，当某个PM模块故障时，可进行冗余替换。为保证上下桥臂输出电压相等，冗余模块的补偿电压应满足：
n
iloop?
iP?iN
(3) 2
电流内环的输出作为稳压控制的参考量UrefB。 2.4 并网控制
本文采用双环控制方式，将直流侧电压UDC与参考电压UDCref比较后作PI调节，得到有功电流分量，无功电流分量设定为0；然后采用电流闭环使得逆变器输出的有功电流、无功电流分别跟踪电压外环的输出，具体控制框图如图7所示。
根据MMC控制模型，综合最大功率点跟踪控制、稳压控制和并网控制，当采用载波移相的调制方式时，可得到本系统的PM模块与冗余模块的参考信号为
USM_u?USMref?UrefB?USM_d?USMref?UrefB?
其中：
(6)
2.3 稳压控制
稳压控制的目的是使一相内所有电容上的电压之和稳定在给定参考值，从而使得相与相之间电压平衡，减小因相间电压不平衡引起的相间环流。
稳压控制如图6所示，UC是一相内所有PM模
Un
(7) n
Up?
UDCref
?Upref (8) 2
5980 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷
SM1
U Un?DCref?Upref (9)
2
U/V
25015050?50250
式中：n表示每一个桥臂总的PM模块数；Upj和
Unj分别为上、下桥臂PM模块调制信号；USM_u和USM_d分别为上、下桥臂冗余模块调制信号。
SM2
15050?500.0
3 仿真分析
为了验证本文所提出拓扑结构和控制方法的有效性，本文利用Matlab/Simulink搭建了4电平光伏仿真系统。仿真中，每相包括4个PM模块，2个SM模块，每个模块并联电容C的容值为
0.2
0.4 0.8 0.6 1.0
t/s
(b) 冗余模块电容电压
Ptotal/
光照强度/(W/m2) MPP/(U/V,?P/W)
Uoc/V
Isc/A
3
2
0.0
0.2
0.4 0.8 0.6 1.0
t/s
200 (280,?192.3) 334 0.8400 (294,?420.6) 346 1.6800 (299,?880.8) 357 3.21?000 (300,?1109.0) 360 4
(c) 光伏组件输出功率
图8 局部阴影时电压功率波形
Fig. 8 Experimental results of the voltage and power in
partial shading
1）仿真1，0.5?s之前光照均匀，0.5?s后局部 阴影。
仿真中，0.5?s之前设置各光伏组件的光照为
UDC/V
800
600
1?000?W/m2，0.5?s后设置PM1的光伏组件光照强度设定为200?W/m2，PM2的光伏组件光照强度设定为
400
800?W/m2，PM3的光伏组件光照强度设定为400?W/m2，PM4的光伏组件光照强度设定为1?000?W/m2。仿真结果如图8、9所示。
图8(a)为A相PM1、PM2、PM3、PM4 4个模块的电容电压波形图，0.5?s之前PM1、PM2、PM3、
200
0.0
0.2
0.4 0.8 0.6 1.0
t/s
图9 直流母线电压 Fig. 9 DC bus voltage
PM4 4个模块稳态时电容电压分别约为302、303、298、298?V，纹波??3?V。各光伏组件都能工作在最
大功率点。0.5?s后出现局部阴影，PM1、PM2、PM3、
PM4 4个模块稳态时电容电压分别约为278、300、292、302?V，纹波??3.5?V，各光伏组件依然能工作在最大功率点。
图8(b)为冗余模块电容电压，0.5?s之前稳态时电压约为4?V，表明此时必不需要冗余模块提供电压支撑。0.5?s之后SM1模块稳态电压约为14?V，
400
PM1
100
400U/V
100400
PM2
SM2电容电压约为5?V，表明此时冗余模块提供需
100400
PM3
要的电压支撑。图8(c)为输出功率波形图，0.5?s之前稳态时约为4?410?W，0.5?s之后稳态时约为
PM4
100
0.0 0.2 0.4 0.8 0.6 1.0
t/s
(a) 光伏组件输出电压
2?585?W，与理论值相符。
图9为直流侧母线电压。其额定参考值为600?V，如图中所示测量值为600?V，纹波约为??10?V，说明
第23期 荣飞等：一种新型模块化多电平光伏并网系统 5981
整个系统稳定性较好，光伏组件输出功率均输送至电网。
298?V，纹波约为??5?V，除PM1输出功率约为0以外，各光伏组件依然能工作在最大功率点。
图10(b)为冗余模块电容电压，0.5?s之前稳态时电压约为5?V，纹波约为??4?V。0.5?s后稳态时SM1电容电压约为255?V，SM2电容电压约为5?V，表明此时冗余模块提供需要的电压支撑。
图10(c)为输出功率波形图，0.5?s之前稳态时约为4?405?W，0.5?s之后稳态时约为3?301?W，与理论值相符。
2）仿真2，0.5?s之前光伏组件正常运行，0.5?s部分光伏组件故障。
仿真中，设置各光伏组件的光照为1?000?W/m2，
PM1的光伏组件在0.5?s出现故障。图10(a)为A相PM1、PM2、PM3、PM4 4个模块的电容电压波形图，0.5?s之前稳态时PM1、PM2、PM3、PM4 4个模块稳态时电容电压分别约为302、303、298、298?V，纹波约为??3?V，各光伏组件都能工作在最大功率点。0.5?s后PM1出现故障，PM1、PM2、PM3、PM4
3）仿真3，常规组串式结构。
仿真模型采用文献[21]提出的组串式结构，当发生局部阴影时，其P-V特性将呈现多峰值情况，如图11(a)所示。仿真中，0.5?s之前设置各光伏组件的光照为1?000?W/m2，0.5?s后设置PV1的光照强度设定为200?W/m2，PV2的光照强度设定为800?W/m2，
4个模块稳态时电容电压分别约为35、307、302、
400
2000400200040020004002000
0 1 2
t/s
(a) 光伏组件输出电压
PM1
