CN105932713A - 基于串联准z源逆变器的光伏并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，把光伏电池逆变系统看作虚拟同步发电机，将串联准Z源逆变器的输出电压的积分当作虚拟电机磁链，外环通过功率环的控制，实现有功功率的传输和无功功率的补偿；内环采用电流环，以实现电流的快速跟踪，电流内环经过PI调节，产生调制波信号，与光伏侧得到的调制信号进行三次谐波调制，控制逆变桥的开通与关断，实现光伏并网系统的功率调节。本发明使用虚拟同步发电机准直接功率控制策略对系统进行控制，虚拟磁链直接定向，省去了交流电压传感器，提高了系统的可靠性，节约装置成本，准直接功率控制可以直接控制并网逆变器的有功和无功，具有结构简单、动态响应性能好等优点。

Description

基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，属于光伏并网控制技术领域。

背景技术

在光伏发电系统中，主要的问题是如何提高太阳能电池工作效率。系统中的电力电子变换是解决该问题的关键，其电力变换环节一方面要实现太阳能电池最大功率点跟踪，一方面要实现逆变电路的正弦波输出和相位控制。对于两级式或多级式的光伏并网系统，这两个功能一般都在两个变换环节中分别实现。例如，先在一个DC/DC环节中实现最大功率点跟踪(MPPT)控制，再在一个DC/AC环节中实现正弦电流输出与相位控制，这样有利于控制功能的分别实现，但多级变换会带来更多损耗。传统的单级式光伏并网逆变系统中只有一个能量变换环节，控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点，也要同时保证对电网输出电流的幅值和正弦度，其控制一般较为复杂。

此外，由于光伏发电电源接入电网，大量的电力电子器件的引入，造成电能质量高渗透率问题，严重影响电网的安全。如何在光伏发电并网的同时，改善系统的电能质量，也是现在亟待解决的问题。

2003年彭方正教授提出一种Z源逆变器，图1是它的拓扑结构，由直流输入电源u_i，Z源阻抗网络，三相逆变桥(S₁～S₆)以及滤波环节L_f四部分组成。Z源逆变器因为引入特殊的阻抗源网络，允许逆变器上下桥臂直通，通过控制直通占空比和逆变器的调制因数，在实现升降压的同时稳定直流侧电压输入，提高整体设计的可靠性。此外，因为直通状态成为Z源逆变器的正常工作状态，则无需在控制信号中加入死区时间，有效提高了输出电能质量。

在光伏并网实现有功功率的转换的同时，电能质量改善尤其是无功功率补偿也是一个亟待处理的问题。鉴于光伏并网发电系统与无功稳压系统在电路拓扑结构上的一致性以及在控制策略上的相似性，国内外学者对两者的协同工作进行了大量研究。

方案一：应用传统逆变器，采用两级式电压矢量定向控制策略，提出一种将并网发电与无功功率补偿相结合的一体化控制，实现有功功率能量转换的同时，调节无功功率，具有较好的无功补偿效果。

方案二：将Z源逆变器引入光伏并网与无功补偿控制系统，从而在单极系统中实现直流侧最大功率点跟踪与交流侧单位功率因数并网解耦控制。该结构与常规的有源静止同步补偿器主电路具有相似性，将两者各自控制特点相结合，构成同时具有光伏并网发电与无功补偿功能的系统。

方案一因为系统使用传统逆变器，没有直通工作状态，在控制信号中加入的死区时间将影响并网电能质量。基于dq坐标系的电压矢量控制涉及到三角函数变换，计算量大，实时性差、编程复杂。

