CN102709941A - 一种准-z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法，每块光伏电池配以独立的准-Z源逆变器作为一个发电模块，若干个这样的模块串联构成准-Z源级联多电平单相光伏发电系统，集合了准-Z源逆变器和级联多电平逆变器的众多优势，针对该系统，发明了改进型载波移相SPWM调制方法，分布式MPPT控制，各直流母线电压控制，及并网功率控制。应用本发明的控制方法，可有效运行准-Z源级联多电平单相光伏发电系统，最大限度地收集太阳能，实现多电平输出电压和升压控制。即使光伏电池电压宽范围变化，各模块直流母线峰值电压均恒定，确保了逆变器容量最小。为此，实现低费用、高效率和高可靠性的光伏发电。

Description

一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统及控制方法。

背景技术

光伏发电清洁环保、储量丰富、安全可靠，是最具前景的新能源之一。应用于光伏发电系统中的功率变换器拓扑结构，主要体现为单级或两级、两电平或多电平的特点。其中，级联式多电平逆变器具有诸多优点，主要体现在可实现下列目标：1)无变压器；2)输出电压谐波小；3)减小或省略输出端的滤波器；4)分布式最大功率跟踪（MPPT）；5)易于模块化。因而，将级联式多电平逆变器应用于光伏发电系统日益成为研究的热点。然而，由于光伏电池电压的宽范围变化，传统级联多电平逆变系统在光伏应用中存在以下问题：首先，系统的不同模块间存在直流母线电压不平衡的问题；其次，系统在设计时需要倍增逆变器的容量。如果在每个模块引入DC/DC变换器，可控制直流母线电压平衡，并最小化逆变器容量，但是将导致系统的费用增加、效率降低。

Z-源和准Z-源逆变器以单级功率变换的形式，实现升/降压和逆变的功能，可以适应光伏电池电压的宽范围变化。应用其设计光伏逆变器时，不但可以实现最小化逆变器容量，而且费用、效率和可靠性都将得到改善。论文[LIU Liming，LI Hui，ZHAO Yi，et al.1 MHzcascaded Z-Source inverters for scalable grid-interactive photovoltaicapplications using GaN device[C]//Proceedings of IEEE EnergyConversion Congress and Exposition，Sept.17-22，2011，Phoenix，USA：2738-2745.]将Z-源逆变器和级联H桥结合，采用新的GaN器件，构成了1MHz开关频率的光伏逆变器。论文分析了系统效率以及参数设计方法，但是没有提及控制方法。专利2010l02348660公开了一种储能型级联多电平光伏并网发电控制系统，可实现分布式最大功率跟踪，最大限度地收集太阳能，效率高，避免了光伏电池串联时局部阴影导致的功率损失和热斑问题；具有多电平逆变的优点，输出电压谐波低，且适合高压大功率、无变压器并网。但是，该发明没有公开具体的控制细节，比如，如何进行脉宽调制，以对所有准Z-源逆变器模块进行独立控制，如何实现各模块的分布式最大功率跟踪，如何保持各模块直流母线电压平衡控制等等。

发明内容

为了解决以上问题，本发明公开了一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法，所述并网发电系统由2个以上准-Z源光伏发电模块级联组成；所述的每一个准-Z源光伏发电模块包括：四只IGBT，二极管D，第一电解电容、第二电解电容，第一电感、第二电感，光伏电池；其中，所述四只IGBT连接为一个H桥逆变器，所述第二电解电容跨接于二极管D的阳极和H桥逆变器正极间，且所述第二电解电容的正极与H桥逆变器正极相连；二极管D的阴极与所述第一电解电容的正极、所述第二电感相连；所述第二电感的另一端连接于H桥逆变器正极；第一电解电容的负极与H桥逆变器负极相连；第一电感的一端与光伏电池相连，另一端与第二电解电容的负极相连；所述第一个准-Z源光伏发电模块的H桥逆变器左臂中间通过滤波电感连接到电网一端，电网的另一端连接到H桥逆变器右桥臂中间。

