CN104333040B - 一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统 - Google Patents

Abstract

一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统，其特征在于它是由逆变器单元、滤波器单元、Grid、PLL锁相环、PWM发生电路、PWM调制单元以及参数采集单元构成；其工作方法包括采集、调制、无差拍控制、输出；其优越性在于：可操作性强，便于实际应用；L型滤波器可很好地完成谐波抑制工作；系统具有良好的动态性能及抗干扰性能。

Description

一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统

(一)技术领域

本发明属于电力系统光伏发电技术以及电力电子技术的交叉领域，特别是一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统。

(二)背景技术

随着传统能源的日益消耗和环境污染问题的日益严重，光伏发电技术正在快速发展。逆变器作为光伏系统的核心部件，其常用的控制策略有PID(比例积分微分)控制、无差拍控制、重复控制等。其中，无差拍控制拥有动态响应快、易于数字执行等优点，但其计算量大，且对系统参数敏感。而随着数字控制技术的进一步发展，其优势将更加明显。

为了抑制谐波电流进入电网，目前多采用LCL(电感-电容-电感)型滤波器进行谐波滤除，但LCL型滤波器相比于L(电感)型滤波器，数学模型由一阶变成三阶，不仅加大了计算量、引入了更多的系统参数，同时还产生了滤波器参数设计及谐振等问题，这无疑将阻碍无差拍控制的进一步应用。目前，在光伏并网系统中LCL型滤波器的使用对无差拍控制算法产生的不利影响仍没有得到有效解决。

另一方面，随着分布式光伏技术的快速发展，将有越来越多的家庭实现户用型光伏系统的并网，然而这意味着更加频繁的小功率光伏系统并网/离网工作状态切换以及更加严重的谐波污染，这无疑对电网的工作可靠性和统一管理及维护工作提出了新的挑战。

以上述问题为切入点，本专利提出了一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统研究方案，使其交流侧输出多电平电压，减轻了滤波工作，使用L型滤波器便可满足滤波要求，从而避免了无差拍控制策略和LCL型滤波器的不兼容性。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统，在传统无差拍控制算法的基础上引入阶梯波逼近的概念，实现级联式并网系统交流侧多电平电压的有效输出，使用L型滤波器可很好地完成谐波抑制工作，并使系统具有良好的动态性能及抗干扰性能。

本发明的技术方案：一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统，其特征在于它是由逆变器单元、滤波器单元、Grid、PLL锁相环、PWM发生电路、PWM调制单元以及参数采集单元构成；其中，所述逆变器单元的输入端接收PWM发生电路的输出信号，其输出端与滤波器单元的输入端连接；所述滤波器单元的输出端与Grid连接；所述PLL锁相环的输入端采集Grid的输入输出端信号；所述参数采集单元的输入端采集滤波器单元的输出信号，其输出端连接PWM调制单元的输入端；所述PWM调制单元的输入端连接PWM调制单元的输出端，其输出端与逆变器单元的输入端连接。

所述逆变器单元由至少一个小电源单元构成；所述小电源单元由一块光伏电池板和一个逆变器组成；所述每块光伏电池板连接一个逆变器；所述小电源模块之间以串联的方式连接。

所述参数采集单元是由参考电压电流信号模块及状态变量信号采集模块构成；所述状态变量信号采集模块采集滤波器单元的输出信号；所述参考电压电流信号模块设置给定的电压电流参考值。

一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由光伏电池板接受太阳能并将其转换为电能，光伏电池板输出的直流电经逆变器单元逆变之后成为交流电，再经滤波器单元滤波，经过PLL锁相单元之后馈入Grid大电网中；设光伏电池板的输出电压为Un；

②参数采集单元从滤波器单元中采集系统状态变量的数据，即：系统实时电压和电流数据，与参考电压U_ref和参考电流I_ref一同送入PWM调制单元，调制产生PWM发生电路单元的控制信号，使PWM发生电路单元产生PWM脉冲信号，从而控制逆变器单元中电力电子开关的通断；