方案二将Z源逆变器引入光伏并网与无功补偿控制系统，可以有效改善系统的电能质量，但Z源逆变器也主要采用电压矢量定向的直接电流控制方式，此时需要检测电网电压/输入电流和直流母线电压，众多传感器及其信号处理电路带来高成本及复杂性问题。并且，光伏并网逆变器响应速度快、难以参与电网调节，因而无法像同步发电机一样向配电网提供必要的电压和频率支撑，缺乏一种与配网“同步”的机制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，将串联准Z源逆变器引入光伏并网与无功补偿控制系统，可以降低阻抗网络的电压，增强系统的可靠性，改善并网电能质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，把光伏电池逆变系统看作虚拟同步发电机，将串联准Z源逆变器的输出电压u_a，u_b，u_c的积分当作虚拟电机磁链，在光伏侧，经过运行最大功率点跟踪算法得到最大功率点电压通过PI控制器得到调制信号u_T，用来进行三次谐波调制，产生直通占空比信号d，实现光伏电池输出电压跟踪；根据输出电压u_a，u_b，u_c、输出电流i_a，i_b，i_c和直通占空比d估算瞬时有功功率p和无功功率q；通过功率外环获得参考有功功率p^*和参考无功功率q^*；通过功率内环获得参考有功电流和参考无功电流参考有功电流和参考无功电流通过虚拟电机磁链定向完成电流矢量合成，得到内环参考电流内环参考电流经过PI调节，产生调制波信号与光伏侧得到的调制信号u_T进行三次谐波调制，控制逆变桥的开通与关断，实现光伏并网系统的功率调节。

前述的串联准Z源逆变器由直流输入电源，串联准Z源阻抗网络，三相逆变桥以及滤波电路组成。

前述的串联准Z源逆变器总共有15种允许的开关状态：当母线电压加在三相负载两侧时，串联准Z源逆变器具有与传统电压型逆变器相同的6种非零矢量，即有效矢量；当负载被三相逆变桥的上桥臂或下桥臂短路时，串联准Z源逆变器有2个零矢量，即传统零矢量；串联准Z源阻抗网络的存在使三相逆变桥的上桥臂和/或下桥臂直通，具有7种直通零矢量。

前述的瞬时有功功率p和无功功率q的估算过程如下：

将串联准Z源逆变器看作串联准Z源阻抗网络和传统三相电压型逆变器的结合，利用开关函数法计算传统三相电压型逆变器的输出电压：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=u_{dc}\×S_a-u_{no}\\ u_b=u_{dc}\×S_b-u_{no}\\ u_c=u_{dc}\×S_c-u_{no}\end{array}\right.---\left(9\right)$

$u_{no}=\frac{1}{3}(u_{dc}\×S_a+u_{dc}\×S_b+u_{dc}\×S_c)---\left(10\right)$

式中，

u_a，u_b，u_c表示三相输出电压，u_dc为串联准Z源逆变器直流侧电压，

将串联准Z源逆变器直流侧电压u_dc的计算公式带入式(9)和式(10)，即可得到三相输出电压u_a，u_b，u_c；

将u_a，u_b，u_c和检测得到的三相输出电流i_a，i_b，i_c送入功率计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}p=u_a{i}_a+u_b{i}_b+u_c{i}_c\\ q=\frac{1}{\sqrt{3}}\[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c\]\end{array}\right.---\left(12\right)$

得到瞬时有功功率p和无功功率q。

前述的参考有功功率p^*和参考无功功率q^*，参考有功电流和参考无功电流的计算过程为：

将功率外环的直流电压瞬时值u_c与直流给定电压参考值u_c ^*之差，通过Pl控制后生成直流电流参考值i_dc ^*，它与给直流定电压参考值相乘得到系统的参考有功功率p^*，与瞬时有功功率p相比较后，再通过PI控制生成参考有功电流i_p ^*；

将功率外环的交流电压瞬时值u与交流给定电压参考值u^*进行比较，通过Pl控制后生成交流电流参考值i_ac ^*，它与交流给定电压参考值相乘得到系统的参考无功功率q^*，与瞬时无功功率q相比较后，再通过PI控制生成参考无功电流i_q ^*。