一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，包括：改进型载波移相SPWM调制步骤、分布式MPPT控制和各直流母线电压控制步骤及并网功率控制步骤。

进一步，作为一种优选，所述的改进型载波移相SPWM调制步骤,包括：以第j个模块为例子，将第j个模块H桥的左、右桥臂看作两个功率单元，左桥臂的三角载波为S_1，j，右桥臂的三角载波为S_2，j，S_1，j与S_2，j之间的移相角为180°，该H桥的左、右桥臂采用同一个正弦波m_j进行调制；假设单元j的准-Z源H桥逆变器在工作过程中的直通量为D_j，那么，在调制过程中需要增加一对正负直通量参考值，分别为1-D_j和D_j-1，当三角载波大于1-D_j或小于D_j-1时，对应桥臂的上、下开关管同时开通，此时该H桥处于直通状态，该直通状态被加到传统零矢量区间内，在直通区间内，H桥输出电压仍为0，不会改变H桥的输出电平，因此，准-Z源H桥单元j的输出电压为3电平，n个模块级联，相邻模块间的载波相移为π/n，总的输出相电压为（2n+1）电平。

进一步，作为一种优选，所述的分布式MPPT控制和各直流母线电压控制，包括：每个准-Z源光伏发电模块的MPPT控制，以及每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制。

进一步，作为一种优选，所述的每个准-Z源光伏发电模块MPPT控制，包括：对每个准-Z源光伏发电模块，采用扰动观察法MPPT算法，调节该模块的直通占空比D_j，跟踪其光伏电池的最大功率点；各模块光伏电池的MPPT控制相互解耦，即使它们的工作点不同，也不会产生相互影响。

进一步，作为一种优选，所述的每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制，包括：对于每个准-Z源光伏发电模块，用电压传感器采集准-Z源网络中的第一电容电压v_C1和第二电容电压v_C2，二者相加，得到直流母线电压峰值

将与设定的参考值

作比较，得到误差e_j，经过PI调节器后，输出该模块的功率参考值P^* _j，为了各模块电压平衡，设定

为同一数值，但是各模块输出的P^* _j会有差异，与各模块光伏电池最大功率点时的光伏功率相关，P^* _j为每个模块并网功率参考值，其将被输入到并网功率控制器中，参与总的并网功率控制。

进一步，作为一种优选，所述的并网功率控制，包括：并网功率等于各个模块光伏电池功率的总和，所以，总的并网功率参考值为

由于各模块的级联结构，每个模块注入电网的电流相同，电网电流的峰值为

式中，

为电网相电压有效值；实时检测电网的电压，采用锁相环技术，得到电网电压的相位，应用电网电压相位和电网电流峰值，经过三角函数，得到并网电流的期望值i^* _grid，将并网电流实际值i_grid与i^* _grid作比较，经过PI调节器，得到该准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的期望电压v_total，该电压信号将用于产生级联系统中每个模块的调制度m_j，j=1,2，...,n，由于每个模块提供的并网功率不同，定义各模块所提供功率的比例系数为

j＝1,2，...,n，由于所有模块电流相同，各模块功率将和其电压成正比，则每个级联H桥模块的调制度m_j为

可见，应用本发明的控制方法，实现了对准-Z源级联多电平单相光伏发电系统的有效控制：1）改进的载波移相SPWM调制方法实现了多电平调制和准-Z源电路的升压控制；2）实现了分布式MPPT算法，实现了各个光伏电池最大功率点的分别跟踪，必将改进系统整体效率；3）实现了各级联模块直流母线电压峰值的平衡控制，解决了传统级联系统中直流母线电压不平衡的问题；4）实现了并网功率控制，根据各模块功率，调节调制指数，确保各模块光伏电池将其最大功率输送电网。即使光伏电池电压宽范围变化，各模块直流母线电压均恒定，确保了逆变器容量最小。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的结构示意图；

