CN104953615B - 一种单级式z源光伏并网逆变器的统一控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器及控制方法，基于Z源逆变器的单级式并网光伏系统利用Z源网络和逆变器直通时间进行升压，同时可实现并网电流逆变控制，兼有谐波和无功补偿，整体结构紧凑，效率更高，工作更可靠。

Description

一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器及控制方法，尤其涉及一种兼有谐波和无功补偿的单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器及控制方法。

背景技术

由于外界环境变化对分布式光伏发电系统影响较大，其输出功率直接受当前环境太阳辐照和温度影响。为使得并网光伏系统输出功率最大化，广泛采用两级式并网光伏系统，一般采用前级Boost变换器起到直流电压提升与最大功率点跟踪(MPPT)功能，再由后级逆变器进行光伏系统并网控制，其优点在于控制简单，但多级的系统将产生更多的能量损耗，降低了系统效率。

另一方面，光伏电站逐步向大容量方向发展且开始承担一定的本地负荷，通过光伏并网发电系统的功率因数控制功能，向电网中补偿无功，已成为光伏电站接入电网的核心技术之一。其主电路具有电压型全桥逆变电路，与传统的有源滤波和无功功率补偿装置主电路一致，因此可以利用光伏系统进行无功补偿，输出一定的无功功率，并抑制电网电流谐波。但传统的两级式或单级式光伏发电系统效率低于Z源逆变器，未能将高效的Z源逆变器与无功补偿功能相结合，未实现系统整体的统一控制方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器及控制方法，基于Z源逆变器的单级式并网光伏系统利用Z源网络和逆变器直通时间进行升压，同时可实现并网电流逆变控制，兼有谐波和无功补偿，整体结构紧凑，效率更高，工作更可靠。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器，其特征在于，包括分别与太阳能光伏阵列相连的光伏电压采样模块和光伏电流采样模块，与Z源网络相连的电容电压采样模块，与三相电网相连的电网电压采样模块和电网电流采样模块；

所述光伏电流采样模块顺次与MPPT模块、第一减法器、光伏电压PI控制器、带直通比的SVPWM模块相连，所述光伏电压采样模块分别与MPPT模块和第一减法器相连；

所述电容电压采样模块顺次与Z源输出电压计算模块、第二减法器、母线电压PI控制器、第三减法器相连；

所述电网电压采样模块分别与带直通比的SVPWM模块和锁相环模块相连，所述锁相环模块分别与C坐标变换模块、C^-坐标变换模块相连；

所述电网电流采样模块顺次与C₃₂坐标变换模块、C坐标变换模块、低通滤波器模块、第三减法器、C^-坐标变换模块、C₂₃坐标变换模块、第四减法器、并网电流控制模块、带直通比的SVPWM模块相连；

所述电网电流采样模块与第四减法器相连，所述带直通比的SVPWM模块输出PWM控制信号。

一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制方法，其特征在于：

MPPT模块通过实时测量的光伏阵列输出电压U_PV和电流I_PV确定当前功率，并寻求光伏阵列最大功率，获得光伏阵列目标电压

光伏电压PI控制器通过当前光伏阵列电压U_PV与的误差，输出直通比控制信号D₀至带直通比的SVPWM模块；

电网电压采样模块采集三相电网的实时电压e_α、e_b、e_c输出至带直通比的SVPWM模块，并将A相实时电压e_α输出至锁相环模块；

电网电流采样模块采集三相电网的实时电流i_abc并进行坐标变换后获得有功电流信号i_p，获得其直流分量同时，Z源输出电压峰值计算模块计算出Z源输出端电压U_Z，通过减法器与母线电压设定值比较，将误差输入母线电压PI控制器，获得控制信号

与经过减法器处理后，经过坐标变换得到三相静止坐标系下电流值i_abcf，i_abcf与三相电网的实时电流i_abc进行相减获得无功电流与谐波电流总和i_abch，将其输入并网电流控制模块，获得SVPWM调制信号u_α与u_β，并与带直通比的SVPWM模块连接，形成带直通矢量的SVPWM，将输出的统一控制PWM信号接入全桥逆变电路，实现兼有谐波和无功补偿的Z源逆变器统一控制。

本发明的有益效果是：通过调节直通占空比，实现光伏阵列最大功率跟踪功能以及Z源网络电压提升，同时采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，获得包含并网有功、无功及谐波电流的指令电流，基于带直通比的SVPWM，发明了系统统一控制方法；系统结构紧凑，在实现太阳能光伏系统并网发电的同时，可降低电网电流谐波并补偿电网无功功率，节约成本，高效可靠。