前述的电流矢量合成过程如下：

对串联准Z源逆变器的输出电压进行积分，获得虚拟电机磁链值：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_a=\∫u_a\left(t\right)dt\\ {\mathrm{\ψ}}_b=\∫u_b\left(t\right)dt\\ {\mathrm{\ψ}}_c=\∫u_c\left(t\right)dt\end{array}\right.---\left(13\right)$

计算瞬时虚拟电机磁链幅值ψ为：

$\mathrm{\ψ}=\sqrt{2/3({\mathrm{\ψ}}_a^2+{\mathrm{\ψ}}_b^2+{\mathrm{\ψ}}_c^2)}---\left(14\right)$

无功单位分量值为：

${\mathrm{\φ}}_a=\frac{{\mathrm{\ψ}}_a}{\mathrm{\ψ}},{\mathrm{\φ}}_b=\frac{{\mathrm{\ψ}}_b}{\mathrm{\ψ}},{\mathrm{\φ}}_c=\frac{{\mathrm{\ψ}}_c}{\mathrm{\ψ}}---\left(15\right)$

有功单位分量与无功单位分量正交，其值为：

$v_a=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_c-{\mathrm{\φ}}_b),v_b=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_a-{\mathrm{\φ}}_c),v_c=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_b-{\mathrm{\φ}}_a)---\left(16\right)$

三相有功电流分量为参考有功电流与相应有功单位分量的乘积，即：

$i_{pa}^{*}=i_p^{*}{v}_a,i_{pb}^{*}=i_p^{*}{v}_b,i_{pc}^{*}=i_p^{*}{v}_c---\left(17\right)$

三相无功电流分量为参考无功电流与相应无功单位分量的乘积，即：

$i_{qa}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_a,i_{qb}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_b,i_{qc}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_c---\left(18\right)$

无功电流和有功电流分量矢量相加，得到内环参考电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a^{*}=i_{pa}^{*}+i_{qa}^{*}\\ i_b^{*}=i_{pb}^{*}+i_{qb}^{*}\\ i_c^{*}=i_{pc}^{*}+i_{qc}^{*}\end{array}\right.---\left(19\right).$

前述的三次谐波调制过程如下：

在传统的三相正弦调制信号中加入a倍的三次谐波信号，形成马鞍状调制信号，与三角载波进行比较，得到非直通信号；通过最大功率点跟踪算法获得的调制信号u_T与三角载波比较，获得直通信号；直通信号与非直通信号相“或”共同组成六路PWM驱动信号。

前述的a取1/6。

本发明所达到的有益效果：

1)本发明改进了逆变器的结构，使用串联准Z源逆变器，不需要添加死区时间，可以有效改善系统的电能质量；并且串联准Z源逆变器相较于传统的Z源逆变器，可以降低阻抗器件的电压应力，更好的改善系统整体性能；

2)本发明不仅可以实现光伏并网功能，还可以通过估算交流配电网的无功功率，对其进行功率补偿，提高系统的功率因数，改善电能质量；

3)本发明使用虚拟同步发电机准直接功率控制策略对系统进行控制，虚拟磁链直接定向，省去了交流电压传感器，提高了系统的可靠性，节约装置成本，准直接功率控制可以直接控制并网逆变器的有功和无功，具有结构简单、动态响应性能好等优点；

4)本发明应用三次谐波调制，可以有效降低功率器件和电容的电压应力以及电感电流脉动值。

附图说明

图1是Z源逆变器拓扑结构图；

图2为串联准Z源逆变器拓扑结构图；

图3为图2的等效电路图；

图4为串联准Z源逆变器的两种运行模式，图4(a)为直通状态，图4(b)为非直通状态；

图5为本发明的基于串联准Z源逆变器的光伏并网系统；

图6为本发明基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制原理图；

图7为带饱和限幅反馈环节的虚拟磁链观测器原理图；

图8为有功功率控制环原理图；

图9为无功功率控制环原理图；

图10为有功和无功分量关系图；

图11为三次谐波调制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明首先设计了一种串联准Z源逆变器拓扑结构，基于串联准Z源阻抗网络的拓扑变换电路，由直流输入电源u_i，串联准Z源阻抗网络，三相逆变桥(S₁～S₆)以及滤波电路L_f四部分组成。