图2为本发明控制流程图；

图3为本发明改进型载波移相SPWM调制方法原理图；

图4为本发明的每个模块MPPT控制和直流母线电压控制框图；

图5为本发明的并网功率控制框图；

图6为本发明实施例仿真系统的三个模块光伏电池电压、电流以及输出功率波形结果；

图7为本发明实施例仿真系统的电容电压波形结果；

图8为本发明实施例仿真系统的电感电流波形结果；

图9为本发明实施例仿真系统的模块直流母线电压波形结果；

图10为本发明实施例仿真系统的电网电压、电流及逆变器输出多电平电压波形结果；

图11为本发明实施例仿真系统的模块调制信号波形结果。

具体实施方式

以下参照图1-11对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所涉及的准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法，所述并网发电系统由3个准-Z源光伏发电模块级联组成，其H桥逆变器5左桥臂中间端经过滤波电感L_f连接到电网，电网另一端连到H桥逆变器7右桥臂中间；每个准-Z源光伏发电模块均相同，所述的每一个准-Z源光伏发电模块包括：四只IGBT，二极管D_j(j=1,2,3)，第一电解电容C_j1、第二电解电容C_j2,第一电感L_j1、第二电感L_j2，光伏电池j,j=1,2,3；其中，所述四只IGBT连接为一个H桥逆变器，所述第二电解电容C_j2跨接于二极管D_j的阳极和H桥逆变器正极间，且所述第二电解电容C_j2的正极与H桥逆变器正极相连；二极管D_j的阴极与所述第一电解电容C_j1的正极、所述第二电感L_j2相连；所述第二电感L_j2的另一端连接于H桥逆变器正极；第一电解电容C_j1的负极与H桥逆变器负极相连；第一电感L_j1的一端与光伏电池模块j相连，另一端与第二电解电容C_j2的负极相连。

如图2所示，本发明的准-Z源级联多电平单相光伏发电系统的控制方法，包括：

S1、改进型载波移相SPWM调制方法；

S2、分布式MPPT控制和各直流母线电压控制；

S3、并网功率控制。

如图3所示，所述的改进型载波移相SPWM调制方法为：将每个模块H桥的左、右桥臂看作两个功率单元，左桥臂的三角载波为S1（或S3或S5），右桥臂的三角载波为S2(或S4或S6)，S1与S2之间(或S3与S4之间,或S5与S6之间)的移相角为180°，H桥的左、右桥臂采用同一个正弦波m₁(或m₂或m₃)进行调制。假设单元1的准-Z源H桥逆变器在工作过程中的直通量为D₁，那么，在调制过程中需要增加一对正负直通量参考值，分别为1-D₁和D₁-1。当三角载波大于1-D₁或小于D₁-1时，对应桥臂的上、下开关管同时开通，此时H桥处于直通状态。该直通状态被加到传统零矢量区间内，在直通区间内，H桥输出电压仍为0，不会改变H桥的输出电平。因此，准-Z源H桥单元1的输出电压为v_a1，为3电平。级联3级后，三个H桥单元之间的载波相移为π/3=60°，总的输出电压为图3中的v_H，输出为7电平。

控制方法，包括：每个准-Z源光伏发电模块的MPPT控制，以及每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制；

图4所示为每个模块光伏电池的MPPT控制以及直流母线电压的平衡控制。首先，采用扰动观察法跟踪各光伏电池的最大功率点，确定光伏电池在最大功率点的电压v^* _pvj(j=1,2,3)，其次，通过调节直通占空比D_j(j=1,2,3)，使光伏电池端电压v_pvj跟踪其期望值v^* _pvj，实现各光伏电池的MPPT控制。可以看出，各模块光伏电池的控制相互解耦，即使每个光伏电池的工作点不同，也不会产生相互影响。

如图4所示，用电压传感器采集准-Z源网络中的电容电压v_C1和v_C2，将二者相加，得到直流母线电压峰值

与其设定的参考值

作比较，经PI调节器控制后，输出功率参考值P^* _j。对于图1所示实施例，有三个直流母线电压，为保证系统运行中各直流母线电压平衡，将每个模块的直流母线电压峰值设定为同一数值。尽管如此，但是各模块输出的P^* _j（j＝1,2,3）会有差异，它与各模块光伏电池在最大功率点处的功率大小相关。P^* _j为第j个模块(j＝1,2,3）并网功率参考值，将其输入到并网功率控制器中，参与总的并网功率控制。

