CN104638676A

CN104638676A - 一种交流串联光伏发电并网系统及其控制系统和方法

Info

Publication number: CN104638676A
Application number: CN201510086817.XA
Authority: CN
Inventors: 张犁; 赵晋泉
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2035-02-17
Also published as: CN104638676B

Abstract

本发明公开了一种交流串联光伏发电并网系统及其控制系统和方法，所述交流串联光伏发电并网系统包括光伏组件和并网逆变器，光伏组件包括n个子光伏组件，并网逆变器包括n台子并网逆变器，每个子光伏组件输出端均与一台子并网逆变器的输入端串接，每台子并网逆变器均输出交流正弦电压和电流，各台子并网逆变器输出端串接，输出电压有效值之和等于电网电压有效值，各台子并网逆变器的输出电流幅值和相位相同，输出功率最大的并网逆变器输出电压有效值最大，输出功率最小的并网逆变器输出电压有效值最小。本发明解决了现有级联H桥型系统结构及其控制方法存在的缺陷。

Description

一种交流串联光伏发电并网系统及其控制系统和方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，特别涉及了一种交流串联光伏发电并网系统及其控制系统和方法。

背景技术

分布式发电系统中，新能源发电设备的接入方式直接影响系统发电效率。经过多年研究，国内外的研究人员提出了多种卓有成效的针对光伏并网发电的功率变换系统的解决方案。根据功率等级、安装方式等，主要有集中式、串式、多串式、交流模块式、直流模块式和级联型H桥等结构。其中，交流模块式、直流模块式和级联型H桥结构可以实现组件级MPPT，因此受到了更为广泛的研究和关注。

将级联型H桥的结构应用至分布式光伏发电并网系统最早由S.A.Khajehoddin等学者在2007年提出并展开研究。基于该思想，中国发明专利CN104124703(专利公开号)和CN103337873(专利公开号)分别给出了级联型H桥在低压和高压光伏系统中的具体实施电路，如图1所示。但是，这种结构的光伏发电并网系统，每个H桥模块并不包括交流滤波电路，采用单台H桥模块无法实现并网运行，故基于级联型H桥的光伏发电并网系统本质上是一台逆变器，而非由多台并网逆变器串联组成。

针对级联型H桥并网系统结构，文献”E.Villanueva,P.Correa,J.Rodriguez,and M.Pacas.Control of a single phase cascaded H-bridge multilevel inverter forgrid-connected photovoltaic systems.IEEE Transactions on Industrial Electronics.2009,56(11):4399-4406.”提出了逆变器控制策略，但是，这种控制策略需要通过集中控制器对各H桥模块进行控制，故系统控制环节的分布式程度低。

因此，有必要研究出一种具有控制环节分布式程度高、适合串联系统运行的交流串联光伏发电并网系统及其控制策略。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种交流串联光伏发电并网系统及其控制系统和方法，解决了现有级联H桥型系统结构及其控制方法存在的缺陷。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种交流串联光伏发电并网系统，包括光伏组件和并网逆变器，所述光伏组件包括第1～第n子光伏组件，并网逆变器包括第1～第n子并网逆变器，n为大于1的自然数，每个子光伏组件的输出端对应连接一台子并网逆变器的的输入端，每台子并网逆变器均包含直流母线电容、逆变功率电路和输出滤波电路；所述输出滤波电路包括第一滤波电感、第二滤波电感和交流滤波电容，所述第i子光伏组件的输出端经第i子并网逆变器的直流母线电容与该并网逆变器的逆变功率电路的输入端连接，第i子并网逆变器的交流滤波电容的两端分别经该子并网逆变器的第一、第二滤波电感与该子并网逆变器的逆变功率电路的输出端连接，其中，i＝1,2,…,n；所述第j子并网逆变器的交流滤波电容与第一滤波电感的公共端连接第j-1子并网逆变器的交流滤波电容与第二滤波电感的公共端，其中，j＝2,3,…,n；所述第1子并网逆变器的交流滤波电容与第一滤波电感的公共端、第n子并网逆变器的交流滤波电容与第二滤波电感的公共端分别接入电网。