PV3的光照强度设定为400?W/m2，PV4的光照强度
PM2
U/V
设定为1?000?W/m2。图11(b)为该常规阵列全局最大功率点跟踪方法下，PV组件输出的功率波形图，
PM3
0.5?s之前稳态时约为4?405?W，与仿真1结果一致；局部阴影发生后，扰动观察法将会收敛到图11(a)
PM4
3
P/kW
2.0
1.5
1.00.5
30100
0.4
0.8 u/kV
1.2
100?100
(a) 光伏阵列P-V特性曲线
U/kV Ptotal/W
1.41.21.00.854321
0 1 2
t/s
(b) 冗余模块电容电压
3
Ptotal/kW
543210
0 1 2
t/s
(c) 光伏组件输出功率
3
00.0
0.4
0.8 1.6 1.2 2.0
t/s
(b) 常规阵列全局最大功率点跟踪方法的Pv输出总功率
图10 部分光伏组件故障时电压功率波形
Fig. 10 Experimental results of the voltage and power in
fault condition
图11 常规组串式仿真波形
Fig. 11 simulation results of PV system with
traditional series array
5982 中 国 电 机 工 程 学 报
表3 实验参数
Tab. 3 Parameters of experimental
实验参数
partial shade
果，电流有效值约为1.78?A，输出功率约为1?150?W。
稳态时新型拓扑结构上电容电压值如图14所示，PM1电压跌落到283.16?V，PM2电压为303.09?V，
PM3电压为304.07?V，PM4电压为296.06?V，电压纹波约为??10?V，局部阴影并未对其他组件最大功率追踪造成影响，各个组件均实现最大功率输出。
光照变化瞬间，采用本文所提出拓扑结构的输出暂态波形如图15所示。其中，图15(a)为并网电
额定容量/kV桥臂冗余子模块数/个 交流侧额定线电压有效值载波频率/Hz 2?000
直流侧额定电压光伏组件最大功率/W 121桥臂电感光伏组件最大功率点电压/V29.8子模块电容容值/?F 1?桥臂组件子模块数/个太用能电池串联数/个 10
—
Fig. 12 Photograph of MMC laboratory prototype
第23期
荣飞等：一种新型模块化多电平光伏并网系统 5983
5 结论
局部阴影的情况是利用光伏发电不可避免的问题，在该条件下常规的组串式光伏阵列的结构输出P-V特性呈现多峰值现象，且局部最大功率点数目与阴影形状相关，在应用中MPPT算法捕获的局部最大功率点往往不能实现光能的最大化利用。本文结合MMC的电路结构及其工作特性，提出了一种新型模块化多电平光伏并网结构和相应的控制方法。在不增加硬件投入的前提下，实现了局部阴影条件下各光伏组件的最大功率输出，提高了光能该优势更加明显。利用率。当MMC电平数增大时，需要说明的是，当出现局部阴影时，相间不平衡加剧，增大了系统环流，本实验室将在后续的工作中着重开展这一研究。
5984 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷
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收稿日期：2015-03-09。 作者简介：
荣飞(1978)，男，博士，副教授，从事电力电子变流技术、分布式能源、电力系统谐波抑制方面的研究；
刘诚(1989)，男，硕士研究生，从事电
荣飞
力电子变流技术、分布式能源方面的研究，m15207494772@163.com；
黄守道(1962)，男，教授，博士生导师，主要研究新能源发电，电力电子及电气传动、新型电机及其控制。
(责任编辑 吕鲜艳)
第35卷 第23期 5976 2015年12月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
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DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.23.003 文章编号：0258-8013 (2015) 23-5976-09 中图分类号：TM 615
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ABSTRACT: In order to solve the low efficiency and serious impaction on public grid of PV system under partial shading, this paper proposed a novel PV (Photovoltaic) topology and its control method based on modular multilevel converter (MMC). The novel topology connects a PV module to the capacitor of each sub-module (PM) of MMC in parallel. When there is a partial shading, the maximum power can be achieved by regulating each PM’s capacitor voltage to the maximum power point voltage without additional hardware cost. Based on the novel topology, the maximum power tracking control, redundancy control, voltage stable control and grid-connected control were studied