三相串联准Z源逆变器总共有15种允许的开关状态如表1所示。当母线电压u_dc加在三相负载两侧时，三相串联准Z源逆变器具有与传统电压型逆变器相同的6种非零矢量，即有效矢量；当负载被逆变桥的上桥臂(S₁、S₃、S₅)或下桥臂(S₂、S₄、S₆)短路时，三相串联准Z源逆变器有2个零矢量，即传统零矢量。此外，三相串联准Z源阻抗网络的存在可以使上、下桥臂直通，因而还具有7种直通零矢量。在传统逆变器中，如果上、下桥臂同时导通，直流侧电源短接，电流突增从而损坏功率电路，因而直通零矢量是不可以出现的。但在本发明的三相串联准Z源逆变器中，因为串联准Z源阻抗网络的加入使直通状态成为其正常工作状态，同时实现了独特的升/降压功能。

表1串联准Z源逆变器的开关状态

表1中，1表示开关管导通，0表示开关管关断，X表示0或1，与X互补。

如若将三相逆变桥等效为一个电流源I_load，则可以得到等效的串联型准Z源电路图如图3所示。稳态时，由电路的对称性可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{L1}=u_{L2}=u_L\\ u_{C1}=u_{C2}=u_C\end{array}\right.---\left(1\right)$

串联准Z源逆变器的运行模式分直通状态和非直通状态2种状态，

1)串联准Z源逆变器在直通状态下，阻抗网络中的电容放电，并与电源一起为电感充电，电感储存能量，二极管反向截止，其等效电路图如图4(a)所示。由4(a)可得：

u_i＝u_C+u_L u_dc＝0 (2)

2)串联准Z源逆变器在非直通状态下，阻抗网络中的电感放电释放能量，并与电源一起为电容和直流侧后端供电，直流侧电压升高，二极管D导通运行，其等效电路图如图4(b)所示。同理，由图4(b)可得：

u_C＝u_L u_i＝2u_C+u_dc (3)

设一个开关周期T_s中，直通状态运行时间为T₀，非直通状态运行时间为T₁，d为直通占空比。在一个开关周期中电感两端的平均电压必须为零，由式(2)、(3)得

${\stackrel{\‾}{u}}_L=\frac{(u_i-u_C)T_0+u_C{T}_1}{T_S}=0---\left(4\right)$

即，

$u_C=\frac{T_0}{T_0-T_1}{u}_i=\frac{d}{2d-1}{u}_i---\left(5\right)$

为电感两端的平均电压。

与传统Z源逆变器电容C₁的电压u_C1＝[(1-d)u_i/(1-2d)]相比，同样的直流侧电源u_i下，串联准Z源逆变器能够减小电容电压应力，使选择更小体积的电容成为可能，降低装置成本。

加在逆变桥两端的直流母线电压峰值为：

$u_{dc}=u_i-2u_C=\frac{T_S}{T-T_0}{u}_i=\frac{1}{1-2d}{u}_i={\mathrm{Bu}}_i---\left(6\right)$

其中为直流侧升压因子，d表示直通占空比。

以SPWM为例，设串联准Z源逆变器的调制因数为M，稳态情况下逆变器输出相电压的峰值为：

$u_p=M\·\frac{u_{dc}}{2}=M\·B\·\frac{u_i}{2}---\left(7\right)$

由式(7)观察可知，通过调整直流侧升压因子和逆变器调制因数就可以在直流输入电压保持恒定的情况下，使逆变器输出电压上升或下降。因此，在输入直流电压波动范围较大的光伏并网发电系统中串联准Z源逆变器可以代替传统两级逆变结构使用。