本发明还包括基于上述一种交流串联光伏发电并网系统的控制系统，包括n个子控制系统，每个子控制系统一一对应控制一台子并网逆变器，所述子控制系统包括母线电压采样电路、电感电流采样电路、输出电压采样电路和逆变及串联控制功能模块；所述逆变及串联控制功能模块包括母线电压调节器、相角计算单元、功率计算单元、输出电压调节器、无功功率调节器、电感电流调节器、驱动信号产生单元、第一～第二乘法单元、第一～第四减法单元和加法单元；所述母线电压采样电路的输入端连接直流母线电容，它的输出端连接第一减法单元的正输入端，第一减法单元的输出端经母线电压调节器与第一乘法单元的第一输入端连接，第一乘法单元的输出端连接加法单元的第一输入端，加法单元的输出端连接第二减法单元的正输入端，第二减法单元的输出端经输出电压调节器与第三减法单元的正输入端连接，第三减法单元的输出端经电感电流调节器与驱动信号产生单元的输入端连接，驱动信号产生单元的输出端连接逆变功率电路，所述电感电流采样电路的输入端连接逆变功率电路的输出端，电感电流采样电路的输出端分别连接功率计算单元的第一输入端和第三减法单元的负输入端，功率计算单元的输出端连接第四减法单元的负输入端，第四减法单元的输出端经无功功率调节器与第二乘法单元的第一输入端连接，第二乘法单元的输出端连接加法单元的第二输入端，所述输出电压采样电路的输入端连接输出滤波电路的输出端，输出电压采样电路的输出端分别连接功率计算单元的第二输入端、相角计算单元的输入端以及第二减法单元的负输入端，相角计算单元的第一输出端连接第一乘法单元的第二输入端，相角计算单元的第二输出端连接第二乘法单元的第二输入端，第二乘法单元的输出端连接加法单元的第二输入端。

本发明还包括基于上述控制系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)采用母线电压采样电路测量直流母线电容的电压，得到直流母线电压反馈信号，并与直流母线电压基准信号相减后通过母线电压调节器得到输出电压幅值给定信号；

(2)采用输出电压采样电路测量交流滤波电容和电网的电压，得到输出电压瞬时值反馈信号和电网电压瞬时值反馈信号，采用电感电流采样电路测量第一滤波电感的电流，得到电感电流瞬时值反馈信号，并与输出电压瞬时值反馈信号经功率计算单元得到无功功率反馈信号；无功功率瞬时值基准信号与无功功率反馈信号相减后经无功功率调节器得到无功功率误差信号；

(3)电网电压瞬时值反馈信号经相角计算单元得到第一电网电压相位信号和第二电网电压相位信号，第一电网电压相位信号超前第二电网电压相位信号90度，输出电压幅值基准信号与第一电网电压相位信号的乘积加上无功功率误差信号与第二电网电压相位信号的乘积，得到输出瞬时值电压基准信号；

(4)输出电压瞬时值基准信号减去输出电压瞬时值反馈信号后经输出电压调节器单元得到电感电流瞬时值基准信号；电感电流瞬时值基准信号减去电感电流瞬时值反馈信号后经电感电流调节器得到调制信号，调制信号经驱动信号产生单元得到逆变功率电路的开关管驱动信号。

其中，当交流串联光伏发电并网系统中只有一台子并网逆变器工作，则所述输出电压瞬时值反馈信号和电网电压瞬时值反馈信号相等。

其中，当交流串联光伏发电并网系统中有m台子并网逆变器工作，其中，m≥2，则输出电压瞬时值反馈信号和电网电压瞬时值反馈信号不相等，且电网电压瞬时值反馈信号等于电网电压除以m。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明提出的子并网逆变器结构包含完整的输入滤波电容、逆变功率电路和输出滤波电路，因此，子并网逆变器可以单独并网运行；

