CN105790302B9 - 一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法和控制装置 - Google Patents

一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法和控制装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法和控制装置，包括：判断级联型光伏并网逆变器中是否至少有一个逆变单元过调制；当至少有一个逆变单元过调制时，向电网注入无功电流，使得并网电流有效值不小于确定当前并网电流有效值下对应的级联型光伏并网逆变器并网所需电压U0；根据Ujd＝Pj/P0*U0d来调节每个逆变单元的有功输出电压；同时，在保证各逆变单元不过调制的原则下调节每个逆变单元的无功输出电压，各逆变单元的无功输出电压之和等于U0p，以使级联型光伏并网逆变器在各逆变单元间输出有功功率严重不均衡的情况下仍能保持并网稳定运行。

Description

一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法和控制装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种级联型光伏并网 逆变器及其控制方法和控制装置。
背景技术
级联型光伏并网逆变器由n个逆变单元(例如H桥逆变单元)级联而成，其 拓扑结构如图1所示：各逆变单元的直流侧接独立的光伏阵列，各逆变单元的 交流侧串联后再经滤波电感L接入电网。
级联型光伏并网逆变器的传统控制策略是：各逆变单元独立进行最大功 率点跟踪以及稳定直流母线电压，并将功率信号上传到总控制器；总控制器 根据各路功率信号计算出并网电流指令值，再使用PR控制器实现对电网电流 的有效控制。
但传统控制策略在面对各逆变单元间输出有功功率严重不均衡的情况 时，很容易产生逆变单元过调制现象，举例说明：当因光照不均匀或其他条 件导致逆变单元#1对应的光伏阵列输出功率下降时，根据有功功率守恒的原 理可知逆变单元#1输出有功功率P1必然下降，进而导致并网电流有效值减小； 在并网电流有效值减小后，为维持逆变单元#2～#n的有功功率守恒必然要分别 增大逆变单元#2～#n的输出电压，但当某个逆变单元的输出电压超过其直流母 线电压(即该逆变单元的调制度大于1)时，会导致该逆变单元出现过调制现 象，从而对级联型光伏并网逆变器的并网运行稳定性产生极为不利的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法和控制 装置，以使级联型光伏并网逆变器在各逆变单元间输出有功功率严重不均衡 的情况下仍能保持并网稳定运行。
一种级联型光伏并网逆变器控制方法，包括：
判断级联型光伏并网逆变器中是否至少有一个逆变单元过调制；
当至少有一个逆变单元过调制时，向电网注入无功电流，使得并网电流 有效值不小于idcmin为各光伏阵列输出电流中的最小值；
确定当前并网电流有效值下对应的级联型光伏并网逆变器并网所需电压 U0；
根据Ujd＝Pj/P0*U0d来调节每个逆变单元的有功输出电压；同时，在保证 各逆变单元不过调制的原则下调节每个逆变单元的无功输出电压，各逆变单 元的无功输出电压之和等于U0p；
其中，U0d、U0p分别为U0的有功、无功分量；Pj、Ujd分别为同一逆变单 元的输出有功功率、输出有功电压；P0为各逆变单元输出有功功率的总和。
其中，所述向电网注入无功电流，包括：向电网注入感性无功电流。
其中，所述向电网注入无功电流，包括：向电网注入容性无功电流。
其中，所述判断级联型光伏并网逆变器中是否至少有一个逆变单元过调 制，包括：
判断并网电流有效值是否小于若是，判定级联型光伏并网逆变 器中至少有一个逆变单元过调制。
其中，所述向电网注入无功电流，使得并网电流有效值不小于 包括：向电网注入无功电流，使得并网电流有效值等于