本发明的光伏并网控制系统是把光伏电池逆变系统看作虚拟同步发电机，将串联准Z源逆变器的输出电压u_a、u_b、u_c的积分当作虚拟电机磁链，于是，虚拟同步发电机部分类似于一台无限大的、由光伏并网逆变器供电并以同步恒速运行的发电机，如图5所示。

虚拟同步发电机的机械方程表示为：

$J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=T_m-T_e-T_d=T_m-T_e-D(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)---\left(8\right)$

式中：J是转动惯量，单位为kg·m²；T_m、T_e、T_d分别为机械、电磁和阻尼转矩，单位为N·m；ω为虚拟同步发电机的角速度，单位为rad/s；ω₀为电网对应的角速度；D为阻尼系数，单位为N·m·s/rad。

转动惯量J使串联准Z源光伏并网逆变器在功率和频率调节过程中具有了惯性；阻尼系数D使得光伏发电并网系统也具有了阻尼电网功率振荡的能力。这些都可以大大提高系统的整体性能。

基于上述系统提出基于虚拟电机的串联准Z源光伏并网逆变器的准直接功率控制原理如图6所示。其中，外环通过功率环的控制，实现有功功率的传输和无功功率的补偿；内环采用电流环，以实现电流的快速跟踪。

控制电路由电压、功率估算器，功率外环控制器，电流矢量合成，直流侧最大功率点跟踪组成。在光伏侧，经过运行最大功率点跟踪(MPPT)算法得到最大功率点电压通过PI控制器得到调制信号u_T，用来进行三次谐波调制，产生直通占空比信号d，实现光伏电池输出电压跟踪。瞬时有功功p和无功功率q是根据网侧交流电压u_a，u_b，u_c、输出电流i_a，i_b，i_c和直通占空比d进行估算。参考有功功率p^*和参考无功功率q^*通过功率外环控制器获得，分别用来反映光伏传递到电网中的有功功率和系统需要补偿的无功功率值。功率内环输出的参考有功电流和参考无功电流通过虚拟电机磁链定向完成电流矢量合成。电流内环经过PI调节，产生调制波信号与光伏侧得到的调制信号u_T一起进行三次谐波调制，控制逆变桥的开通与关断，实现光伏并网系统的功率调节。

具体的，

1)电网侧交流电压、瞬时有功功率p和无功功率q的估算过程如下：

图2的串联准Z源并网逆变器可以看作串联准Z源网络和传统三相电压源型并网逆变器的结合。

利用开关函数法计算传统三相电压型逆变器的输出电压：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=u_{dc}\×S_a-u_{no}\\ u_b=u_{dc}\×S_b-u_{no}\\ u_c=u_{dc}\×S_c-u_{no}\end{array}\right.---\left(9\right)$

$u_{no}=\frac{1}{3}(u_{dc}\×S_a+u_{dc}\×S_b+u_{dc}\×S_c)---\left(10\right)$

式中，

将串联准Z源逆变器直流侧电压u_dc的计算公式(6)带入式(9)和式(10)，即可得到估算的逆变器的三相交流电压。

将估算的三相交流电压u_a、u_b、u_c和检测得到的三相电流i_a、i_b、i_c值送入功率计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}p=u_a{i}_a+u_b{i}_b+u_c{i}_c\\ q=\frac{1}{\sqrt{3}}\[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c\]\end{array}\right.---\left(12\right)$

得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q。

对串联准Z源逆变器的输出电压进行积分，获得三相虚拟电机磁链的近似值：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_a=\∫u_a\left(t\right)dt\\ {\mathrm{\ψ}}_b=\∫u_b\left(t\right)dt\\ {\mathrm{\ψ}}_c=\∫u_c\left(t\right)dt\end{array}\right.---\left(13\right)$