(2)本发明提出的子并网逆变器输出电压为基波串联，而非PWM波串联，因此由该逆变器串联组成的光伏发电并网系统具有模块化和分布式程度高的特点；

(3)本发明提出的控制策略使得并网逆变器串联运行时，各台子并网逆变器仅有功率互连线，无需集中控制器和控制信号互连线，即可实现有功和无功功率的合理分配。

附图说明

图1是基于级联H桥型的光伏发电并网系统结构示意图。

图2是本发明的交流串联光伏发电并网系统结构示意图。

图3是本发明的交流串联光伏发电并网系统的控制系统结构示意图。

图4是实施例中采用单相全桥逆变器拓扑的控制系统结构示意图。

图5是实施例中两台并网逆变器串联工作时控制系统结构示意图。

图6是实施例中三台子并网逆变器输出有功功率依次分别为75W、100W、125W，输出无功功率均为0Var的稳态波形图。

图7是实施例中第1、第3子并网逆变器输出有功功率均为100W，第2并网逆变器输出有功功率由100W突变为200W的动态波形图。

图1中的标号说明：PV1、PV2、…、PVn—第1、第2、…、第n光伏组件，C_dc1、C_dc2、…、C_dcn—第1、第2、第n直流母线电容，L₁、L₂—第1、第2滤波电感。

图2中的标号说明：PV1、PV2、…、PVn—第1、第2、…、第n光伏组件，C_dc1、C_dc2、…、C_dcn—第1、第2、…、第n直流母线电容，L_f11、L_f12—第1子并网逆变器的第一、第二滤波电感，L_f21、L_f22—第2子并网逆变器的第一、第二滤波电感，L_fn1、L_fn2—第n子并网逆变器的第一、第二滤波电感，C_f1、C_f2、…、C_fn—第1、第2、第n子并网逆变器的交流滤波电容。

图3和图4中的标号说明：21—并网逆变器，31—并网逆变器控制电路，211—直流母线电容C_dc，212—逆变功率电路，213—滤波电路，311—母线电压采样电路，312—电感电流采样电路，313—输出电压采样电路，314—逆变及串联控制功能模块，PV—光伏组件，C_dc—直流母线电容，S₁～S₄—第一至第四功率开关管，L_f1、L_f2—第一、第二滤波电感，C_f—滤波电容，u_dref—直流母线电压基准信号，u_df—直流母线电压反馈信号，U_oref—输出电压幅值基准信号，θ_g1—电网电压相角信号1，θ_g2—电网电压相角信号2，u_oref—输出电压瞬时值基准信号，u_of—输出电压反馈信号，i_Lref—电感电流瞬时值基准信号，i_Lf—电感电流瞬时值反馈信号，Q_of—无功功率反馈信号，Q_ref—无功功率基准信号，Q_e—无功功率误差信号，u_r—调制信号。

图5中的标号说明：11、12—第一、第二发电单元，21、22—第1、第2子并网逆变器，31、32—第1、第2子并网逆变器的控制系统，211、221—第一、第二全桥并网逆变电路，212、222—第一、第二滤波电路，311、321—第一、第二母线电压采样电路，312、322—第一、第二电感电流采样电路，313、323—第一、第二输出电压采样电路，314、324—第一、第二逆变及串联控制功能模块，PV1、PV2—第一、第二光伏组件，C_dc1、C_dc2—第一、第二直流母线电容，L₁、L₂—第一、第二储能电感，S_B1、S_B2—第一、第二功率开关管，D₁、D₂—第一、第二功率二极管，S₁₁～S₁₄—第三至第六功率开关管，S₂₁～S₂₄—第七至第十功率开关管，L_f11、L_f12、L_f21、L_f22—第一至第四滤波电感，C_f1、C_f2—第一、第二滤波电容，C_g1、C_g2—第一、第二电网电压采样电容，u_dref1、u_dref2—第一、第二直流母线电压基准信号，u_df1、u_df2—第一、第二直流母线电压反馈信号，U_oref1、U_oref2—第一、第二输出电压幅值基准信号，θ_g11、θ_g12—第一、第二电网电压相角信号，θ_g21、θ_g22—第三、第四电网电压相角信号，u_oref1、u_oref2—第一、第二输出电压瞬时值基准信号，u_of1、u_of2—第一、第二输出电压反馈信号，u_gf1、u_gf2—第一、第二电网电压反馈信号，i_Lf1、i_Lf2—第一、第二电感电流反馈信号，i_Lref1、i_Lref2—第一、第二电感电流基准信号，Q_of1、Q_of2—第一、第二无功功率反馈信号，Q_ref1、Q_ref2—第一、第二无功功率基准信号，Q_e1、Q_e2—第一、第二无功功率误差信号，u_r1、u_r2—第一、第二调制信号。