③在PWM调制单元中，采用阶梯波逼近的改进无差拍控制方法，配合级联光伏系统结构，控制交流侧输出多电平电压的同时实现单位功率因数并网。

所述步骤③中阶梯波逼近的改进无差拍控制方法是由以下步骤构成：

(I)对于含有3个小电源单元的逆变器单元，逆变器的电力电子开关为H桥结构，所述光伏电池直流侧输出的电压分别为U₁、U₂、U₃，且假设直流侧电压能稳定于设定的参考值，即U₁＝U₂＝E，U₃＝2E，用Ls表示滤波电感，i_L表示并网电流，v_oi表示第i个逆变器交流侧输出电压，v_o表示系统交流侧整体输出电压，U_g表示电网电压，则有(见图2)：

v_o＝v_o1+v_o2+v_o3 (1)

(II)设一个数字采样周期为T，把式(2)离散化可知在第n个周期满足

式中，v_o(t)、i_L(n)、Ug(n)分别为各变量在第n个周期的采样值；为实现并网电流i_L(n)能有效跟踪并网参考电流i_Lref，下个周期应满足i_L(n+1)＝i_Lref(n+1)，进而有

(III)根据式(4)可以计算得到第n个周期所期望的交流侧整体输出电压v_o(n)，因此只需根据v_o(n)的大小对3个逆变器的H桥进行控制进而使式(1)成立，便可实现无差拍控制算法对级联式系统的控制；

(IV)对于引入阶梯波逼近，即使用U₂、U₃的线性组合来实现v_o(n)中E的整数倍部分，对U₁进行斩波控制来实现v_o(n)的剩下部分，即对两个逆变器的H桥，记作H2和H3，进行低频开关控制，对另外一个逆变器H桥，记作H1，进行高频斩波控制，则此时式(1)即变成：

v_o＝d₁U₁+S₂U₂+S₃U₃ (5)

其中，d₁为10kHz的占空比信号，取值在-1～1之间；S₂、S₃为1kHz的开关信号，可取1、-1或0；当v_o(n)>0时，开关控制信号S₂、S₃的具体取值情况如式(6)所示：

(V)若v_o(n)<0，则式(6)中S₂、S₃的值相应取反；已知S₂、S₃值后，根据式(4)和(5)可计算斩波控制信号d₁的大小：

式(6)和(7)给出了系统逆变部分的控制信号，可知在d₁、S₂、S₃的共同控制下，式(1)成立；

式(7)在计算公式中引入了直流侧电压U₁及电网电压U_g(n)，从而可以有效抑制输入直流电压的波动和电网电压的干扰对并网电流的不良影响，提高了系统的抗干扰性；相比于传统的载波信号调制方法，它直接使用占空比对H桥进行控制，避免了调制信号和载波信号频繁的比较过程，使控制更加可靠和快速；

(VI)考虑到H1和H2可以输出E、-E和0三种电平，H3可以输出2E、-2E和0三种电平，因此通过三个逆变器的三个输出电压v_o1、v_o2、v_o3的不同组合，即可实现v_o的9电平输出，从而实现交流侧的多电平输出；且因为H2和H3工作于1kHz较低的开关频率下，有效降低开关损耗；保证了H2和H3的开关器件误动作，即使H1的开关器件误动作，输出v_o也不会大幅度偏离期望值。

本发明的工作原理：级联式系统中无差拍控制的原理(见图2)：主要思想是使用一部分逆变部分输出的线性组合来实现输出电压中的整数倍部分，对余下的逆变部分进行斩波控制来实现输出电压中的剩下部分，即对前者逆变部分的逆变器进行低频开关控制，对后者进行高频斩波控制。

在图1所示基础上，取n＝3，控制实现等效直流侧电压满足U₁:U₂:U₃＝1:1:2，基于该系统结构对传统无差拍控制算法进行分析和改进，提出一种结合阶梯波逼近的改进无差拍控制算法，在控制交流侧输出多电平电压的同时实现单位功率因数并网。

