CN105471312B - 三相级联h桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法 - Google Patents
三相级联h桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三相级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法，它是为了解决直流侧光伏电池板输入功率不平衡造成的并网电流畸变问题。该方法包括如下步骤：(1)总功率控制，用来实现各H桥单元直流侧电压跟踪MPPT指令值，并得到系统三相输入有功功率实际值和逆变器总输入有功功率实际值；(2)前馈解耦电流控制，能够实现有功功率和无功功率的独立控制，同时产生逆变器三相原始调制信号；(3)相间功率平衡控制，通过三相输入有功功率实际值与三相有功功率指令值之间的比值得到所叠加的零序电压，并以此修正三相原始调制波，实现相间功率平衡控制。该控制方法能够提供精确的零序电压值抑制功率不平衡，保证并网电流对称，具有明确的物理意义、良好的动态性能、易于工程实现等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法，属于级联型光伏并网逆变器功率平衡控制技术领域。
背景技术
光伏并网发电使太阳能的大规模利用成为可能，具有分布广泛、可持续、无污染的优点。面对发电成本较高，提高系统效率等问题，级联H桥多电平逆变器由于其模块化易拓展、效率高、可以产生高质量的并网电流和电压等优势而成为研究的热点，并且可以作为独立直流源的光伏电池板，正好解决了该拓扑结构需要大量直流源的缺点，并且能够容易地实现独立MPPT功能，因此级联H桥多电平逆变器被认为是下一代光伏并网逆变器的最合适的替代者。
虽然级联H桥光伏并网逆变器具有良好的应用前景，但其作为一种较新的应用范围，还面临着诸多有待解决的问题，其中之一便是逆变器相间功率不平衡问题。由于大量光伏电池板的工作光照和温度不同或者模块老化程度不同等因素造成各光伏电池板输入至逆变器的功率不同，对于三相对称系统而言，这会导致注入电网中的电流畸变。因此，为了保证级联H桥光伏并网逆变器在局部阴影和光伏阵列之间不匹配条件下的稳定运行，采取一定的相间功率平衡控制具有突出的工程意义。
目前，级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法已经成为光伏发电技术的研究热点问题，这既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，如题为“Cascaded H-bridge multilevel converter multistring topology for largescale photovoltaic systems”S.Rivera,S.Kouro,B.Wu,J.I.Leon,J.Rodriguez,andL.G.Franquelo，《IEEE International Symposium on Industrial Electronics(ISIE)》，Jun.2011,pp.1837–1844(“多串型级联H桥多电平逆变器用于大型光伏系统”，《IEEE工业电子国际学术研讨会》，2011年1月1837-1844页)的文章；该文章提出根据输入平均功率与各相功率的比值叠加一种加权最大最小值零序分量的方法，但是，该方法存在着以下的不足：
1)在功率平衡条件下，该方法叠加的零序分量为三倍频成分，虽然不影响系统功率分配，但是增加了逆变器直流侧电压和功率的波动，对系统造成了额外影响；
2)该方法不能够提供精确的抑制相间功率不平衡的零序分量的值，所以导致其动态性能较差；
3)没有给出某一相输入功率较低甚至为零时的特殊处理，即该控制方法不完备。
题为“Phase leg voltage balancing of a cascaded H-bridge converterbased STATCOM using zero sequence injection”，T.J.Summers,R.E.Betz,andG.Mirzaeva，《European Conference on Power Electronics and Applications》，Sept.2009,pp.1-10(“基于静止无功补偿器的级联H桥逆变器的零序电压注入相电压平衡方法”，《功率电子和应用欧洲会议》，2009年9月1-10页)的文章；该文章根据各相电压和三相平均电压比较后通过PI调节器得到的三相功率误差值，计算得到所需叠加的零序电压，但是，该方法存在着以下的不足：
1)该方法计算复杂，占用大量计算内存，不利于工程实现；
2)该方法不能够提供精确的抑制相间功率不平衡的零序分量的值，所以导致其动态性能较差；
3)该方法在总电压控制和相间功率平衡控制中均对直流侧电压平均值这一变量进行控制，两者控制器存在耦合。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提出一种三相级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法，解决逆变器由于直流侧光伏电池板光照不平衡造成的并网电流畸变问题，保证逆变器的稳定运行。