图6和图7中的标号说明：u_o1、u_o2、u_o3—第1、第2、第3子并网逆变器的输出电压，i_o—并网电流。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示本发明交流串联光伏发电并网系统的结构示意图，种交流串联光伏发电并网系统，包括光伏组件1和并网逆变器2，所述光伏组件1包括第1～第n子光伏组件PV1～PVn，并网逆变器2包括第1～第n子并网逆变器21～2n，n为大于1的自然数，每个子光伏组件的输出端对应连接一台子并网逆变器的输入端，每台子并网逆变器均包含直流母线电容C_dc1～C_dcn、逆变功率电路和输出滤波电路；所述输出滤波电路包括第一滤波电感L_f11～L_fn1、第二滤波电感L_f12～L_fn2和交流滤波电容C_f1～C_fn，所述第i子光伏组件的输出端经第i子并网逆变器的直流母线电容与该并网逆变器的逆变功率电路的输入端连接，第i子并网逆变器的交流滤波电容的两端分别经该子并网逆变器的第一、第二滤波电感与该子并网逆变器的逆变功率电路的输出端连接，其中，i＝1,2,…,n；所述第j子并网逆变器的交流滤波电容与第一滤波电感的公共端连接第j-1子并网逆变器的交流滤波电容与第二滤波电感的公共端，其中，j＝2,3,…,n；所述第1子并网逆变器的交流滤波电容与第一滤波电感的公共端、第n子并网逆变器的交流滤波电容与第二滤波电感的公共端分别接入电网。

本发明还包括基于上述一种交流串联光伏发电并网系统的控制系统，如图3所示，包括n个子控制系统31，每个子控制系统一一对应控制一台子并网逆变器21，所述子控制系统31包括母线电压采样电路311、电感电流采样电路312、输出电压采样电路313和逆变及串联控制功能模块314；所述逆变及串联控制功能模块314包括母线电压调节器、相角计算单元、功率计算单元、输出电压调节器、无功功率调节器、电感电流调节器、驱动信号产生单元、第一～第二乘法单元、第一～第四减法单元和加法单元；所述母线电压采样电路的输入端连接直流母线电容C_dc，它的输出端连接第一减法单元的正输入端，第一减法单元的输出端经母线电压调节器与第一乘法单元的第一输入端连接，第一乘法单元的输出端连接加法单元的第一输入端，加法单元的输出端连接第二减法单元的正输入端，第二减法单元的输出端经输出电压调节器与第三减法单元的正输入端连接，第三减法单元的输出端经电感电流调节器与驱动信号产生单元的输入端连接，驱动信号产生单元的输出端连接逆变功率电路212，所述电感电流采样电路的输入端连接逆变功率电路212的输出端，电感电流采样电路的输出端分别连接功率计算单元的第一输入端和第三减法单元的负输入端，功率计算单元的输出端连接第四减法单元的负输入端，第四减法单元的输出端经无功功率调节器与第二乘法单元的第一输入端连接，第二乘法单元的输出端连接加法单元的第二输入端，所述输出电压采样电路的输入端连接输出滤波电路213的输出端，输出电压采样电路的输出端分别连接功率计算单元的第二输入端、相角计算单元的输入端以及第二减法单元的负输入端，相角计算单元的第一输出端连接第一乘法单元的第二输入端，相角计算单元的第二输出端连接第二乘法单元的第二输入端，第二乘法单元的输出端连接加法单元的第二输入端。