一种级联型光伏并网逆变器控制装置，包括：
判断单元，用于判断级联型光伏并网逆变器中是否至少有一个逆变单元 过调制；
无功注入单元，用于在所述判断单元判断得到至少有一个逆变单元过调 制时，向电网注入无功电流，使得并网电流有效值不小于idcmin为各 光伏阵列输出电流中的最小值；
电压确定单元，用于在所述无功注入单元执行完成后，确定当前并网电 流有效值下对应的级联型光伏并网逆变器并网所需电压U0；
电压分配单元，用于在所述电压确定单元确定得到U0后，根据Ujd＝Pj /P0*U0d来调节每个逆变单元的有功输出电压；同时，在保证各逆变单元不过 调制的原则下调节每个逆变单元的无功输出电压，各逆变单元的无功输出电 压之和等于U0p；其中，U0d、U0p分别为U0的有功、无功分量；Pj、Ujd分别 为同一逆变单元的输出有功功率、输出有功电压；P0为各逆变单元输出有功 功率的总和。
其中，所述无功注入单元具体用于在所述判断单元判断得到至少有一个 逆变单元过调制时，向电网注入感性无功电流，使得并网电流有效值不小于
或者，所述无功注入单元具体用于在所述判断单元判断得到至少有一个 逆变单元过调制时，向电网注入容性无功电流，使得并网电流有效值不小于
其中，所述判断单元具体用于判断并网电流有效值是否小于若 是，判定级联型光伏并网逆变器中至少有一个逆变单元过调制。
其中，所述无功注入单元具体用于在所述判断单元判断得到至少有一个 逆变单元过调制时，向电网注入无功电流，使得并网电流有效值等于
一种级联型光伏并网逆变器，包括上述公开的任一种级联型光伏并网逆 变器控制装置。
从上述的技术方案可以看出，当有逆变单元产生过调制现象时，本发明 就向电网注入适量无功电流，由于注入无功电流后每个逆变单元需要输出的 有功电压减小，那么通过给输出有功电压较小的逆变单元分配较大的无功输 出电压、给输出有功电压较大的逆变单元分配较小的无功输出电压，就可使 各个逆变单元的调制度均不大于1，从而保持级联型光伏并网逆变器并网运行 的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种级联型光伏并网逆变器结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种级联型光伏并网逆变器控制方法流程图；
图3为级联型光伏并网逆变器在传统控制策略下的工作矢量图；
图4为向电网注入感性无功电流后的级联型光伏并网逆变器工作矢量图；
图5为向电网注入容性无功电流后的级联型光伏并网逆变器工作矢量图；
图6为本发明实施例公开的一种级联型光伏并网逆变器控制装置结构示 意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图2，本发明实施例公开了一种级联型光伏并网逆变器控制方法，以 使级联型光伏并网逆变器在各逆变单元间输出有功功率严重不均衡的情况下 仍能保持并网稳定运行，包括：
步骤101：判断级联型光伏并网逆变器中是否至少有一个逆变单元过调 制；当至少有一个逆变单元过调制时，需要切换总控制器的控制逻辑，此时 进入步骤102；否则，不对总控制器当前的控制逻辑做改进，并再次执行步骤 101；
各逆变单元间输出有功功率严重不均衡时，很容易产生逆变单元过调制。 所谓逆变单元过调制，就是指逆变单元输出电压峰值超过其直流母线电压值， 也即逆变单元的调制度m＞1。对应的，在判断级联型光伏并网逆变器中是否 至少有一个逆变单元过调制时，可以以至少有一个逆变单元的输出电压峰值 超过其直流母线电压值作为级联型光伏并网逆变器中至少有一个逆变单元过 调制的判断依据，也即以至少有一个逆变单元的调制度m＞1作为级联型光伏 并网逆变器中至少有一个逆变单元过调制的判断依据。