为了完成上述目的，本发明提供了一种三相级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法，包括总功率控制、前馈解耦电流控制和相间功率平衡控制，具体如下所述。
步骤1，总功率控制
步骤1.1，采样三相中的每个H桥单元的直流侧电压并经过100Hz陷波器滤波，得到每个H桥单元的直流侧电压实际值Vpva1…Vpvaj…Vpvan，Vpvb1…Vpvbj…Vpvbn，Vpvc1…Vpvcj…Vpvcn，采样三相电网电压实际值va、vb、vc和电网电流实际值ia、ib、ic，其中，j＝1～n为逆变器每相n个H桥单元；
步骤1.2，通过对三相中每个H桥单元直流侧进行MPPT控制，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值 其中，j＝1～n为逆变器每相n个H桥单元；
步骤1.3，将步骤1.1中采样的每个H桥单元的直流侧电压实际值Vpva1…Vpvaj…Vpvan，Vpvb1…Vpvbj…Vpvbn，Vpvc1…Vpvcj…Vpvcn和步骤1.2中每个H桥单元的直流侧电压指令值比较后的差值通过电压调节器，计算得到三相中每个H桥单元的输入有功功率实际值Paj，Pbj，Pcj，如下式所示:
其中，KvP为电压调节器比例系数，KvI为电压调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；
步骤1.4，通过对步骤1.3中的每个H桥单元的输入有功功率实际值Paj，Pbj，Pcj求和，计算得到三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc，如下式所示：
步骤1.5，通过对步骤1.4中的三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc求和，计算得到逆变器总输入有功功率实际值P，如下式所示：
P＝Pa+Pb+Pc
步骤2，前馈解耦电流控制
步骤2.1，对步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc锁相获得电网电压频率W；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量Ed和电网电压无功分量Eq；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的电网电流实际值ia、ib、ic转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量Id和电网电流无功分量Iq；
步骤2.2，设无功电流指令值为0，并根据步骤1.5中得到的逆变器总输入有功功率实际值P和步骤2.1中的电网电压有功分量Ed，计算得到有功电流指令值如下式所示：
步骤2.3，将步骤2.1中得到的电网电流有功分量Id和电网电流无功分量Iq与步骤2.2中的有功电流指令值和无功电流指令值比较后的差值分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值EPId和q轴PI调节值EPIq，如下式所示；
其中，KidP为有功电流调节器比例系数，KidI为有功电流调节器积分系数；KiqP为无功电流调节器比例系数，KiqI为无功电流调节器积分系数；
步骤2.4，根据步骤2.1得到的电网电压有功分量Ed、电网电压无功分量Eq、电网电流有功分量Id、电网电流无功分量Iq、电网电压频率W和步骤2.3得到的d轴PI调节值EPId和q轴PI调节值EPIq，计算得到d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq，如下式所示：
其中，L为设定的并网电感；
步骤2.5，将步骤2.4得到的d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq经过同步旋转坐标系逆变换得到自然坐标系下的逆变器三相原始调制信号
步骤3，相间功率平衡控制
步骤3.1，根据步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc和电网电流实际值ia、ib、ic，计算得到逆变器三相有功功率指令值如下式所示：
步骤3.2，根据步骤3.1得到的逆变器三相有功功率指令值和步骤1.4得到的三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc，计算得到三相功率标幺值ra、rb、rc，如下式所示：
步骤3.3，结合步骤2.5得到的逆变器三相原始调制信号和步骤3.2得到的三相功率标幺值ra、rb、rc，计算得到所需叠加的零序电压v0，如下式所示：
步骤3.4，用步骤3.3求得的零序电压v0对步骤2.5得到的逆变器三相原始调制信号进行修正，如下式所示：
其中，Vca、Vcb、Vcc为最终的逆变器调制信号，即通过Vca、Vcb、Vcc实现相间功率平衡控制。