本发明中的逆变功率电路可采用多种电路拓扑，在本实施例中，以单相全桥逆变器拓扑为例说明，图4为逆变功率电路为单相全桥逆变器拓扑的控制系统结构示意图，图5是两台并网逆变器串联工作时的控制系统结构示意图，包括发电单元11和12，子并网逆变器21和22，子控制系统31和32。发电单元11和12中的PV1和PV2均为光伏组件，每个光伏组件的输出端均串接一个Boost DC/DC变换器组成发电单元后接入对应的直流母线，Boost DC/DC变换器对光伏组件进行最大功率点跟踪，把光伏组件发出的电能送入直流母线。子并网逆变器21和22中的全桥并网逆变器211和221、输出滤波电路212和222分别将对应的直流母线上的电能逆变后并网。电网电压采样电容C_g1和C_g2的电容值相等，用来检测电网电压的幅值和相位。

下面以图5中的子并网逆变器21(全桥并网逆变电路211、滤波电路212、电网电压采样电容C_g1)为例来介绍本发明的并网逆变器控制方法：

(1)采用母线电压采样电路测量直流母线电容的电压，得到直流母线电压反馈信号u_df1，并与直流母线电压基准信号u_dref1相减后通过母线电压调节器得到输出电压幅值给定信号U_oref1；

(2)采用输出电压采样电路测量交流滤波电容和电网的电压，得到输出电压瞬时值反馈信号u_of1和电网电压瞬时值反馈信号u_gf1，采用电感电流采样电路测量第一滤波电感的电流，得到电感电流瞬时值反馈信号i_Lf1，并与输出电压瞬时值反馈信号u_of1经功率计算单元得到无功功率反馈信号Q_of1；无功功率瞬时值基准信号Q_ref1与无功功率反馈信号Q_of1相减后经无功功率调节器得到无功功率误差信号Q_e1；

(3)电网电压瞬时值反馈信号u_gf1经相角计算单元得到第一电网电压相位信号θ_g11和第二电网电压相位信号θ_g21，第一电网电压相位信号θ_g11超前第二电网电压相位信号θ_g2190度，输出电压幅值基准信号U_oref1与第一电网电压相位信号θ_g11的乘积加上无功功率误差信号Q_e与第二电网电压相位信号θ_g21的乘积，得到输出瞬时值电压基准信号u_oref1；

(4)输出电压瞬时值基准信号u_oref1减去输出电压瞬时值反馈信号u_of1后经输出电压调节器单元得到电感电流瞬时值基准信号i_Lref1；电感电流瞬时值基准信号i_Lref1减去电感电流瞬时值反馈信号i_Lf1后经电感电流调节器得到第一调制信号u_r1，第一调制信号u_r1经过第一驱动信号产生单元后得到并网逆变器的功率开关管S₁₁至S₁₄的驱动信号。子并网逆变器22的控制方法与子并网逆变器21相同，不重复叙述。

若发电单元11的功率大于发电单元12，则子并网逆变器21的输出电压幅值大于子并网逆变器22；若发电单元11的功率小于发电单元12，则子并网逆变器21的输出电压幅值小于子并网逆变器22；若发电单元11的功率等于发电单元12，则子并网逆变器21的输出电压幅值等于子并网逆变器22，子并网逆变器21和22的输出电压幅值之和等于电网电压，且与电网电压同相位。

图6是三台子并网逆变器输出有功功率依次分别为75W、100W、125W，输出无功功率均为0Var的稳态波形图，其横、纵坐标分别为时间t、电压V，i_o为输出电流。由图6可以看出，各台并网逆变器的输出电压满足关系第1子并网逆变器输出电压u_o1最小、第2子并网逆变器输出电压u_o2其次、第2子并网逆变器输出电压u_o3最大。