无差拍控制的工作原理是在每一个开关周期的开始时刻，对系统输出的并网电流i进行采样，并且预测出下一个周期开始时并网电流的参考值i*，由i-i*的差值计算出开关器件的占空比，使i在下一个周期开始时刻跟踪i*。

本发明的优越性在于：①可操作性强，便于实际应用；②在传统无差拍控制算法的基础上引入阶梯波逼近的概念，实现级联式并网系统交流侧多电平电压的有效输出，使用L型滤波器可很好地完成谐波抑制工作，避免在光伏并网系统中无差拍控制方法和LCL型滤波器的不兼容性；③利用级联式逆变器可实现多个分布式光伏电源统一并网的优势，使系统具有良好的动态性能及抗干扰性能。

(四)附图说明

图1为本发明所涉一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统的级联式光伏并网系统框图。

图2为本发明所涉一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统的级联式光伏并网系统主电路原理图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统(见图1)，其特征在于它是由逆变器单元、滤波器单元、Grid、PLL锁相环、PWM发生电路、PWM调制单元以及参数采集单元构成；其中，所述逆变器单元的输入端接收PWM发生电路的输出信号，其输出端与滤波器单元的输入端连接；所述滤波器单元的输出端与Grid连接；所述PLL锁相环的输入端采集Grid的输入输出端信号；所述参数采集单元的输入端采集滤波器单元的输出信号，其输出端连接PWM调制单元的输入端；所述PWM调制单元的输入端连接PWM调制单元的输出端，其输出端与逆变器单元的输入端连接。

所述逆变器单元由至少一个小电源单元构成；所述小电源单元由一块光伏电池板和一个逆变器组成；所述每块光伏电池板连接一个逆变器；所述小电源模块之间以串联的方式连接。

所述参数采集单元是由参考电压电流信号模块及状态变量信号采集模块构成；所述状态变量信号采集模块采集滤波器单元的输出信号；所述参考电压电流信号模块设置给定的电压电流参考值。

一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由光伏电池板接受太阳能并将其转换为电能，光伏电池板输出的直流电经逆变器单元逆变之后成为交流电，再经滤波器单元滤波，经过PLL锁相单元之后馈入Grid大电网中；设光伏电池板的输出电压为Un；

②参数采集单元从滤波器单元中采集系统状态变量的数据，即：系统实时电压和电流数据，与参考电压U_ref和参考电流I_ref一同送入PWM调制单元，调制产生PWM发生电路单元的控制信号，使PWM发生电路单元产生PWM脉冲信号，从而控制逆变器单元中电力电子开关的通断；

③在PWM调制单元中，采用阶梯波逼近的改进无差拍控制方法，配合级联光伏系统结构，控制交流侧输出多电平电压的同时实现单位功率因数并网。

所述步骤③中阶梯波逼近的改进无差拍控制方法是由以下步骤构成：

(I)对于含有3个小电源单元的逆变器单元，逆变器的电力电子开关为H桥结构，所述光伏电池直流侧输出的电压分别为U₁、U₂、U₃，且假设直流侧电压能稳定于设定的参考值，即U₁＝U₂＝E，U₃＝2E，用Ls表示滤波电感，i_L表示并网电流，v_oi表示第i个逆变器交流侧输出电压，v_o表示系统交流侧整体输出电压，U_g表示电网电压，则有(见图2)：

v_o＝v_o1+v_o2+v_o3 (1)

(II)设一个数字采样周期为T，把式(2)离散化可知在第n个周期满足

式中，v_o(t)、i_L(n)、Ug(n)分别为各变量在第n个周期的采样值；为实现并网电流i_L(n)能有效跟踪并网参考电流i_Lref，下个周期应满足i_L(n+1)＝i_Lref(n+1)，进而有

(III)根据式(4)可以计算得到第n个周期所期望的交流侧整体输出电压v_o(n)，因此只需根据v_o(n)的大小对3个逆变器的H桥进行控制进而使式(1)成立，便可实现无差拍控制算法对级联式系统的控制；