本发明公开的一种三相级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法，在三相光伏电池板输入功率不平衡条件下实现了相间功率平衡控制，其有益效果具体体现在：
1.该方法从物理角度直接计算出各相的功率，并由此得到叠加的零序电压，因而具有明确的物理意义。
2.该方法能够提供抑制相间功率不平衡所需叠加的零序电压的精确值，故而具有良好的抑制效果和动态性能。
3.该方法可以根据各相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc与各相有功功率指令值之间的比值和原始调制波直接获得所需叠加的零序电压，因而计算简单，有利于工程实现。
附图说明
图1是三相级联H桥光伏并网逆变器主电路拓扑框图；
图2是三相级联H桥光伏并网逆变器总控制结构框图；
图3是三相级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制框图；
图4是光照不平衡条件下三相级联H桥光伏并网逆变器调制信号及零序分量波形；
图5是光照不平衡条件下三相级联H桥光伏并网逆变器并网电流波形。
图6是光照变化条件下三相级联H桥光伏并网逆变器调制信号及零序分量波形；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明的一种三相级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制采用一种新的计算方法以获得所叠加的零序电压，并修改逆变器输出电压幅值与相位实现相间功率平衡。解决了现有技术存在的不利于工程实现、动态响应慢，以及不能提供精确的抑制不平衡的零序电压值的问题。
本发明实施例的拓扑图如图1所示。三相级联H桥光伏并网逆变器的每相由n个H桥单元A1、A2…An，B1、B2…Bn，C1、C2…Cn级联组成，H桥单元由四个功率开关器件组成，每个H桥直流侧由光伏电池板独立供电，光伏电池板工作在条件为额定温度25℃，额定光照强度1000W/m2下的最大功率点电压为29V，每块光伏电池板通过5000uF电容与每个H桥单元相连，三相系统通过1mH电感L连接到三相电网。
本发明的控制图如图2所示，包括总功率控制、前馈解耦电流控制和相间功率平衡控制三部分。
实施例1：
步骤1，总功率控制
步骤1.1，采样三相中的每个H桥单元的直流侧电压并经过100Hz陷波器滤波，得到每个H桥单元的直流侧电压实际值Vpva1…Vpvaj…Vpvan，Vpvb1…Vpvbj…Vpvbn，Vpvc1…Vpvcj…Vpvcn，采样三相电网电压实际值va、vb、vc和电网电流实际值ia、ib、ic，其中，j＝1～n为逆变器每相n个H桥单元。本实施例中，每个H桥单元的直流侧电压实际值Vpva1＝Vpva2＝29V，Vpvb1＝Vpvb2＝29V，Vpvc1＝Vpvc2＝29V。
步骤1.2，通过对三相中每个H桥单元直流侧进行MPPT控制，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值 其中，j＝1～n为逆变器每相n个H桥单元。本实施例中，以每相两个H桥单元为例，C相H桥单元直流侧光伏电池板均工作在额定条件下，而A相和B相的光照强度分别降为400W/m2和600W/m2，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值
步骤1.3，将步骤1.1中采样的每个H桥单元的直流侧电压实际值Vpva1…Vpvaj…Vpvan，Vpvb1…Vpvbj…Vpvbn，Vpvc1…Vpvcj…Vpvcn和步骤1.2中每个H桥单元的直流侧电压指令值比较后的差值通过电压调节器，计算得到三相中每个H桥单元的输入有功功率实际值Paj，Pbj，Pcj，如下式所示:
其中，KvP为电压调节器比例系数，KvI为电压调节器积分系数，s为拉普拉斯算子。电压调节器比例系数KvP和电压调节器积分系数KvI按照常规并网逆变器进行设计，本实施例中，KvP＝1，KvI＝1。
步骤1.4，通过对步骤1.3中的每个H桥单元的输入有功功率实际值Paj，Pbj，Pcj求和，计算得到三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc，如下式所示：
步骤1.5，通过对步骤1.4中的三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc求和，计算得到逆变器总输入有功功率实际值P，如下式所示：
P＝Pa+Pb+Pc
步骤2，前馈解耦电流控制
步骤2.1，对步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc锁相获得电网电压频率W；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量Ed和电网电压无功分量Eq；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的电网电流实际值ia、ib、ic转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量Id和电网电流无功分量Iq。