式(13)中含有积分项，为避免因为初值选择不同而造成的直流偏移问题，本发明采用带饱和限幅反馈环节的积分器来代替纯积分环节，如图7所示。

欲使幅值无差且相位无偏移，取ω_c＝ω，即电网的角速度。

2)参考有功功率p^*和无功功率q^*，参考有功电流i_p ^*和无功电流i_q ^*计算过程为：

有功功率控制环原理如图8所示，有功功率外环的直流电压瞬时值u_c与给定电压参考值u_c ^*之差，通过Pl控制后生成直流电流参考值i_dc ^*，它与给定电压参考值相乘得到系统的参考有功功率p^*，与网侧瞬时功率p相比较后，再通过PI控制生成有功电流参考值i_p ^*。

无功功率控制环与有功功率控制环的原理相同，如图9所示，同样是将交流电压瞬时值u与给定电压参考值u^*进行比较，通过Pl控制后生成交流电流参考值i_ac ^*，它与给定电压参考值相乘得到系统的参考无功功率q^*，与网侧瞬时功率q相比较后，再通过PI控制生成无功电流参考值i_q ^*。但是因为单相交流电压变化速度较快，本发明将瞬时三相电压幅值作为控制量，则参考三相电压幅值u^*为电网电压幅值311V。

3)电流矢量合成过程如下：

交流电压经过磁链观测后得到磁链值，计算瞬时虚拟电机磁链幅值为：

$\mathrm{\ψ}=\sqrt{2/3({\mathrm{\ψ}}_a^2+{\mathrm{\ψ}}_b^2+{\mathrm{\ψ}}_c^2)}---\left(14\right)$

因为正弦波经过磁链观测(积分环节)后，相位滞后90°，虚拟电机磁链与无功单位分量同向，无功单位分量值为：

${\mathrm{\φ}}_a=\frac{{\mathrm{\ψ}}_a}{\mathrm{\ψ}},{\mathrm{\φ}}_b=\frac{{\mathrm{\ψ}}_b}{\mathrm{\ψ}},{\mathrm{\φ}}_c=\frac{{\mathrm{\ψ}}_c}{\mathrm{\ψ}}---\left(15\right)$

有功单位分量与上式的无功单位分量正交，其值为：

$v_a=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_c-{\mathrm{\φ}}_b),v_b=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_a-{\mathrm{\φ}}_c),v_c=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_b-{\mathrm{\φ}}_a)---\left(16\right)$

三相静止坐标下有功和无功分量坐标关系如图10所示。其中，ψ_a、ψ_b、ψ_c各自相差120°，v_a、v_b、v_c和φ_a、φ_b、φ_c亦如此，且有功单位分量与无功单位分量正交。

三相有功电流分量为有功电流与相应有功单位分量的乘积，即：

$i_{pa}^{*}=i_p^{*}{v}_a,i_{pb}^{*}=i_p^{*}{v}_b,i_{pc}^{*}=i_p^{*}{v}_c---\left(17\right)$

三相无功电流分量为无功电流与相应无功单位分量的乘积，即：

$i_{qa}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_a,i_{qb}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_b,i_{qc}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_c---\left(18\right)$

无功电流和有功电流分量矢量相加，得到内环参考电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a^{*}=i_{pa}^{*}+i_{qa}^{*}\\ i_b^{*}=i_{pb}^{*}+i_{qb}^{*}\\ i_c^{*}=i_{pc}^{*}+i_{qc}^{*}\end{array}\right.---\left(19\right)$

功率环用来实现光伏并网功率控制和系统的无功补偿，并获得有功电流参考值i_p ^*和无功电流参考值i_q ^*，两者通过相应计算，得到三相参考电流值。参考电流与串联准Z源逆变器输出电流相比较，并经过PI控制器产生三相调制信号u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，并与通过MPPT算法获得的调制信号u_T一起参与三次谐波调制，控制逆变桥的导通与关断。