图7是第1、第3子并网逆变器输出有功功率均为100W，第2并网逆变器输出有功功率由100W突变为200W的动态波形图；由图7可知，第2并网逆变器输出有功功率突变之前，三台并网逆变器的输出电压相等，功率突变后，第2子并网逆变器的输出电压u_o2最大，第1、第3子并网逆变器的输出电压u_o1、u_o3相等，但小于第3并网逆变器的输出电压u_o2，验证了交流串联光伏发电并网系统及其逆变器控制方法的正确性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种交流串联光伏发电并网系统，包括光伏组件和并网逆变器，所述光伏组件包括第1～第n子光伏组件，并网逆变器包括第1～第n子并网逆变器，n为大于1的自然数，每个子光伏组件的输出端对应连接一台子并网逆变器的的输入端，每台子并网逆变器均包含直流母线电容、逆变功率电路和输出滤波电路，其特征在于：所述输出滤波电路包括第一滤波电感、第二滤波电感和交流滤波电容，所述第i子光伏组件的输出端经第i子并网逆变器的直流母线电容与该并网逆变器的逆变功率电路的输入端连接，第i子并网逆变器的交流滤波电容的两端分别经该子并网逆变器的第一、第二滤波电感与该子并网逆变器的逆变功率电路的输出端连接，其中，i＝1,2,…,n；所述第j子并网逆变器的交流滤波电容与第一滤波电感的公共端连接第j-1子并网逆变器的交流滤波电容与第二滤波电感的公共端，其中，j＝2,3,…,n；所述第1子并网逆变器的交流滤波电容与第一滤波电感的公共端、第n子并网逆变器的交流滤波电容与第二滤波电感的公共端分别接入电网。

2.基于权利要求1所述一种交流串联光伏发电并网系统的控制系统，其特征在于：包括n个子控制系统，每个子控制系统一一对应控制一台子并网逆变器，所述子控制系统包括母线电压采样电路、电感电流采样电路、输出电压采样电路和逆变及串联控制功能模块；所述逆变及串联控制功能模块包括母线电压调节器、相角计算单元、功率计算单元、输出电压调节器、无功功率调节器、电感电流调节器、驱动信号产生单元、第一～第二乘法单元、第一～第四减法单元和加法单元；所述母线电压采样电路的输入端连接直流母线电容，它的输出端连接第一减法单元的正输入端，第一减法单元的输出端经母线电压调节器与第一乘法单元的第一输入端连接，第一乘法单元的输出端连接加法单元的第一输入端，加法单元的输出端连接第二减法单元的正输入端，第二减法单元的输出端经输出电压调节器与第三减法单元的正输入端连接，第三减法单元的输出端经电感电流调节器与驱动信号产生单元的输入端连接，驱动信号产生单元的输出端连接逆变功率电路，所述电感电流采样电路的输入端连接逆变功率电路的输出端，电感电流采样电路的输出端分别连接功率计算单元的第一输入端和第三减法单元的负输入端，功率计算单元的输出端连接第四减法单元的负输入端，第四减法单元的输出端经无功功率调节器与第二乘法单元的第一输入端连接，第二乘法单元的输出端连接加法单元的第二输入端，所述输出电压采样电路的输入端连接输出滤波电路的输出端，输出电压采样电路的输出端分别连接功率计算单元的第二输入端、相角计算单元的输入端以及第二减法单元的负输入端，相角计算单元的第一输出端连接第一乘法单元的第二输入端，相角计算单元的第二输出端连接第二乘法单元的第二输入端，第二乘法单元的输出端连接加法单元的第二输入端。

3.基于权利要求2所述控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于：当交流串联光伏发电并网系统中只有一台子并网逆变器工作，则所述输出电压瞬时值反馈信号和电网电压瞬时值反馈信号相等。

5.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于：当交流串联光伏发电并网系统中有m台子并网逆变器工作，其中，m≥2，则输出电压瞬时值反馈信号和电网电压瞬时值反馈信号不相等，且电网电压瞬时值反馈信号等于电网电压除以m。