附图说明

图1是本发明一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器的结构示意图；

图2是本发明Z源网络的电路图；

图3是本发明统一控制方法的稳态时逆变器输出电流、非线性负荷电流以及电网A相电流的仿真结果；

图4是本发明统一控制方法的谐波抑制前后电网A相电流THD的仿真结果；

图5是本发明统一控制方法的Z源逆变器无功补偿仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器，如图1所示，包括分别与太阳能光伏阵列101相连的光伏电压采样模块201和光伏电流采样模块202，与Z源网络102相连的电容电压采样模块203，与三相电网相连的电网电压采样模块204和电网电流采样模块205。

所述光伏电流采样模块202顺次与MPPT模块207、第一减法器、光伏电压PI控制器206、带直通比的SVPWM模块210相连，所述光伏电压采样模块201分别与MPPT模块207和第一减法器相连，其中，所述直通比为全桥逆变电路103中开关器件在一个调制周期内，上下桥臂直通时间所占比例；

所述电容电压采样模块203顺次与Z源输出电压计算模块208、第二减法器、母线电压PI控制器209、第三减法器相连；

所述电网电压采样模块204分别与带直通比的SVPWM模块210和锁相环模块217相连，所述锁相环模块217分别与C坐标变换模块213、C^-坐标变换模块215相连；

所述电网电流采样模块205顺次与C₃₂坐标变换模块212、C坐标变换模块213、低通滤波器模块214、第三减法器、C^-坐标变换模块215、C₂₃坐标变换模块216、第四减法器、并网电流控制模块211、带直通比的SVPWM模块210相连；

所述电网电流采样模块205与第四减法器相连，所述带直通比的SVPWM模块210输出PWM控制信号。

优选，所述带直通比的SVPWM模块210与全桥逆变电路103相连，所述太阳能光伏阵列101与Z源网络102相连，所述Z源网络102与全桥逆变电路103相连，所述全桥逆变电路103通过滤波电感Lf与三相电网连接。

优选，所述Z源网络102如图2所示，其包括Z源网络电容C1、C2和Z源网络电感L1、L2，且Z源网络电感L1的两端分别与电容C1与C2的正极相连，Z源网络电感L2的两端分别与电容C2与C1的负极相连。

优选，各个坐标变换模块如下：

C₃₂坐标变换模块212的坐标变换为：

C坐标变换模块213的坐标变换为：

C^–及C₂₃坐标变换分别为C和C₃₂变换的逆变换。

需说明的是，Z源输出电压计算模块208和并网电流控制模块211均是现有技术，其中并网电流控制模块211将输入的电流信号i_abch进行C₃₂和C坐标变换，获得同步旋转坐标系下电流分量与再通过PI控制器解耦后，分别对有功电流i_d与无功电流i_q进行控制，输出SVPWM调制信号u_d与u_q，PI控制器解耦方法为：

式中，K_p为PI控制器比例系数，K_i为PI控制器积分系数，s为复频域变量，ω为电角度，L_F为图1中滤波器电感值_，e_d、e_q分别为电网电压在同步旋转坐标系下分量，最后再对信号u_d与u_q进行C^-坐标变换，输出两相静止坐标系下SVPWM调制信号u_α与u_β。

相应的，一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制方法，具体如下：

MPPT模块207通过实时测量的光伏阵列输出电压U_PV和电流I_PV确定当前功率，并寻求光伏阵列最大功率，获得光伏阵列目标电压

光伏电压PI控制器206通过当前光伏阵列电压U_PV与的误差，输出直通比控制信号D₀至带直通比的SVPWM模块210；

电网电压采样模块204采集三相电网的实时电压e_α、e_b、e_c输出至带直通比的SVPWM模块210，并将A相实时电压e_α输出至锁相环模块217；

电网电流采样模块205采集三相电网的实时电流i_abc并进行坐标变换后获得有功电流信号i_p，获得其直流分量同时，Z源输出电压峰值计算模块208计算出Z源输出端电压U_Z，通过减法器与母线电压设定值比较，将误差输入母线电压PI控制器209，获得控制信号

与经过减法器处理后，经过坐标变换得到三相静止坐标系下电流值i_abcf，i_abcf与三相电网的实时电流i_abc进行相减获得无功电流与谐波电流总和i_abch，将其输入并网电流控制模块211，获得SVPWM调制信号u_α与u_β，并与带直通比的SVPWM模块210连接，形成带直通矢量的SVPWM，将输出的统一控制PWM信号接入全桥逆变电路103，实现兼有谐波和无功补偿的Z源逆变器统一控制。