4)三次谐波调制过程如下：

如图11所示，在传统的三相正弦调制信号中加入a倍的三次谐波信号，形成马鞍状调制信号u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，与三角载波进行比较，得到非直通信号；通过MPPT算法获得的调制信号u_T与三角载波比较，获得直通信号。直通信号与非直通信号相“或”共同组成六路PWM驱动信号S₁～S₆。

设A相调制波为V_a＝Msinθ，θ为正弦波的相角，在此基础上注入a倍的三次谐波以后A相调制波表达式变为：

V_a＝Msinθ+aMsin(3θ)＝(1+3a)sinθ-4asin³θ，

对θ求导，得到，

当时，V_a取得极值，即，

当时，V_a达到其峰值点(即调制信号中的最大值点)为：

${\hat{v}}_a=\frac{2M}{3}\sqrt{\frac{{(1+3a)}^2}{12a}}---\left(20\right)$

对式(20)求导可得，

a＝1/6时，取最小值，此时，

${\left({\hat{v}}_a\right)}_{\min }=\frac{\sqrt{3}}{2}M.$

可以看出，当调制波加入a＝1/6倍的三次谐波时，串联准Z源逆变器的调制因数可以得到最大值为因而本发明选择在基波中注入1/6倍的三次谐波。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，其特征在于，把光伏电池逆变系统看作虚拟同步发电机，将串联准Z源逆变器的输出电压u_a，u_b，u_c的积分当作虚拟电机磁链，在光伏侧，经过运行最大功率点跟踪算法得到最大功率点电压通过PI控制器得到调制信号u_T，用来进行三次谐波调制，产生直通占空比信号d，实现光伏电池输出电压跟踪；根据输出电压u_a，u_b，u_c、输出电流i_a，i_b，i_c和直通占空比d估算瞬时有功功率p和无功功率q；通过功率外环获得参考有功功率p^*和参考无功功率q^*；通过功率内环获得参考有功电流和参考无功电流参考有功电流和参考无功电流通过虚拟电机磁链定向完成电流矢量合成，得到内环参考电流内环参考电流经过PI调节，产生调制波信号与光伏侧得到的调制信号u_T进行三次谐波调制，控制逆变桥的开通与关断，实现光伏并网系统的功率调节。

2.根据权利要求1所述的基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，其特征在于，所述串联准Z源逆变器由直流输入电源，串联准Z源阻抗网络，三相逆变桥以及滤波电路组成。

3.根据权利要求2所述的基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，其特征在于，所述串联准Z源逆变器总共有15种允许的开关状态：当母线电压加在三相负载两侧时，串联准Z源逆变器具有与传统电压型逆变器相同的6种非零矢量，即有效矢量；当负载被三相逆变桥的上桥臂或下桥臂短路时，串联准Z源逆变器有2个零矢量，即传统零矢量；串联准Z源阻抗网络的存在使三相逆变桥的上桥臂和/或下桥臂直通，具有7种直通零矢量。

4.根据权利要求1所述的基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，其特征在于，所述瞬时有功功率p和无功功率q的估算过程如下：

将串联准Z源逆变器看作串联准Z源阻抗网络和传统三相电压型逆变器的结合，利用开关函数法计算传统三相电压型逆变器的输出电压：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=u_{dc}\×S_a-u_{no}\\ u_b=u_{dc}\×S_b-u_{no}\\ u_c=u_{dc}\×S_c-u_{no}\end{array}\right.---\left(9\right)$

$u_{no}=\frac{1}{3}(u_{dc}\×S_a+u_{dc}\×S_b+u_{dc}\×S_c)---\left(10\right)$

式中，

u_a，u_b，u_c表示三相输出电压，u_dc为串联准Z源逆变器直流侧电压，

将串联准Z源逆变器直流侧电压u_dc的计算公式带入式(9)和式(10)，即可得到三相输出电压u_a，u_b，u_c；

将u_a，u_b，u_c和检测得到的三相输出电流i_a，i_b，i_c送入功率计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}p=u_a{i}_a+u_b{i}_b+u_c{i}_c\\ q=\frac{1}{\sqrt{3}}\[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c\]\end{array}\right.---\left(12\right)$

