模块化在工程中的应用
模块化在工程中的应用
陕西黄河集团有限公司??李卓?朱军辉
摘要：随着信息技术的发展与自动化水平的不断提高，电力工程领域对于自动化技术和信息软件的应用也越来越多，成为研究和关注的重点之一。本文将以电力低压光伏并网系统中的模块化多电平变换器为例，通过对其工作原理与设计思路的分析研究，在与传统的三电平变换器对比基础上，对其在低压光伏并网系统中的应用及优势进行分析研究，以促进在电力系统中的推广应用。
关键词：软件；模块化；低压；光伏并网；三电平变化器；应用；分析
光伏并网发电作为光伏发电系统的一种主要应用方式，它是通过光伏逆变器实现光伏系统与电网的连接实现，然后由电网进行光伏系统发电电能分配实现的一种方式。因此，光伏逆变器在光伏并网系统具有非常重要的作用，是实现光伏并网系统交直流能量转换以及控制实现的核心。传统的三电平变换器在光伏并网系统应用中，由于其中采用的是大功率的绝缘栅双极晶体管，运行应用中输出的电压谐波含量比较少，再加上滤波器尺寸较小，控制转换的整体效率比较高，尤其是在低压光伏并网系统中具有较为广泛的应用实现。模块化多电平转换器在实际应用中由于多级电平输出模式，再加上谐波含量低，不需要连接滤波器，另一方面模块化的级联设计在转换控制过程中，可以通过低电压等级的半导体器件进行高压大容量功率的转换运行，并且模块化多电平转换器不存在直流侧电容，对于运行过程中由于正负直流母线短路导致的过流现象也能够进行缓解，具有较为突出的应用优势。下文将通过对于模块化多电平变换器工作原理与设计思路的分析，通过仿真实验对于传统三电平变换器进行对比，对其在电力低压光伏并网系统中的应用进行分析研究，以促进在实际中的推广应用。
一、模块化多电平变换器及其工作原理分析
1、模块化多电平变换器的结构参数
如下图1所示，分别为三电平光伏逆变器与模块化多电平光伏逆变器的拓扑结构示意图。根据下图可以看出光伏并网系统中，三电平变换器与模块化多电平变换器主要用于光伏并网系统的并网逆变，而光伏并网系统中光伏阵列的输出升压以及直流侧稳压、MPPT控制，则是由光伏并网系统中的前一级Boost变换器完成实现的。
（1）三电平光伏逆变器拓扑结构示意图
（2）模块化多电平光伏逆变器拓扑结构示意图
图1
在进行三电平变换器与模块化多电平变换器在光伏并网系统中的应用对比中，主要以15kW三相三电平光伏逆变器作为对比参照标准，该逆变器在光伏并网系统中的应用实现，主要在电网电压定向基础上，利用PI调节器来实现并网电流的无静差闭环控制，同时通过SPWM调制模式，以10kHz的载波频率进行调制实现。此外，进行对比应用的三电平变换器IGBT模块型号为SK75MLI066T。
2、模块化多电平变换器的工作原理分析
在光伏并网系统中，模块化多电平变换器中各相上下半桥臂都是由多个完全相同的子模块和桥臂电感构成，其中，子模块是以半桥结构形成的，如下图2所示，为模块化多电平变换器子模块结构示意图。
图2 模块化多电平变换器子模块结构示意图
根据上述模块化多电平变换器的结构原理，如果将模块化多电平变换器子模块电容端电压用uc进行表示，那么就可以用Udc/N表示其平均值。通常情况下，在光伏并网系统运行过程中，模块化多电平变换器的子模块具有两种稳态工作模式，通过模块化多电平变换器中各子模块的组合运行，能够将上下半桥臂等效为两个受控电源，对于这两个受控电源与交流输出电压以及直流母线电压之间的关系，可以通过如下公式（1）进行表示。公式（1）中，uupper和ulower分别表示两个受控电压，uac表示交流输出电压，udc表示直流母线电压。
（1）
此外，对于模块化多电平变换器中各相上下半桥臂的则通过PWM进行调制，调制过程中进行基于子模块电容电压排序的均压辅助环节增加，就可以实现正弦交流电量期望值的输出。需要注意的是，由于模块化多电平变换器能够进行多级电平输出，并且输出电量的波形质量较好，因此不需要采用外接滤波器方式进行谐波控制，对于控制短路故障初期的电流急速上升有着积极作用，是模块化多电平变换器的一个突出优势。
二、模块化多电平变换器的设计分析
1、模块化多电平变换器控制系统设计分析
根据上述对于模块化多电平变换器工作原理的分析，以基于generator柔性直流输电中的多电平变换器控制系统设计为例。在进行多电平变换器控制系统设计中，首先需要结合柔性直流输电的相关特征进行多电平变换器控制系统的设计分析，如下图3所示，即为柔性直流输电系统的结构特征示意图。
图3 柔性直流输电系统的结构特征示意图
根据该图可以看出柔性直流输电系统通常包括变换站以及换流电抗器、直流输电线路、直流侧电容和交流滤波器等结构部分，其中，换流器是整个系统中的核心部分，主要由整流器和逆变器两个功能部分；直流侧电容在整个柔性直流输电系统中具有电压支持作用；换流电抗器则是换流器的关键构成部分，是进行柔性直流输电系统和交流系统之间功率传输转换的重要纽带。此外，柔性直流输电系统在实现输电运行控制中，通常具有多种控制模式，比较常见有基于可关断的电力电子器件IGBT的电压源型换流器以及SPWM调制技术，它在实现直流输电系统运行控制中，主要是结合系统运行要求，通过合理的SPWM脉冲设计，以进行换流器开关的运行控制，从而实现对于柔性直流输电系统的运行控制。对于柔性直流输电系统来讲，其控制系统主要包括系统控制和换流站控制、换流器开关控制等三个控制部分。