除此之外，也可以以并网电流有效值(idcmin为各光伏阵列输出 电流中的最小值)作为级联型光伏并网逆变器中至少有一个逆变单元过调制 的判断依据，具体推导过程如下：已知逆变单元#j(j＝1，2，3，…n)满足有 功功率守恒公式udcj*idcj＝is*uj(udcj、idcj分别为逆变单元#j的直流母线电压、电 流值，uj为逆变单元#j的输出电压有效值，is为并网电流有效值)，又因为逆 变单元#j的调制度所以可推导出分析可 知当时会有mj＞1，那么当is小于逆变单元#1～#n的直流母线电流 值中的最小值(也就是各光伏阵列输出电流中的最小值)时就说明级联型光伏 并网逆变器中至少有一个逆变单元过调制。
步骤102：当至少有一个逆变单元过调制时，向电网注入无功电流，使得 并网电流有效值不小于idcmin为各光伏阵列输出电流中的最小值；
步骤103：确定当前并网电流有效值下对应的级联型光伏并网逆变器并网 所需电压U0；
步骤104：根据Ujd＝Pj/P0*U0d来调节每个逆变单元的有功输出电压；同 时，在保证各逆变单元不过调制的原则下调节每个逆变单元的无功输出电压， 各逆变单元的无功输出电压之和等于U0p；
其中，U0d、U0p分别为U0的有功、无功分量；Pj、Ujd分别为同一逆变单 元的输出有功功率、输出有功电压；P0为各逆变单元输出有功功率的总和。
当至少有一个逆变单元过调制时，需要向电网注入适量的无功电流，且 无论注入的是感性无功电流还是容性无功电流，都可以降低各逆变单元的调 制度，从而使级联型光伏并网逆变器在各逆变单元间输出有功功率严重不均 衡的情况下仍能保持并网稳定运行。下面，对这两种无功电流注入方案分别 进行详细说明。
首先，在向电网注入无功电流前，级联型光伏并网逆变器的工作矢量图 如图3所示：电网电压矢量Us与并网电流矢量Is同相位(本说明书中涉及到的 各矢量模值均为有效值)；在相位上滤波电感电压矢量UL超前并网电流矢量 Is 90°；级联型光伏并网逆变器并网所需电压矢量U0＝Us+UL；以Is为d轴建立 dq坐标系，则Us、UL分别为U0的有功、无功分量；当并网电流有效值 时会产生逆变单元过调制现象，需要立即向电网注入无功电流，以实 现在不影响级联型光伏并网逆变器并网运行稳定性的前提下满足
1)向电网注入感性无功电流
在向电网注入感性无功电流后，级联型光伏并网逆变器的工作矢量图如 图4所示，下面分析图4绘制过程：
①确定电网电压矢量Us：在向电网注入感性无功电流前后，电网电压矢 量Us的幅值和方向始终保持不变；
②确定电网电压矢量Is：向电网注入感性无功电流，使得并网电流矢量 Is模值不小于(本实施例选取并网电流矢量Is模值等于则此 时存在电网功率因数角)；其中，并网电流矢量Is的有功分量Isd与电网电 压矢量Us同相位，在相位上并网电流矢量Is的无功分量Isq(即向电网注入的 感性无功电流矢量)超前Is 90°；
③确定滤波电感电压矢量UL：在相位上滤波电感电压矢量UL超前Is90°， 同时在已知电网电压矢量Is后可以依据电感电压计算公式计算得到UL的模 值；
④级联型光伏并网逆变器并网所需电压矢量U0：U0＝Us+UL；以Is为d轴 建立dq坐标系，可得到U0在该dq坐标系中的有功分量U0d和无功分量U0p； 总控制器根据Ujd＝Pj/P0*U0d来分配每个逆变单元的有功输出电压，各逆变单 元有功输出电压之和等于U0d；同时，在保证各逆变单元不过调制的原则下分 配每个逆变单元的无功输出电压，各逆变单元无功输出电压之和等于Ujp。
2)向电网注入容性无功电流
在向电网注入容性无功电流后，级联型光伏并网逆变器的工作矢量图如 图5所示，下面分析图5绘制过程：
①确定电网电压矢量Us：在向电网注入容性无功电流前后，电网电压矢 量Us的幅值和方向保持不变；
②确定电网电压矢量Is：向电网注入无功电流，使得并网电流矢量Is模值 不小于(本实施例选取并网电流矢量Is模值等于则此时存在 电网功率因数角 )，其中，电流矢量Is的有功分量Isd与电网电压矢 量Us同相位，在相位上并网电流矢量Is的无功分量Isq(即向电网注入的容性 无功电流矢量)滞后并网电流矢量Is 90°；
