优化功率分配：一种用于级联H桥光伏系统中过调制问题的灵活功率点跟踪方法

《Renewable Energy》：Optimizing power allocation: A flexible power point tracking method for over-modulation problem in cascaded H-bridge PV systems

光伏并网系统中过调制问题及抑制方法研究。针对多电平桥接逆变器（CHB）系统中光伏功率不匹配导致的过调制问题，提出基于柔性功率点跟踪（FPPT）的优化功率分配策略。通过动态调整各CHB模块的功率参考值，实现系统运行范围从1到4/π的扩展，有效抑制电压谐波畸变。实验验证了该策略在2.4kW双字符串系统中的有效性，解决了传统方法需要额外储能设备或变压器的问题。

　　随着全球对可持续能源需求的不断增长，光伏发电系统（Photovoltaic, PV）在电网中的渗透率逐渐提高。由于光伏发电系统的清洁性和可再生性，它正逐步取代传统化石燃料发电方式，成为未来能源结构的重要组成部分。然而，随着PV系统规模的扩大，其在电网接入过程中也面临诸多挑战，特别是在功率分配和调制过程中可能出现的过调制（Over-modulation）问题。过调制不仅会导致电网电流的谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）超标，还可能引发一系列电网故障，如电容过电压等，严重影响系统的稳定性和安全性。

为了解决这一问题，本文提出了一种基于级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）拓扑结构的柔性最大功率点跟踪（Flexible Power Point Tracking, FPPT）方法。该方法通过优化光伏系统的功率分配，减少H桥模块（HBM）的调制系数，从而有效防止过调制现象的发生。与传统的FPPT方法相比，该方法无需额外的储能设备或变压器，能够在不增加硬件成本的前提下提升系统的运行范围和稳定性。这一创新性方法在实验中得到了验证，特别是在多串并网光伏系统中，当光照条件发生变化时，该方法能够显著降低电网电流的谐波失真，提高系统的整体性能。

级联H桥逆变器因其出色的扩展性和模块化特性，被广泛应用于并网光伏系统中。尽管其开关频率较低，但通过多个H桥模块的级联，可以实现高频输出电压的生成，从而保证并网电流的高质量和低失真。这种结构的优势在于能够灵活调节输出电压，同时避免传统变压器的使用，节省了空间和成本。然而，在实际运行过程中，由于不同光伏组件的性能差异，例如老化、光照不均或物理损坏，可能导致系统中各个H桥模块的功率分配不均，进而引发过调制问题。过调制现象不仅会限制系统的输出能力，还可能对电网造成不良影响，因此如何有效防止过调制成为并网光伏系统设计中的关键问题之一。

本文提出的方法旨在通过优化功率分配策略，提高系统在不同运行条件下的适应能力。在传统的FPPT方法中，所有光伏模块通常以相同的功率水平运行，这在光照条件变化时可能无法满足实际需求，导致某些模块的输出功率超过系统允许的极限，从而引发过调制。为此，本文提出了一种新的功率分配机制，允许系统根据光照条件的变化动态调整各模块的输出功率，使其在满足电网需求的同时，避免过调制的发生。具体而言，该方法通过控制各模块的参考电压，使其在不同光照条件下仍能保持稳定运行，从而减少因功率差异导致的调制问题。

在实验验证过程中，本文构建了一个基于CHB拓扑结构的两单元并网光伏系统，并在不同光照条件下进行了测试。实验结果表明，该方法能够有效防止过调制现象的发生，同时保持较高的并网电流质量。此外，通过调整功率限制阈值，该方法还能灵活应对电网负荷的变化，提高系统的运行效率和稳定性。相比传统方法，该方法不仅降低了硬件成本，还提高了系统的灵活性和可扩展性，使其能够适应更多复杂的运行环境。

为了进一步验证该方法的可行性，本文还通过MATLAB/Simulink平台进行了仿真分析。仿真模型中，光伏组件的参数与实际设备一致，确保了实验的准确性和可靠性。在不同光照条件下，传统FPPT方法容易导致某些H桥模块的调制系数超过限制，从而引发过调制。而本文提出的FPPT方法通过优化功率分配，有效避免了这一问题，确保了系统在各种运行条件下的稳定性和安全性。此外，仿真结果还表明，该方法在功率限制和光照变化的情况下，能够显著降低电网电流的谐波失真，符合电网运行标准。

实验验证部分采用了硬件在环（Hardware-in-the-loop, HIL）测试平台，以确保方法的实际可行性。HIL测试平台基于先进的FPGA硬件和StarSim小步长仿真技术，能够模拟真实电网环境，为系统的性能评估提供可靠的数据支持。实验过程中，所有光伏模块均被配置为相同的功率输出，以确保测试的公平性和一致性。通过对比传统FPPT方法和本文提出的FPPT方法，实验结果表明，后者在应对功率差异和光照变化时表现出更强的适应性和稳定性。特别是在光照条件变化较大的情况下，该方法能够有效调整各模块的输出功率，避免因功率分配不均而导致的过调制问题。

本文的研究成果对于提升并网光伏系统的运行效率和稳定性具有重要意义。随着光伏发电技术的不断发展，越来越多的光伏系统被接入电网，这对电网的运行提出了更高的要求。本文提出的FPPT方法不仅能够有效解决过调制问题，还能够提高系统的灵活性和适应性，使其能够在复杂多变的光照条件下保持稳定运行。此外，该方法无需额外的储能设备或变压器，降低了系统的整体成本，为大规模光伏系统的并网提供了可行的解决方案。

在实际应用中，本文的方法可以广泛应用于多串并网光伏系统，尤其是在光照条件不均或系统老化导致功率差异的情况下。通过优化功率分配策略，该方法能够确保各模块的运行在安全范围内，避免因过调制而导致的电网故障。同时，该方法还能够提高系统的整体效率，使其在满足电网需求的同时，减少不必要的能量损耗。对于电网运营商而言，这种方法不仅有助于提高光伏系统的并网能力，还能够降低维护成本，提高系统的经济性和可靠性。

总之，本文通过提出一种基于CHB拓扑结构的柔性最大功率点跟踪方法，解决了并网光伏系统中因功率差异导致的过调制问题。该方法通过优化功率分配策略，有效提高了系统的运行范围和稳定性，同时避免了对额外硬件设备的需求，降低了系统的成本。实验和仿真结果表明，该方法在不同光照条件下均能保持较高的并网电流质量，符合电网运行标准。未来，随着光伏发电技术的进一步发展，该方法有望在更大规模的光伏系统中得到应用，为实现清洁能源的高效利用和电网的稳定运行提供有力支持。