carefully. Compared to the traditional series topology, the proposed topology has the advantage of relatively less hardware investment, low harmonic content, high solar energy utilization and so on. At the same time, its strong fault-tolerant ability can ensure the reliable operation of the system. The simulation model of the system by MATLAB and experimentation were realized to verify its effectiveness. KEY WORDS: modular multilevel converter (MMC); photovoltaic PV; grid-connected system; redundancy control; maximum power point tracking (MPPT)
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基金项目：“青年教师成长计划”(531107022023)；国际科技合作项目(2011DFA62240)。
Project Supported by Growth Plans for Young Teachers (531107022023); International Cooperation Ministry of Science and Technology PRC (2011DFA62240).
用率高等优势。同时，在光伏组件出现故障时能及时进行容错处理，保证了系统的可靠运行。仿真实验结果验证了该系统及其控制策略的可行性。
关键词：模块化多电平逆变器；光伏电源；并网系统；冗余控制；最大功率点跟踪
0 引言
光伏系统中，一般将数十个光伏组件串联以提高输出电压。受限于这种连接方式，当出现局部阴影时，整条支路的电流急剧降低，所有组件都不能工作在最大功率点。文献[1]中对每个光伏组件反并联一个二极管，当发生局部阴影时，阴影组件将会被二极管旁路，从而避免了影响非阴影组件的正常输出。这种方式存在的问题是，只要某个组件受到的辐射强度低于其他组件，该组件就会被旁路，由电源变成了负载，从而大大降低了光伏系统的效率；此外，这种连接方式的P-V曲线上存在多个极值点，输出功率容陷入局部最优值，也会降低光伏阵列的输出效率。
为此，文献[2-4]研究了局部阴影条件下，如何在多峰值的功率–电压曲线中找出全局最大功率点；文献[5]设计了二极管钳位并网结构，能独立控制每个光伏电池的端口电压，类似于多电平结构；文献[6-7]设计了一种梯式电感拓扑结构，当光照失配时，不平衡电流可以通过接在两组件之间的电感进行分流从而提高输出效率；文献[8-9]通过开关矩阵将光伏阵列连接，根据阴影分布情况在线改变光伏阵列结构，可以大幅度提高光伏系统输出功率；文献[10-11]研究了三电平光伏并网逆变器，指出不同的容量下，应选择不同的拓扑结构以提高光伏电源的发电效率；文献[12]提出了一种能量恢复电路，对串联光伏组件，利用与之并列的开关器件进行电
第35卷 第23期 5976 2015年12月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE Vol.35 No.23 Dec. 5, 2015 ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.23.003 文章编号：0258-8013 (2015) 23-5976-09 中图分类号：TM 615
一种新型模块化多电平光伏并网系统
荣飞，刘诚，黄守道
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082)
A Novel Grid-connected PV System Based on MMC
RONG Fei, LIU Cheng, HUANG Shoudao
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)
ABSTRACT: In order to solve the low efficiency and serious impaction on public grid of PV system under partial shading, this paper proposed a novel PV (Photovoltaic) topology and its control method based on modular multilevel converter (MMC). The novel topology connects a PV module to the capacitor of each sub-module (PM) of MMC in parallel. When there is a partial shading, the maximum power can be achieved by regulating each PM’s capacitor voltage to the maximum power point voltage without additional hardware cost. Based on the novel topology, the maximum power tracking control, redundancy control, voltage stable control and grid-connected control were studied carefully. Compared to the traditional