并网功率的控制策略如图5所示，具体如下：

并网功率等于各个模块光伏电池的功率总和，所以，总的并网功率参考值为

$P_{\mathrm{total}}^{*}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j^{*}$

由于图1所示实施例中各模块串联，每个模块注入电网的电流相同，电网电流的峰值为

${\hat{i}}_{\mathrm{grid}}^{*}=\frac{{{2P}^{*}}_{\mathrm{total}}}{{\hat{v}}_{\mathrm{grid}}}$

如图5所示，实时检测电网的电压，采用锁相环计算，得到电网电压的相位。应用电网电压相位和电网电流峰值，经过三角函数，得到并网电流的期望值i^* _grid。将并网电流实际值i_grid与i^* _grid作比较，经过PI调节器，得到该准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的期望电压v_total。该电压信号将用于产生级联系统中每个模块的调制度m_j(j=1,2,3）。

由于每个模块提供的并网功率不同，定义各模块所提供功率的比例系数为

$a_j=\frac{P_j^{*}}{P_{\mathrm{total}}^{*}},$ （j=1,2,3）

由于所有模块电流相同，各模块功率将和其电压成正比，则每个级联H桥模块的调制度m_j(j=1,2,3）为

$m_j=\frac{a_j{v}_{\mathrm{total}}}{{\hat{v}}_{\mathrm{PNj}}}$

综合各模块的m_j和D_j（j=1,2,3），应用图3所示改进型载波移相SPWM调制方法，得到3个模块的开关管控制信号，控制光伏逆变器并网发电。

为了验证本发明的准-Z源级联多电平单相光伏发电系统及其控制方法，在MATLAB/SIMULINK环境下搭建了图1所示电路模型和图4、图5控制模型，其中图3所示改进型载波移相SPWM调制方法被应用。实施例所示系统的额定功率为1.5kW，电路参数为：L₁=L₂=3mH，C₁=C₂=2mF，滤波电感L_f＝1mH，载波频率f_s=2kHz。仿真中，设定三个直流母线电压峰值的期望值均为145V，并网电压有效值为220V，频率为50Hz。因为光伏电池电压随着温度的改变会有较大的变化，为了验证系统在该工况下控制策略的性能，设定每个模块中光伏电池的光照条件相同S=1000W/m²，温度条件T不同：光伏电池模块1：T＝15°C；光伏电池模块2：T＝35°C；光伏电池模块3：T＝55°C。

仿真结果如图6-图11所示。其中，图6为三个光伏电池模块的电压、电流以及输出功率。可以看出，经过分布式MPPT控制，三个模块的光伏电池均运行于各自的最大功率点，输出电压和功率分别为光伏电池模块1：71.5V/545W；光伏电池模块2：66V/500W；光伏电池模块3：60.5V/455W，3个光伏电池模块的功率相加，得到供给电网的总功率为1500W。图7和图8分别为准-Z源网络的电容电压和电感电流，它们的关系符合准-Z源逆变器的基本工作原理。图9为准-Z源级联多电平单相光伏发电系统中的三个直流母线电压波形，可以看出，在光伏电池输出电压差异较大的工况下，使用图4的控制策略，可以确保每个模块直流母线电压的峰值稳定在145V，与设定的期望值相符。