步骤2.2，设无功电流指令值为0，并根据步骤1.5中得到的逆变器总输入有功功率实际值P和步骤2.1中的电网电压有功分量Ed，计算得到有功电流指令值如下式所示：
步骤2.3，将步骤2.1中得到的电网电流有功分量Id和电网电流无功分量Iq与步骤2.2中的有功电流指令值和无功电流指令值比较后的差值分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值EPId和q轴PI调节值EPIq，如下式所示；
其中，KidP为有功电流调节器比例系数，KidI为有功电流调节器积分系数；KiqP为无功电流调节器比例系数，KiqI为无功电流调节器积分系数。有功电流调节器比例系数KidP和有功电流调节器积分系数KidI以及无功电流调节器比例系数KiqP和无功电流调节器积分系数KiqI按照常规并网逆变器进行设计，本实施例中，KidP＝10，KidI＝100；KiqP＝1，KiqI＝10。
步骤2.4，根据步骤2.1得到的电网电压有功分量Ed、电网电压无功分量Eq、电网电流有功分量Id、电网电流无功分量Iq、电网电压频率W和步骤2.3得到的d轴PI调节值EPId和q轴PI调节值EPIq，计算得到d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq，如下式所示：
其中，L为设定的并网电感。本实施例中，L＝1mH。
步骤2.5，将步骤2.4得到的d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq经过同步旋转坐标系逆变换得到自然坐标系下的逆变器三相原始调制信号
步骤3，相间功率平衡控制
该相间功率平衡控制步骤可见图3。
步骤3.1，根据步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc和电网电流实际值ia、ib、ic，计算得到逆变器三相有功功率指令值如下式所示：
步骤3.2，根据步骤3.1得到的逆变器三相有功功率指令值和步骤1.4得到的三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc，计算得到三相功率标幺值ra、rb、rc，如下式所示：
步骤3.3，结合步骤2.5得到的逆变器三相原始调制信号和步骤3.2得到的三相功率标幺值ra、rb、rc，计算得到所需叠加的零序电压v0，如下式所示：
步骤3.4，用步骤3.3求得的零序电压v0对步骤2.5得到的逆变器三相原始调制信号进行修正，如下式所示：
其中，Vca、Vcb、Vcc为最终的逆变器调制信号，即通过Vca、Vcb、Vcc实现相间功率平衡控制。
图4为三相级联H桥光伏并网逆变器在光照不平衡条件下的原始调制信号，所叠加的零序分量和叠加零序分量后的调制信号的波形。
图5为三相级联H桥光伏并网逆变器在光照不平衡条件下采用所述的功率平衡控制方法的并网电流波形。
实施例2：
本实施例中，以每相两个H桥单元为例，初始时刻t＝0s，A、B、C三相中H桥单元均工作在额定温度25C。，额定光照1000W/m2的条件下，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值 在t＝0.04s，C相H桥单元维持上时刻工作条件不变，A相光照强度降为400W/m2，B相光照强度降为600W/m2，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值在t＝0.08s，A、C相H桥单元维持上时刻的工作条件不变，而B相光照强度为800W/m2，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值
本实施例中，KvP＝1，KvI＝1；KidP＝10，KidI＝100；KiqP＝1，KiqI＝10；L＝1mH。
图6为三相级联H桥光伏并网逆变器在光照变化条件下的原始调制信号，所叠加的零序分量和叠加零序分量后的调制信号的波形。
Claims (1)
1.一种三相级联H桥光伏并网逆变器相间功率平衡控制方法，包括总功率控制、前馈解耦电流控制和相间功率平衡控制，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，总功率控制
步骤1.1，采样三相中的每个H桥单元的直流侧电压并经过100Hz陷波器滤波，得到每个H桥单元的直流侧电压实际值Vpva1…Vpvaj…Vpvan，Vpvb1…Vpvbj…Vpvbn，Vpvc1…Vpvcj…Vpvcn，采样三相电网电压实际值va、vb、vc和电网电流实际值ia、ib、ic，其中，j＝1～n，逆变器每相有n个H桥单元；
步骤1.2，通过对三相中每个H桥单元直流侧进行MPPT控制，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值 其中，j＝1～n，逆变器每相有n个H桥单元；