(IV)对于引入阶梯波逼近，即使用U₂、U₃的线性组合来实现v_o(n)中E的整数倍部分，对U₁进行斩波控制来实现v_o(n)的剩下部分，即对两个逆变器的H桥，记作H2和H3，进行低频开关控制，对另外一个逆变器H桥，记作H1，进行高频斩波控制，则此时式(1)即变成：

v_o＝d₁U₁+S₂U₂+S₃U₃ (5)

其中，d₁为10kHz的占空比信号，取值在-1～1之间；S₂、S₃为1kHz的开关信号，可取1、-1或0；当v_o(n)>0时，开关控制信号S2、S₃的具体取值情况如式(6)所示：

(V)若v_o(n)<0，则式(6)中S₂、S₃的值相应取反；已知S₂、S₃值后，根据式(4)和(5)可计算斩波控制信号d₁的大小：

式(6)和(7)给出了系统逆变部分的控制信号，可知在d₁、S₂、S₃的共同控制下，式(1)成立；

式(7)在计算公式中引入了直流侧电压U₁及电网电压U_g(n)，从而可以有效抑制输入直流电压的波动和电网电压的干扰对并网电流的不良影响，提高了系统的抗干扰性；相比于传统的载波信号调制方法，它直接使用占空比对H桥进行控制，避免了调制信号和载波信号频繁的比较过程，使控制更加可靠和快速；

(VI)考虑到H1和H2可以输出E、-E和0三种电平，H3可以输出2E、-2E和0三种电平，因此通过三个逆变器的三个输出电压v_o1、v_o2、v_o3的不同组合，即可实现v_o的9电平输出，从而实现交流侧的多电平输出；且因为H2和H3工作于1kHz较低的开关频率下，有效降低开关损耗；保证了H2和H3的开关器件误动作，即使H1的开关器件误动作，输出v_o也不会大幅度偏离期望值。

Claims (1)

1.一种基于改进无差拍控制方法的级联式光伏并网系统，其特征在于它是由逆变器单元、滤波器单元、Grid、PLL锁相环单元、PWM发生电路单元、PWM调制单元以及参数采集单元构成；其中，所述逆变器单元的输入端接收PWM发生电路单元的输出信号，其输出端与滤波器单元的输入端连接；所述滤波器单元的输出端与Grid连接；所述PLL锁相环单元的输入端采集Grid的输入输出端信号；所述参数采集单元的输入端采集滤波器单元的输出信号，其输出端连接PWM调制单元的输入端；所述PWM调制单元的输入端连接PWM调制单元的输出端，其输出端与逆变器单元的输入端连接；所述逆变器单元由至少一个小电源单元构成；所述小电源单元由一块光伏电池板和一个逆变器组成；所述每块光伏电池板连接一个逆变器；所述小电源模块之间以串联的方式连接；所述参数采集单元是由参考电压电流信号模块及状态变量信号采集模块构成；所述状态变量信号采集模块采集滤波器单元的输出信号；所述参考电压电流信号模块设置给定的电压电流参考值；

其工作方法为：

①由光伏电池板接受太阳能并将其转换为电能，光伏电池板输出的直流电经逆变器单元逆变之后成为交流电，再经滤波器单元滤波，经过PLL锁相环单元之后馈入Grid大电网中；设光伏电池板的输出电压为Un；

②参数采集单元从滤波器单元中采集系统状态变量的数据，即：系统实时电压和电流数据，与参考电压U_ref和参考电流I_ref一同送入PWM调制单元，调制产生PWM发生电路单元的控制信号，使PWM发生电路单元产生PWM脉冲信号，从而控制逆变器单元中电力电子开关的通断；

③在PWM调制单元中，采用阶梯波逼近的改进无差拍控制方法，配合级联光伏系统结构，控制交流侧输出多电平电压的同时实现单位功率因数并网；

所述步骤③中阶梯波逼近的改进无差拍控制方法是由以下步骤构成：

(I)对于含有3个小电源单元的逆变器单元，逆变器的电力电子开关为H桥结构，所述光伏电池直流侧输出的电压分别为U₁、U₂、U₃，且假设直流侧电压能稳定于设定的参考值，即U₁＝U₂＝E，U₃＝2E，用Ls表示滤波电感，i_L表示并网电流，v_oi表示第i个逆变器交流侧输出电压，v_o表示系统交流侧整体输出电压，U_g表示电网电压，则有：

v_o＝v_o1+v_o2+v_o3 (1)