series topology, the proposed topology has the advantage of relatively less hardware investment, low harmonic content, high solar energy utilization and so on. At the same time, its strong fault-tolerant ability can ensure the reliable operation of the system. The simulation model of the system by MATLAB and experimentation were realized to verify its effectiveness. KEY WORDS: modular multilevel converter (MMC); photovoltaic PV; grid-connected system; redundancy control; maximum power point tracking (MPPT)
摘要：为了解决光伏并网系统存在的光能利用率低、对电网影响大等问题，提出一种新型模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)光伏并网系统及其控制方法，即在级联式MMC的主电路结构中，对每一个子模块电容并联一块光伏组件，在不增加额外硬件成本的基础上，仅通过控制方法实现局部阴影条件下每个光伏组件的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。其控制方法包括MPPT控制、冗余模块控制、稳压控制和并网控制。详细论述该系统的结构及其控制策略，并在Simulink中搭建系统模型。该系统具有硬件相对投入少、谐波含量低、太阳能利
基金项目：“青年教师成长计划”(531107022023)；国际科技合作项目(2011DFA62240)。
Project Supported by Growth Plans for Young Teachers (531107022023); International Cooperation Ministry of Science and Technology PRC (2011DFA62240).
用率高等优势。同时，在光伏组件出现故障时能及时进行容错处理，保证了系统的可靠运行。仿真实验结果验证了该系统及其控制策略的可行性。
关键词：模块化多电平逆变器；光伏电源；并网系统；冗余控制；最大功率点跟踪
0 引言
光伏系统中，一般将数十个光伏组件串联以提高输出电压。受限于这种连接方式，当出现局部阴影时，整条支路的电流急剧降低，所有组件都不能工作在最大功率点。文献[1]中对每个光伏组件反并联一个二极管，当发生局部阴影时，阴影组件将会被二极管旁路，从而避免了影响非阴影组件的正常输出。这种方式存在的问题是，只要某个组件受到的辐射强度低于其他组件，该组件就会被旁路，由电源变成了负载，从而大大降低了光伏系统的效率；此外，这种连接方式的P-V曲线上存在多个极值点，输出功率容陷入局部最优值，也会降低光伏阵列的输出效率。
为此，文献[2-4]研究了局部阴影条件下，如何在多峰值的功率–电压曲线中找出全局最大功率点；文献[5]设计了二极管钳位并网结构，能独立控制每个光伏电池的端口电压，类似于多电平结构；文献[6-7]设计了一种梯式电感拓扑结构，当光照失配时，不平衡电流可以通过接在两组件之间的电感进行分流从而提高输出效率；文献[8-9]通过开关矩阵将光伏阵列连接，根据阴影分布情况在线改变光伏阵列结构，可以大幅度提高光伏系统输出功率；文献[10-11]研究了三电平光伏并网逆变器，指出不同的容量下，应选择不同的拓扑结构以提高光伏电源的发电效率；文献[12]提出了一种能量恢复电路，对串联光伏组件，利用与之并列的开关器件进行电
第35卷 第23期 5976 2015年12月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE Vol.35 No.23 Dec. 5, 2015 ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.23.003 文章编号：0258-8013 (2015) 23-5976-09 中图分类号：TM 615
一种新型模块化多电平光伏并网系统
荣飞，刘诚，黄守道
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082)
A Novel Grid-connected PV System Based on MMC
RONG Fei, LIU Cheng, HUANG Shoudao
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)
ABSTRACT: In order to solve the low efficiency and serious impaction on public grid of PV system under partial shading, this paper proposed a novel PV (Photovoltaic) topology and its control method based on modular multilevel converter (MMC). The novel topology connects a PV module to the capacitor of each sub-module (PM) of MMC in parallel. When there is a partial shading, the maximum power can be achieved by regulating each PM’s capacitor voltage to the maximum power