得到瞬时有功功率p和无功功率q。

5.根据权利要求1所述的基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，其特征在于，所述参考有功功率p^*和参考无功功率q^*，参考有功电流和参考无功电流的计算过程为：

将功率外环的直流电压瞬时值u_c与直流给定电压参考值u_c ^*之差，通过Pl控制后生成直流电流参考值i_dc ^*，它与给直流定电压参考值相乘得到系统的参考有功功率p^*，与瞬时有功功率p相比较后，再通过PI控制生成参考有功电流i_p ^*；

将功率外环的交流电压瞬时值u与交流给定电压参考值u^*进行比较，通过Pl控制后生成交流电流参考值i_ac ^*，它与交流给定电压参考值相乘得到系统的参考无功功率q^*，与瞬时无功功率q相比较后，再通过PI控制生成参考无功电流i_q ^*。

6.根据权利要求1所述的基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，其特征在于，所述电流矢量合成过程如下：

对串联准Z源逆变器的输出电压进行积分，获得虚拟电机磁链值：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_a=\∫u_a\left(t\right)dt\\ {\mathrm{\ψ}}_b=\∫u_b\left(t\right)dt\\ {\mathrm{\ψ}}_c=\∫u_c\left(t\right)dt\end{array}\right.---\left(13\right)$

计算瞬时虚拟电机磁链幅值ψ为：

$\mathrm{\ψ}=\sqrt{2/3({\mathrm{\ψ}}_a^2+{\mathrm{\ψ}}_b^2+{\mathrm{\ψ}}_c^2)}---\left(14\right)$

无功单位分量值为：

${\mathrm{\φ}}_a=\frac{{\mathrm{\ψ}}_a}{\mathrm{\ψ}},{\mathrm{\φ}}_b=\frac{{\mathrm{\ψ}}_b}{\mathrm{\ψ}},{\mathrm{\φ}}_c=\frac{{\mathrm{\ψ}}_c}{\mathrm{\ψ}}---\left(15\right)$

有功单位分量与无功单位分量正交，其值为：

$v_a=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_c-{\mathrm{\φ}}_b),v_b=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_a-{\mathrm{\φ}}_c),v_c=\frac{1}{\sqrt{3}}({\mathrm{\φ}}_b-{\mathrm{\φ}}_a)---\left(16\right)$

三相有功电流分量为参考有功电流与相应有功单位分量的乘积，即：

$i_{pa}^{*}=i_p^{*}{v}_a,i_{pb}^{*}=i_p^{*}{v}_b,i_{pc}^{*}=i_p^{*}{v}_c---\left(17\right)$

三相无功电流分量为参考无功电流与相应无功单位分量的乘积，即：

$i_{qa}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_a,i_{qb}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_b,i_{qc}^{*}=-i_q^{*}{\mathrm{\φ}}_c---\left(18\right)$

无功电流和有功电流分量矢量相加，得到内环参考电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a^{*}=i_{pa}^{*}+i_{qa}^{*}\\ i_b^{*}=i_{pb}^{*}+i_{qb}^{*}\\ i_c^{*}=i_{pc}^{*}+i_{qc}^{*}\end{array}\right.---\left(19\right).$

7.根据权利要求1所述的基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，其特征在于，所述三次谐波调制过程如下：

在传统的三相正弦调制信号中加入a倍的三次谐波信号，形成马鞍状调制信号，与三角载波进行比较，得到非直通信号；通过最大功率点跟踪算法获得的调制信号u_T与三角载波比较，获得直通信号；直通信号与非直通信号相“或”共同组成六路PWM驱动信号。

8.根据权利要求1所述的基于串联准Z源逆变器的光伏并网控制方法，其特征在于，所述a取1/6。