图10为准-Z源级联多电平单相光伏发电系统的并网电压、并网电流、以及逆变器总的输出电压。可以看出，并网电流与并网电压的相位一致，系统保持整功率因数运行；7电平的输出电压验证了图3所示的改进型载波移相SPWM调制方法。图11为准-Z源级联多电平单相光伏发电系统中三个级联模块的调制度，其幅值的大小与各模块供给总系统的功率值相关。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，所述并网发电系统由2个以上准-Z源光伏发电模块级联组成；所述的每一个准-Z源光伏发电模块包括：四只IGBT，二极管D，第一电解电容、第二电解电容，第一电感、第二电感，光伏电池；其中，所述四只IGBT连接为一个H桥逆变器，所述第二电解电容跨接于二极管D的阳极和H桥逆变器正极间，且所述第二电解电容的正极与H桥逆变器正极相连；二极管D的阴极与所述第一电解电容的正极、所述第二电感相连；所述第二电感的另一端连接于H桥逆变器正极；第一电解电容的负极与H桥逆变器负极相连；第一电感的一端与光伏电池相连，另一端与第二电解电容的负极相连；所述第一个准-Z源光伏发电模块的H桥逆变器左桥臂中间通过滤波电感连接到电网一端，电网的另一端连接到H桥逆变器右桥臂中间；

其特征在于，包括：改进型载波移相SPWM调制步骤、分布式MPPT控制和各直流母线电压控制步骤及并网功率控制步骤。

2.如权利要求1所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的改进型载波移相SPWM调制步骤,包括：以第j个模块为例子，将第j个模块H桥的左、右桥臂看作两个功率单元，左桥臂的三角载波为S_1，j，右桥臂的三角载波为S_2，j，S_1，j与S_2，j之间的移相角为180°，该H桥的左、右桥臂采用同一个正弦波m_j进行调制；假设单元j的准-Z源H桥逆变器在工作过程中的直通量为D_j，那么，在调制过程中需要增加一对正负直通量参考值，分别为1-D_j和D_j-1，当三角载波大于1-D_j或小于D_j-1时，对应桥臂的上、下开关管同时开通，此时该H桥处于直通状态，该直通状态被加到传统零矢量区间内，在直通区间内，H桥输出电压仍为0，不会改变H桥的输出电平，因此，准-Z源H桥单元j的输出电压为3电平，n个模块级联，相邻模块间的载波相移为π/n，总的输出相电压为（2n+1）电平。

3.如权利要求1所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的分布式MPPT控制和各直流母线电压控制，包括：每个准-Z源光伏发电模块的MPPT控制，以及每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制。

4.如权利要求3所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的每个准-Z源光伏发电模块MPPT控制，包括：对每个准-Z源光伏发电模块，采用扰动观察法MPPT算法，调节该模块的直通占空比D_j，跟踪其光伏电池的最大功率点；各模块光伏电池的MPPT控制相互解耦，即使它们的工作点不同，也不会产生相互影响。

5.如权利要求3所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制，包括：对于每个准-Z源光伏发电模块，用电压传感器采集准-Z源网络中的第一电容电压v_C1和第二电容电压v_C2，二者相加，得到直流母线电压峰值

将

与设定的参考值

作比较，得到误差e_j，经过PI调节器后，输出该模块的功率参考值P^* _j，为了各模块电压平衡，设定

为同一数值，但是各模块输出的P^* _j会有差异，与各模块光伏电池最大功率点时的光伏功率相关，P^* _j为每个模块并网功率参考值，其将被输入到并网功率控制器中，参与总的并网功率控制。

6.如权利要求2所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的并网功率控制，包括：并网功率等于各个模块光伏电池功率的总和，所以，总的并网功率参考值为

由于各模块的级联结构，每个模块注入电网的电流相同，电网电流的峰值为

式中，

为电网相电压峰值；实时检测电网的电压，采用锁相环技术，得到电网电压的相位，应用电网电压相位和电网电流峰值，经过三角函数，得到并网电流的期望值i^* _grid，将并网电流实际值i_grid与i^* _grid作比较，经过PI调节器，得到该准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的期望电压v_total，该电压信号将用于产生级联系统中每个模块的调制度m_j，j＝1,2，...,n，由于每个模块提供的并网功率不同，定义各模块所提供功率的比例系数为

j=1,2，....,n，由于所有模块电流相同，各模块功率将与其输出电压成正比，则每个级联H桥模块的调制度m_j为

Images