point voltage without additional hardware cost. Based on the novel topology, the maximum power tracking control, redundancy control, voltage stable control and grid-connected control were studied carefully. Compared to the traditional series topology, the proposed topology has the advantage of relatively less hardware investment, low harmonic content, high solar energy utilization and so on. At the same time, its strong fault-tolerant ability can ensure the reliable operation of the system. The simulation model of the system by MATLAB and experimentation were realized to verify its effectiveness. KEY WORDS: modular multilevel converter (MMC); photovoltaic PV; grid-connected system; redundancy control; maximum power point tracking (MPPT)
摘要：为了解决光伏并网系统存在的光能利用率低、对电网影响大等问题，提出一种新型模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)光伏并网系统及其控制方法，即在级联式MMC的主电路结构中，对每一个子模块电容并联一块光伏组件，在不增加额外硬件成本的基础上，仅通过控制方法实现局部阴影条件下每个光伏组件的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。其控制方法包括MPPT控制、冗余模块控制、稳压控制和并网控制。详细论述该系统的结构及其控制策略，并在Simulink中搭建系统模型。该系统具有硬件相对投入少、谐波含量低、太阳能利
基金项目：“青年教师成长计划”(531107022023)；国际科技合作项目(2011DFA62240)。
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用率高等优势。同时，在光伏组件出现故障时能及时进行容错处理，保证了系统的可靠运行。仿真实验结果验证了该系统及其控制策略的可行性。
关键词：模块化多电平逆变器；光伏电源；并网系统；冗余控制；最大功率点跟踪
0 引言
光伏系统中，一般将数十个光伏组件串联以提高输出电压。受限于这种连接方式，当出现局部阴影时，整条支路的电流急剧降低，所有组件都不能工作在最大功率点。文献[1]中对每个光伏组件反并联一个二极管，当发生局部阴影时，阴影组件将会被二极管旁路，从而避免了影响非阴影组件的正常输出。这种方式存在的问题是，只要某个组件受到的辐射强度低于其他组件，该组件就会被旁路，由电源变成了负载，从而大大降低了光伏系统的效率；此外，这种连接方式的P-V曲线上存在多个极值点，输出功率容陷入局部最优值，也会降低光伏阵列的输出效率。
为此，文献[2-4]研究了局部阴影条件下，如何在多峰值的功率–电压曲线中找出全局最大功率点；文献[5]设计了二极管钳位并网结构，能独立控制每个光伏电池的端口电压，类似于多电平结构；文献[6-7]设计了一种梯式电感拓扑结构，当光照失配时，不平衡电流可以通过接在两组件之间的电感进行分流从而提高输出效率；文献[8-9]通过开关矩阵将光伏阵列连接，根据阴影分布情况在线改变光伏阵列结构，可以大幅度提高光伏系统输出功率；文献[10-11]研究了三电平光伏并网逆变器，指出不同的容量下，应选择不同的拓扑结构以提高光伏电源的发电效率；文献[12]提出了一种能量恢复电路，对串联光伏组件，利用与之并列的开关器件进行电
第35卷 第23期 5976 2015年12月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE Vol.35 No.23 Dec. 5, 2015 ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.23.003 文章编号：0258-8013 (2015) 23-5976-09 中图分类号：TM 615
一种新型模块化多电平光伏并网系统
荣飞，刘诚，黄守道
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082)
A Novel Grid-connected PV System Based on MMC
RONG Fei, LIU Cheng, HUANG Shoudao
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)