③确定滤波电感电压矢量UL：在相位上滤波电感电压矢量UL超前Is90°， 根据电网电压矢量Is可以确定UL的模值；
④级联型光伏并网逆变器并网所需电压矢量U0：U0＝Us+UL；以Is为d轴 建立dq坐标系，可得到U0在该dq坐标系中的有功分量U0d和无功分量U0p； 总控制器根据Ujd＝Pj/P0*U0d来分配每个逆变单元的有功输出电压，各逆变单 元有功输出电压之和等于U0d；同时，在保证各逆变单元不过调制的原则下分 配每个逆变单元的无功输出电压，各逆变单元无功输出电压之和等于Ujp。
通过对1)-2)的内容进行分析可知：无论是注入感性无功还是容性无功， 总控制器都是要根据Ujd＝Pj/P0*U0d来重新分配每个逆变单元的有功输出电 压，观察图3-图5可以发现，由于注入感性(或容性)无功电流后的U0d模值比注 入感性(或容性)无功电流前的Us模值明显减小，因此需要分配给每个逆变单 元的有功输出电压就会减小；而U0p的分配则比较灵活，可以给输出有功电压 较小的逆变单元分配较大的无功输出电压、给输出有功电压较大的逆变单元 分配较小的无功输出电压，从而使得各个逆变单元的有功调制度和无功调制 的矢量和的模(也就是各个逆变单元的调制度)不大于1。这样便不会产生逆 变单元过调制现象，从而能够保持级联型光伏并网逆变器并网稳定运行。
当然，考虑到注入的感性(或容性)无功功率越多，级联型光伏并网逆变 器输出效率就越低，因此在保证各逆变单元调制度不大于1的前提下，注入的 无功功率越少越好。已知注入的无功功率越多，电网功率因数角的绝对值就 越大，又由图4-图5可知，电网功率因数角的绝对值当并网电流有效值时电网功率因 数角的绝对值最小，因此本实施例以为标准向电网注入无功电流。
参见图6，本发明实施例公开了一种级联型光伏并网逆变器控制装置，以 使级联型光伏并网逆变器在各逆变单元间输出有功功率严重不均衡的情况下 仍能保持并网稳定运行，包括：
判断单元100，用于判断级联型光伏并网逆变器中是否至少有一个逆变单 元过调制；
无功注入单元200，用于在判断单元100判断得到至少有一个逆变单元过 调制时，向电网注入无功电流，使得并网电流有效值不小于idcmin为 各光伏阵列输出电流中的最小值；
电压确定单元300，用于在无功注入单元200执行完成后，确定当前并网 电流有效值下对应的级联型光伏并网逆变器并网所需电压U0；
电压分配单元400，用于在电压确定单元300确定得到U0后，根据Ujd＝Pj /P0*U0d来调节每个逆变单元的有功输出电压；同时，在保证各逆变单元不过 调制的原则下调节每个逆变单元的无功输出电压，各逆变单元的无功输出电 压之和等于U0p；其中，U0d、U0p分别为U0的有功、无功分量；Pj、Ujd分别 为同一逆变单元的输出有功功率、输出有功电压；P0为各逆变单元输出有功 功率的总和。
其中，无功注入单元200具体用于在判断单元100判断得到至少有一个 逆变单元过调制时，向电网注入感性无功电流，使得并网电流有效值不小于
或者，无功注入单元200具体用于在判断单元100判断得到至少有一个 逆变单元过调制时，向电网注入容性无功电流，使得并网电流有效值不小于
其中，判断单元100具体用于判断并网电流有效值是否小于若 是，判定级联型光伏并网逆变器中至少有一个逆变单元过调制。
其中，无功注入单元200具体用于在所述判断单元判断得到至少有一个逆 变单元过调制时，向电网注入无功电流，使得并网电流有效值等于
此外，本发明实施例还公开了一种级联型光伏并网逆变器，包括上述公 开的任一种级联型光伏并网逆变器控制装置。