在进行基于generator的多电平交换器设计中，在确定多电平交换器的控制电路基础上，就可以进行多电平交换器控制系统的设计。通常情况下，在实现多电平交换器控制系统软件程序编写中，主要是对于多电平交换器控制系统中的均压与调制功能进行编写设计。本文选用的是Virtex-xc6vlx75T软件以实现多电平交换器控制系统中的均压与调制功能设计，该软件设计平台在设计中能够实现多个输入及输出接口的设计应用，很大程度上满足了多电平交换器的控制需求。此外，在进行多电平交换器控制系统中的调制均压结构模块设计中，则是通过MATLAB与ISE联合实现控制量输出设计。如下图4所示，为多电平交换器控制系统的调制设计流程图。
图4 电平交换器控制系统的调制设计流程图
完成上图所示的多电平控制系统中的调制程序，主要是借助Matlab软件设计实现的，在此基础上通过进行Sys Generator框图向Verilog语言的转换，就能够实现控制系统调制控制的设计实现，而对于整个控制系统来讲，调制功能是作为一个功能模块被设计完成的。在上图中50HZ正弦波是通过ISE开发工具中的DDS生成的，而2.5kHZ三角波则是通过ISE中的Verilog语言编程设计实现的。在多电平控制系统工作运行中，对于控制系统中的调制比与相位转换，可以通过DDS中的参数设置进行调整实现。此外，对于多电平控制系统中的均压功能模块，也是通过ISE设计实现的，如下图5所示，为控制系统均压模块的设计流程示意图。
图5 制系统均压模块的设计流程示意图
在完成上述两个功能模块的设计后，对于多电平控制系统主程序的设计实现，则是在上述两个功能模块联合设计基础上实现的，如下图6所示，为多电平交换器主控制程序的结构示意图。在该控制程序中，主要以时钟mclk、复位信号以及相位、调制比等作为输入内容，以每个开关控制信号作为输出内容，其中，50HZ正弦波是通过DDS生成的，在实际运行控制中通过将相位信息传输到DDS中实现正弦波的调制完成，而载波则是以时钟作为基础准则。
图6 电平交换器主控制程序的结构示意图
2、模块化多电平交换器的网络通信设计分析
在进行模块化多电平交换器的各个硬件连接设计中，具有相对较多的连接设计方式，比较常用的主要有开放总线与环形两种结构连接形式。其中，采用开放总线网络连接，其中每个连接节点都是对等关系，数据的通信传输没有时延，并且每个连接节点的通信地址也各不相同，数据信息的传递是一对一或一对多模式。而环形网络结构则是从一个节点传输开始，按照传输方向，进行数据通信传输，最终实现整个网络系统的数据通信和传输，该传输形式进行传输过程中每个传输节点都对于传输内容进行读入，并根据传输要求进行传递实现，这种传输方式在实际相对常见。但是，不管采用哪种形式的网络通信传输，需要以多电平交换器的节点情况以及通信要求作为原则，以进行通信网络及结构形式的设计。
分布式电源系统作为多电平交换器中最为简单中的一种系统形式，以该形式为例，在进行系统通信传输的协议标准设计中，以开放式总线网络结构形式为主，如下图7所示，即为现场总线网络结构形式下多电平交换器的数据帧的位场组成情况。
图7 多电平交换器的现场总线数据帧的位场组成情况
三、模块化多电平交换器在低压光伏并网系统的应用分析
结合上述设计的模块化多电平交换器，在低压光伏并网系统应用中，对于模块化多电平交换器的通态损耗，则可以通过下列公式（2）进行计算表示，其中，Pcond-VT与Pcond-VD分别表示MOSFET与寄生续流二极管的通态损耗。同样，uVD0表示零电流电压，rds-on与rVD-ON表示的是通态电阻，id表示的是实时电流。
（2）
此外，在进行三电平交换器开关损耗计算分析中，需要注意该部分损耗主要包括IGBT开通损耗以及IGBT的关断损耗、二极管反向恢复损耗等三个部分，进行三电平交换器开关损耗的计算需要依次求出上述三部分损耗进行相加。而模块化多电平交换器开关损耗与三电平交换器相比则比较复杂，它需要结合MOSFET开通关断的动态变化过程，对于开关损耗进行计算分析。如下图4所示，即为模块化多电平交换器的MOSFET开关动态过程示意图。
图4 模块化多电平交换器的MOSFET开关动态过程示意图
上图中，Uds-on与Uds-off分别为MOSFET开通与关断时承受的管压降；而Id-on与Id-off则表示MOSFET完全开通与关断时的漏极电流，T1-on与T2-off分别表示漏极电流上升与下降时间，T2-on与T1-off分别表示管压降的上升与下降时间。根据上述方法经计算对比，三电平逆变器与模块化多电平逆变器的通态损耗与开关损耗总损耗结果对比如下图5所示，根据下图可以看出，负载越小，模块化多电平交换器的总损耗越低。
图5 三电平逆变器与模块化多电平逆变器总损耗对比
结束语
总之，模块化多电平交换器在光伏并网系统中的应用，与传统三电平交换器相比，轻载运行状态下的损耗更小，应用价值更高，值得进行推广和应用。
参考文献
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