ABSTRACT: In order to solve the low efficiency and serious impaction on public grid of PV system under partial shading, this paper proposed a novel PV (Photovoltaic) topology and its control method based on modular multilevel converter (MMC). The novel topology connects a PV module to the capacitor of each sub-module (PM) of MMC in parallel. When there is a partial shading, the maximum power can be achieved by regulating each PM’s capacitor voltage to the maximum power point voltage without additional hardware cost. Based on the novel topology, the maximum power tracking control, redundancy control, voltage stable control and grid-connected control were studied carefully. Compared to the traditional series topology, the proposed topology has the advantage of relatively less hardware investment, low harmonic content, high solar energy utilization and so on. At the same time, its strong fault-tolerant ability can ensure the reliable operation of the system. The simulation model of the system by MATLAB and experimentation were realized to verify its effectiveness. KEY WORDS: modular multilevel converter (MMC); photovoltaic PV; grid-connected system; redundancy control; maximum power point tracking (MPPT)
摘要：为了解决光伏并网系统存在的光能利用率低、对电网影响大等问题，提出一种新型模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)光伏并网系统及其控制方法，即在级联式MMC的主电路结构中，对每一个子模块电容并联一块光伏组件，在不增加额外硬件成本的基础上，仅通过控制方法实现局部阴影条件下每个光伏组件的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。其控制方法包括MPPT控制、冗余模块控制、稳压控制和并网控制。详细论述该系统的结构及其控制策略，并在Simulink中搭建系统模型。该系统具有硬件相对投入少、谐波含量低、太阳能利
基金项目：“青年教师成长计划”(531107022023)；国际科技合作项目(2011DFA62240)。
Project Supported by Growth Plans for Young Teachers (531107022023); International Cooperation Ministry of Science and Technology PRC (2011DFA62240).
用率高等优势。同时，在光伏组件出现故障时能及时进行容错处理，保证了系统的可靠运行。仿真实验结果验证了该系统及其控制策略的可行性。
关键词：模块化多电平逆变器；光伏电源；并网系统；冗余控制；最大功率点跟踪
0 引言
光伏系统中，一般将数十个光伏组件串联以提高输出电压。受限于这种连接方式，当出现局部阴影时，整条支路的电流急剧降低，所有组件都不能工作在最大功率点。文献[1]中对每个光伏组件反并联一个二极管，当发生局部阴影时，阴影组件将会被二极管旁路，从而避免了影响非阴影组件的正常输出。这种方式存在的问题是，只要某个组件受到的辐射强度低于其他组件，该组件就会被旁路，由电源变成了负载，从而大大降低了光伏系统的效率；此外，这种连接方式的P-V曲线上存在多个极值点，输出功率容陷入局部最优值，也会降低光伏阵列的输出效率。
为此，文献[2-4]研究了局部阴影条件下，如何在多峰值的功率–电压曲线中找出全局最大功率点；文献[5]设计了二极管钳位并网结构，能独立控制每个光伏电池的端口电压，类似于多电平结构；文献[6-7]设计了一种梯式电感拓扑结构，当光照失配时，不平衡电流可以通过接在两组件之间的电感进行分流从而提高输出效率；文献[8-9]通过开关矩阵将光伏阵列连接，根据阴影分布情况在线改变光伏阵列结构，可以大幅度提高光伏系统输出功率；文献[10-11]研究了三电平光伏并网逆变器，指出不同的容量下，应选择不同的拓扑结构以提高光伏电源的发电效率；文献[12]提出了一种能量恢复电路，对串联光伏组件，利用与之并列的开关器件进行电
第35卷 第23期 5976 2015年12月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE Vol.35 No.23 Dec. 5, 2015 ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.23.003 文章编号：0258-8013 (2015) 23-5976-09 中图分类号：TM 615
一种新型模块化多电平光伏并网系统
荣飞，刘诚，黄守道
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082)
A Novel Grid-connected PV System Based on MMC
RONG Fei, LIU Cheng, HUANG Shoudao
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)