综上所述，当有逆变单元产生过调制现象时，本发明就向电网注入适量 无功电流，由于注入无功电流后每个逆变单元需要输出的有功电压减小，那 么通过给输出有功电压较小的逆变单元分配较大的无功输出电压、给输出有 功电压较大的逆变单元分配较小的无功输出电压，就可使各个逆变单元的调 制度均不大于1，从而保持级联型光伏并网逆变器并网运行的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述 的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的 情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所 示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽 的范围。

Claims (8)

1.一种级联型光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，包括：
判断级联型光伏并网逆变器中是否至少有一个逆变单元过调制，具体包 括：判断并网电流有效值是否小于若是，判定级联型光伏并网逆变 器中至少有一个逆变单元过调制；
当至少有一个逆变单元过调制时，向电网注入无功电流，使得并网电流 有效值不小于idcmin为各光伏阵列输出电流中的最小值；
确定当前并网电流有效值下对应的级联型光伏并网逆变器并网所需电压 U0；
根据Ujd＝Pj/P0*U0d来调节每个逆变单元的有功输出电压；同时，在保证 各逆变单元不过调制的原则下调节每个逆变单元的无功输出电压，各逆变单 元的无功输出电压之和等于U0p；
其中，U0d、U0p分别为U0的有功、无功分量；Pj、Ujd分别为同一逆变单 元的输出有功功率、输出有功电压；P0为各逆变单元输出有功功率的总和。
2.根据权利要求1所述的级联型光伏并网逆变器控制方法，其特征在于， 所述向电网注入无功电流，包括：向电网注入感性无功电流。
3.根据权利要求1所述的级联型光伏并网逆变器控制方法，其特征在于， 所述向电网注入无功电流，包括：向电网注入容性无功电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向电网注入无功电流， 使得并网电流有效值不小于包括：向电网注入无功电流，使得并网 电流有效值等于
5.一种级联型光伏并网逆变器控制装置，其特征在于，包括：
判断单元，用于判断级联型光伏并网逆变器中是否至少有一个逆变单元 过调制；所述判断单元具体用于判断并网电流有效值是否小于若是， 判定级联型光伏并网逆变器中至少有一个逆变单元过调制；
无功注入单元，用于在所述判断单元判断得到至少有一个逆变单元过调 制时，向电网注入无功电流，使得并网电流有效值不小于idcmin为各 光伏阵列输出电流中的最小值；
电压确定单元，用于在所述无功注入单元执行完成后，确定当前并网电 流有效值下对应的级联型光伏并网逆变器并网所需电压U0；
电压分配单元，用于在所述电压确定单元确定得到U0后，根据Ujd＝Pj /P0*U0d来调节每个逆变单元的有功输出电压；同时，在保证各逆变单元不过 调制的原则下调节每个逆变单元的无功输出电压，各逆变单元的无功输出电 压之和等于U0p；其中，U0d、U0p分别为U0的有功、无功分量；Pj、Ujd分别 为同一逆变单元的输出有功功率、输出有功电压；P0为各逆变单元输出有功 功率的总和。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述无功注入单元具体用 于在所述判断单元判断得到至少有一个逆变单元过调制时，向电网注入感性 无功电流，使得并网电流有效值不小于
或者，所述无功注入单元具体用于在所述判断单元判断得到至少有一个 逆变单元过调制时，向电网注入容性无功电流，使得并网电流有效值不小于
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述无功注入单元具体用 于在所述判断单元判断得到至少有一个逆变单元过调制时，向电网注入无功 电流，使得并网电流有效值等于
8.一种级联型光伏并网逆变器，其特征在于，包括权利要求5-7中任一 项所述的级联型光伏并网逆变器控制装置。
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