优选：所述锁相环模块217分别与C坐标变换模块213和C^-坐标变换模块215相连；

电网电流采样模块205顺次与C₃₂坐标变换模块212、C坐标变换模块213相连，将三相电流信号进行坐标变换后获得有功电流信号i_p，再通过低通滤波器模块214获得其直流分量

与经过减法器处理后，依次经过C^-坐标变换模块215和C₂₃坐标变换模块216得到三相静止坐标系下电流值i_abcf。

同样的，各个坐标变换模块如下：

C₃₂坐标变换模块212的坐标变换为：

C坐标变换模块213的坐标变换为：

C^–及C₂₃坐标变换分别为C和C₃₂变换的逆变换。

在MATLAB-Simulink仿真环境下实施了如图1所示的本发明一种兼有谐波和无功补偿的单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器的结构，系统容量为3kW，其中选用了13块常州天合光能公司生产的TSM-240W型号的多晶硅组件串联组成光伏阵列，环境参数选用了太阳能组件标准测试条件参数(太阳辐照为1kW/m2，温度为25℃)，构成太阳能光伏阵列101，Z源网络102参数选为L1＝L2＝500μH，C1＝C2＝470μF，选用IGBT作为全桥逆变电路103的电力电子开关器件，此外，模型中光伏阵列直流母线电容C0为1880μF。为讨论本发明无功补偿统一控制的可行性，电网非线性负载选取了三相非线性阻感负载，阻性负载消耗三相有功功率9.66kW，感性负载消耗无功功率4.74kVar。

控制器104中，MPPT模块207与光伏电流采样模块202和光伏电压采样模块201相连，通过实时测量的光伏阵列输出电压U_PV和电流I_PV确定当前功率，采用电导增量法，寻求光伏阵列最大功率，提供光伏阵列目标电压并与光伏电压PI控制器206相连，光伏电压PI控制器206通过当前光伏阵列电压U_PV与的误差，输出直通比控制信号D₀，并输入带直通比的SVPWM模块210。

电网电压采样模块204与锁相环模块217相连，锁相环模块217分别与C坐标变换模块213和C^-坐标变换模块215相连，电网电流采样模块205与C₃₂坐标变换模块212相连，再与C坐标变换模块213相连，将三相电流信号进行坐标变换后获得有功电流信号i_p，再与低通滤波器模块214相连，滤出其直流分量；同时电容电压采样模块203与Z源输出电压峰值计算模块208连接，计算出Z源输出端电压U_Z，通过减法器与母线电压设定值比较，将误差输入母线电压PI控制器209，获得控制信号通过减法器后，与C^-坐标变换模块215和C₂₃坐标变换模块216相连，得出三相静止坐标系下电流值i_abcf，将其与电网电流采样模块205测得电流i_abc接入减法器，获得无功电流与谐波电流总和i_abch，将其输入并网电流控制模块211，获得SVPWM调制信号u_α与u_β，并与带直通比的SVPWM模块210连接，形成带直通矢量的SVPWM，将输出的PWM信号接入全桥逆变电路103，实现兼有谐波和无功补偿的Z源逆变器统一控制。

如图3所示，系统运行至稳态时，逆变器输出A相电流I_{a_PV}、非线性负荷A相电流I_{a_load}以及电网A相电流I_{a_grid}；在系统进行无功补偿前，电网A相电流波形与非线性负荷A相电流相同，当系统进行无功补偿后，电网A相电流I_{a_grid}相位与电网A相电压相位一致，波形明显改善。

图4所示为无功补偿前后，电网电流THD总谐波失真改善情况，可见无功补偿前后，其THD显著降低，由15.2％降至4.55％。如图5所示，稳态时逆变器输出A相有功功率1.04kW，补偿无功功率1.6kVar，电网A相仅输出有功功率2.18kW。

通过调节直通占空比，实现光伏阵列最大功率跟踪功能以及Z源网络电压提升，同时采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，获得包含并网有功、无功及谐波电流的指令电流，基于带直通比的SVPWM，发明了系统统一控制方法；系统结构紧凑，在实现太阳能光伏系统并网发电的同时，可降低电网电流谐波并补偿电网无功功率，节约成本，高效可靠。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器，其特征在于，包括分别与太阳能光伏阵列(101)相连的光伏电压采样模块(201)和光伏电流采样模块(202)，与Z源网络(102)相连的电容电压采样模块(203)，与三相电网相连的电网电压采样模块(204)和电网电流采样模块(205)；