$v_o=L_s\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}+U_g---\left(2\right)$

(II)设一个数字采样周期为T，把式(2)离散化可知在第n个周期满足

$v_o\left(n\right)=\frac{L_s}{T}\&lsqb;i_L(n+1)-i_L\left(n\right)\&rsqb;+U_g\left(n\right)---\left(3\right)$

式中，v_o(n)、i_L(n)、Ug(n)分别为各变量在第n个周期的采样值；为实现并网电流i_L(n)能有效跟踪并网参考电流i_Lref，下个周期应满足i_L(n+1)＝i_Lref(n+1)，进而有

$v_o\left(n\right)=\frac{L_s}{T}\&lsqb;i_{Lref}(n+1)-i_L\left(n\right)\&rsqb;+U_g\left(n\right)---\left(4\right)$

(III)根据式(4)可以计算得到第n个周期所期望的交流侧整体输出电压v_o(n)，因此只需根据v_o(n)的大小对3个逆变器的H桥进行控制进而使式(1)成立，便可实现无差拍控制算法对级联式系统的控制；

(IV)对于引入阶梯波逼近，即使用U₂、U₃的线性组合来实现v_o(n)中E的整数倍部分，对U₁进行斩波控制来实现v_o(n)的剩下部分，即对两个逆变器的H桥，记作H2和H3，进行低频开关控制，对另外一个逆变器H桥，记作H1，进行高频斩波控制，则此时式(1)即变成：

v_o＝d₁U₁+S₂U₂+S₃U₃ (5)

其中，d₁为10kHz的占空比信号，取值在-1～1之间；S₂、S₃为1kHz的开关信号，可取1、-1或0；当v_o(n)>0时，开关控制信号S₂、S₃的具体取值情况如式(6)所示：

$\left\{\begin{array}{cc}{S}_2=1,S_3=1,& v_o\left(n\right)\&Element;\&lsqb;3E,4E)\\ S_2=0,S_3=1,& v_o\left(n\right)\&Element;\&lsqb;2E,3E)\\ S_2=1,S_3=0,& v_o\left(n\right)\&Element;\&lsqb;1E,2E)\\ S_2=0,S_3=0,& v_o\left(n\right)\&Element;\&lsqb;0,E)\end{array}\right.---\left(6\right)$

(V)若v_o(n)<0，则式(6)中S₂、S₃的值相应取反；已知S₂、S₃值后，根据式(4)和(5)可计算斩波控制信号d₁的大小：

$d_1=\frac{L_s}{{\mathrm{TU}}_1}\&lsqb;i_{Lref}(n+1)-i_L\left(n\right)\&rsqb;+\frac{U_g\left(n\right)-S_2{U}_2-S_3{U}_3}{U_1}---\left(7\right)$

式(6)和(7)给出了系统逆变部分的控制信号，可知在d₁、S₂、S₃的共同控制下，式(1)成立；

式(7)在计算公式中引入了直流侧电压U₁及电网电压U_g(n)，从而可以有效抑制输入直流电压的波动和电网电压的干扰对并网电流的不良影响，提高了系统的抗干扰性；相比于传统的载波信号调制方法，它直接使用占空比对H桥进行控制，避免了调制信号和载波信号频繁的比较过程，使控制更加可靠和快速；

(VI)考虑到H1和H2可以输出E、-E和0三种电平，H3可以输出2E、-2E和0三种电平，因此通过三个逆变器的三个输出电压v_o1、v_o2、v_o3的不同组合，即可实现v_o的9电平输出，从而实现交流侧的多电平输出；且因为H2和H3工作于1kHz较低的开关频率下，有效降低开关损耗；避免H2和H3的开关器件误动作，即使H1的开关器件误动作，输出v_o也不会大幅度偏离期望值。