ABSTRACT: In order to solve the low efficiency and serious impaction on public grid of PV system under partial shading, this paper proposed a novel PV (Photovoltaic) topology and its control method based on modular multilevel converter (MMC). The novel topology connects a PV module to the capacitor of each sub-module (PM) of MMC in parallel. When there is a partial shading, the maximum power can be achieved by regulating each PM’s capacitor voltage to the maximum power point voltage without additional hardware cost. Based on the novel topology, the maximum power tracking control, redundancy control, voltage stable control and grid-connected control were studied carefully. Compared to the traditional series topology, the proposed topology has the advantage of relatively less hardware investment, low harmonic content, high solar energy utilization and so on. At the same time, its strong fault-tolerant ability can ensure the reliable operation of the system. The simulation model of the system by MATLAB and experimentation were realized to verify its effectiveness. KEY WORDS: modular multilevel converter (MMC); photovoltaic PV; grid-connected system; redundancy control; maximum power point tracking (MPPT)
摘要：为了解决光伏并网系统存在的光能利用率低、对电网影响大等问题，提出一种新型模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)光伏并网系统及其控制方法，即在级联式MMC的主电路结构中，对每一个子模块电容并联一块光伏组件，在不增加额外硬件成本的基础上，仅通过控制方法实现局部阴影条件下每个光伏组件的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。其控制方法包括MPPT控制、冗余模块控制、稳压控制和并网控制。详细论述该系统的结构及其控制策略，并在Simulink中搭建系统模型。该系统具有硬件相对投入少、谐波含量低、太阳能利
基金项目：“青年教师成长计划”(531107022023)；国际科技合作项目(2011DFA62240)。
Project Supported by Growth Plans for Young Teachers (531107022023); International Cooperation Ministry of Science and Technology PRC (2011DFA62240).
用率高等优势。同时，在光伏组件出现故障时能及时进行容错处理，保证了系统的可靠运行。仿真实验结果验证了该系统及其控制策略的可行性。
关键词：模块化多电平逆变器；光伏电源；并网系统；冗余控制；最大功率点跟踪
0 引言
光伏系统中，一般将数十个光伏组件串联以提高输出电压。受限于这种连接方式，当出现局部阴影时，整条支路的电流急剧降低，所有组件都不能工作在最大功率点。文献[1]中对每个光伏组件反并联一个二极管，当发生局部阴影时，阴影组件将会被二极管旁路，从而避免了影响非阴影组件的正常输出。这种方式存在的问题是，只要某个组件受到的辐射强度低于其他组件，该组件就会被旁路，由电源变成了负载，从而大大降低了光伏系统的效率；此外，这种连接方式的P-V曲线上存在多个极值点，输出功率容陷入局部最优值，也会降低光伏阵列的输出效率。
为此，文献[2-4]研究了局部阴影条件下，如何在多峰值的功率–电压曲线中找出全局最大功率点；文献[5]设计了二极管钳位并网结构，能独立控制每个光伏电池的端口电压，类似于多电平结构；文献[6-7]设计了一种梯式电感拓扑结构，当光照失配时，不平衡电流可以通过接在两组件之间的电感进行分流从而提高输出效率；文献[8-9]通过开关矩阵将光伏阵列连接，根据阴影分布情况在线改变光伏阵列结构，可以大幅度提高光伏系统输出功率；文献[10-11]研究了三电平光伏并网逆变器，指出不同的容量下，应选择不同的拓扑结构以提高光伏电源的发电效率；文献[12]提出了一种能量恢复电路，对串联光伏组件，利用与之并列的开关器件进行电
第35卷 第23期 5976 2015年12月5日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE Vol.35 No.23 Dec. 5, 2015 ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.23.003 文章编号：0258-8013 (2015) 23-5976-09 中图分类号：TM 615
一种新型模块化多电平光伏并网系统
荣飞，刘诚，黄守道
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082)
A Novel Grid-connected PV System Based on MMC
RONG Fei, LIU Cheng, HUANG Shoudao
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)
ABSTRACT: In order to solve the low efficiency and serious impaction on public grid of PV system under partial shading, this paper proposed a novel PV (Photovoltaic) topology and its control method based on modular multilevel converter (MMC). The novel topology connects a PV module to the capacitor of each sub-module (PM) of MMC in parallel. When there is a partial shading, the maximum power can be achieved by regulating each PM’s capacitor voltage to the maximum power point voltage without additional hardware cost. Based on the novel topology, the maximum power tracking control, redundancy control, voltage stable control and grid-connected control were studied carefully. Compared to the traditional series topology, the proposed topology has the advantage of relatively less hardware investment, low harmonic content, high solar energy utilization and so on. At the same time, its strong fault-tolerant ability can ensure the reliable operation of the system. The simulation model of the system by MATLAB and experimentation were realized to verify its effectiveness. KEY WORDS: modular multilevel converter (MMC); photovoltaic PV; grid-connected system; redundancy control; maximum power point tracking (MPPT)
摘要：为了解决光伏并网系统存在的光能利用率低、对电网影响大等问题，提出一种新型模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)光伏并网系统及其控制方法，即在级联式MMC的主电路结构中，对每一个子模块电容并联一块光伏组件，在不增加额外硬件成本的基础上，仅通过控制方法实现局部阴影条件下每个光伏组件的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。其控制方法包括MPPT控制、冗余模块控制、稳压控制和并网控制。详细论述该系统的结构及其控制策略，并在Simulink中搭建系统模型。该系统具有硬件相对投入少、谐波含量低、太阳能利
基金项目：“青年教师成长计划”(531107022023)；国际科技合作项目(2011DFA62240)。
Project Supported by Growth Plans for Young Teachers (531107022023); International Cooperation Ministry of Science and Technology PRC (2011DFA62240).
用率高等优势。同时，在光伏组件出现故障时能及时进行容错处理，保证了系统的可靠运行。仿真实验结果验证了该系统及其控制策略的可行性。
关键词：模块化多电平逆变器；光伏电源；并网系统；冗余控制；最大功率点跟踪
0 引言
光伏系统中，一般将数十个光伏组件串联以提高输出电压。受限于这种连接方式，当出现局部阴影时，整条支路的电流急剧降低，所有组件都不能工作在最大功率点。文献[1]中对每个光伏组件反并联一个二极管，当发生局部阴影时，阴影组件将会被二极管旁路，从而避免了影响非阴影组件的正常输出。这种方式存在的问题是，只要某个组件受到的辐射强度低于其他组件，该组件就会被旁路，由电源变成了负载，从而大大降低了光伏系统的效率；此外，这种连接方式的P-V曲线上存在多个极值点，输出功率容陷入局部最优值，也会降低光伏阵列的输出效率。
为此，文献[2-4]研究了局部阴影条件下，如何在多峰值的功率–电压曲线中找出全局最大功率点；文献[5]设计了二极管钳位并网结构，能独立控制每个光伏电池的端口电压，类似于多电平结构；文献[6-7]设计了一种梯式电感拓扑结构，当光照失配时，不平衡电流可以通过接在两组件之间的电感进行分流从而提高输出效率；文献[8-9]通过开关矩阵将光伏阵列连接，根据阴影分布情况在线改变光伏阵列结构，可以大幅度提高光伏系统输出功率；文献[10-11]研究了三电平光伏并网逆变器，指出不同的容量下，应选择不同的拓扑结构以提高光伏电源的发电效率；文献[12]提出了一种能量恢复电路，对串联光伏组件，利用与之并列的开关器件进行电
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