所述光伏电流采样模块(202)顺次与MPPT模块(207)、第一减法器、光伏电压PI控制器(206)、带直通比的SVPWM模块(210)相连，所述光伏电压采样模块(201)分别与MPPT模块(207)和第一减法器相连；

所述电容电压采样模块(203)顺次与Z源输出电压计算模块(208)、第二减法器、母线电压PI控制器(209)、第三减法器相连；

所述电网电压采样模块(204)分别与带直通比的SVPWM模块(210)和锁相环模块(217)相连，所述锁相环模块(217)分别与C坐标变换模块(213)、C^-坐标变换模块(215)相连；

所述电网电流采样模块(205)顺次与C₃₂坐标变换模块(212)、C坐标变换模块(213)、低通滤波器模块(214)、第三减法器、C^-坐标变换模块(215)、C₂₃坐标变换模块(216)、第四减法器、并网电流控制模块(211)、带直通比的SVPWM模块(210)相连；

所述电网电流采样模块(205)与第四减法器相连，所述带直通比的SVPWM模块(210)输出PWM控制信号；

所述带直通比的SVPWM模块(210)与全桥逆变电路(103)相连，所述太阳能光伏阵列(101)与Z源网络(102)相连，所述Z源网络(102)与全桥逆变电路(103)相连，所述全桥逆变电路(103)通过滤波电感Lf与三相电网连接；

C₃₂坐标变换模块(212)的坐标变换为：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$

C坐标变换模块(213)的坐标变换为：

$C=\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\ω}t& -cos\mathrm{\ω}t\\ -cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right],$

C^–及C₂₃坐标变换分别为C和C₃₂变换的逆变换。

2.根据权利要求1所述的一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制器，其特征在于，所述Z源网络(102)包括Z源网络电容C1、C2和Z源网络电感L1、L2，且Z源网络电感L1的两端分别与电容C1与C2的正极相连，Z源网络电感L2的两端分别与电容C2与C1的负极相连。

3.一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制方法，其特征在于：

MPPT模块(207)通过实时测量的光伏阵列输出电压U_PV和电流I_PV确定当前功率，并寻求光伏阵列最大功率，获得光伏阵列目标电压

光伏电压PI控制器(206)通过当前光伏阵列电压U_PV与的误差，输出直通比控制信号D₀至带直通比的SVPWM模块(210)；

电网电压采样模块(204)采集三相电网的实时电压e_α、e_b、e_c输出至带直通比的SVPWM模块(210)，并将A相实时电压e_α输出至锁相环模块(217)；

电网电流采样模块(205)采集三相电网的实时电流i_abc并进行坐标变换后获得有功电流信号i_p，获得其直流分量同时，Z源输出电压峰值计算模块(208)计算出Z源输出端电压U_Z，通过减法器与母线电压设定值比较，将误差输入母线电压PI控制器(209)，获得控制信号

与经过减法器处理后，经过坐标变换得到三相静止坐标系下电流值i_abcf，i_abcf与三相电网的实时电流i_abc进行相减获得无功电流与谐波电流总和i_abch，将其输入并网电流控制模块(211)，获得SVPWM调制信号u_α与u_β，并与带直通比的SVPWM模块(210)连接，形成带直通矢量的SVPWM，将输出的统一控制PWM信号接入全桥逆变电路(103)，实现兼有谐波和无功补偿的Z源逆变器统一控制。

4.根据权利要求3所述的一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制方法，其特征在于：所述锁相环模块(217)分别与C坐标变换模块(213)和C^-坐标变换模块(215)相连；

电网电流采样模块(205)顺次与C₃₂坐标变换模块(212)、C坐标变换模块(213)相连，将三相电流信号进行坐标变换后获得有功电流信号i_p，再通过低通滤波器模块(214)获得其直流分量

i_p与经过减法器处理后，依次经过C^-坐标变换模块(215)和C₂₃坐标变换模块(216)得到三相静止坐标系下电流值i_abcf。

5.根据权利要求3所述的一种单级式Z源光伏并网逆变器的统一控制方法，其特征在于：

C₃₂坐标变换模块(212)的坐标变换为：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$

C坐标变换模块(213)的坐标变换为：

$C=\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\ω}t& -cos\mathrm{\ω}t\\ -cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right],$

C^–及C₂₃坐标变换分别为C和C₃₂变换的逆变换。