步骤1.3，将步骤1.1中采样的每个H桥单元的直流侧电压实际值Vpva1…Vpvaj…Vpvan，Vpvb1…Vpvbj…Vpvbn，Vpvc1…Vpvcj…Vpvcn和步骤1.2中每个H桥单元的直流侧电压指令值比较后的差值通过电压调节器，计算得到三相中每个H桥单元的输入有功功率实际值Paj，Pbj，Pcj，如下式所示:
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其中，KvP为电压调节器比例系数，KvI为电压调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；
步骤1.4，通过对步骤1.3中的每个H桥单元的输入有功功率实际值Paj，Pbj，Pcj求和，计算得到三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc，如下式所示：
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步骤1.5，通过对步骤1.4中的三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc求和，计算得到逆变器总输入有功功率实际值P，如下式所示：
P＝Pa+Pb+Pc
步骤2，前馈解耦电流控制
步骤2.1，对步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc锁相获得电网电压频率W；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量Ed和电网电压无功分量Eq；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的电网电流实际值ia、ib、ic转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量Id和电网电流无功分量Iq；
步骤2.2，设无功电流指令值为0，并根据步骤1.5中得到的逆变器总输入有功功率实际值P和步骤2.1中的电网电压有功分量Ed，计算得到有功电流指令值如下式所示：
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步骤2.3，将步骤2.1中得到的电网电流有功分量Id和电网电流无功分量Iq与步骤2.2中的有功电流指令值和无功电流指令值比较后的差值分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值EPId和q轴PI调节值EPIq，如下式所示；
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</mfenced>
其中，KidP为有功电流调节器比例系数，KidI为有功电流调节器积分系数；KiqP为无功电流调节器比例系数，KiqI为无功电流调节器积分系数；
步骤2.4，根据步骤2.1得到的电网电压有功分量Ed、电网电压无功分量Eq、电网电流有功分量Id、电网电流无功分量Iq、电网电压频率W和步骤2.3得到的d轴PI调节值EPId和q轴PI调节值EPIq，计算得到d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq，如下式所示：
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其中，L为设定的并网电感；
步骤2.5，将步骤2.4得到的d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq经过同步旋转坐标系逆变换得到自然坐标系下的逆变器三相原始调制信号
步骤3，相间功率平衡控制
步骤3.1，根据步骤1.1中采样的三相电网电压实际值va、vb、vc和电网电流实际值ia、ib、ic，计算得到逆变器三相有功功率指令值如下式所示：
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步骤3.2，根据步骤3.1得到的逆变器三相有功功率指令值和步骤1.4得到的三相输入有功功率实际值Pa、Pb、Pc，计算得到三相功率标幺值ra、rb、rc，如下式所示：
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步骤3.3，结合步骤2.5得到的逆变器三相原始调制信号和步骤3.2得到的三相功率标幺值ra、rb、rc，计算得到所需叠加的零序电压v0，如下式所示：
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步骤3.4，用步骤3.3求得的零序电压v0对步骤2.5得到的逆变器三相原始调制信号进行修正，如下式所示：
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其中，Vca、Vcb、Vcc为最终的逆变器调制信号，即通过Vca、Vcb、Vcc实现相间功率平衡控制。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |