CN106130041A - 扩大级联h桥光伏并网逆变器稳定运行范围的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围的控制方法，所述方法包括：在线检测所有光伏电池组件的输出电压和电流以及电网电压和电网电流；根据电网电流有效值大小和逆变器单位功率因数运行时临界电流的大小判断系统是否能够稳定运行；当系统不能稳定运行时，计算电网电流超前电网电压的角度，补偿无功功率；判断系统的功率因数是否低于0.9，如果功率因数低于0.9则维持功率因数为0.9，并使输出功率较大的光伏组退出最大功率点运行，从而均衡模块间的功率。该不方便不仅能够有效扩大级联H桥光伏逆变器的稳定运行范围，而且能够保证系统的发电量和功率因数不会太低。

Description

扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围的控制方法

技术领域

本发明属于电气工程领域的光伏发电技术，更具体地说，涉及一种级联型光伏并网逆变器及其功率不平衡的控制方法。

背景技术

相比于两电平和三电平逆变器，多电平逆变器具有开关器件应力小、系统效率高及滤波器体积小等优点。多电平逆变器提出至今，出现了很多拓扑，归结起来主要有三种：二极管箝位型、飞跨电容型和级联H桥型。在所有多电平拓扑中，当输出相同电平数时，级联H桥逆变器所用元器件最少，布局最为简单。此外，级联H桥逆变器每个功率单元的直流侧可由一块光伏组件独立供电，使单个光伏组件的MPPT控制成为可能，进一步提高系统的发电效率。因此，级联H桥多电平逆变器尤其适用于光伏并网发电系统。

虽然级联H桥光伏逆变器的各级功率单元可通过独立的MPPT控制提高太阳能的利用率，但受遮挡或组件损坏等因素的影响，部分光伏组件的输出功率严重下降时，由于流过每个H桥的电流相等而传输的功率差异较大，会导致输出功率正常的光伏组件对应的功率单元过调制，系统不稳定。因此，级联H桥光伏并网逆变器稳定运行的范围非常有限，不利于实际的工程应用。

为此，学者们在扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围方面做出了很多努力和尝试。如发明专利申请《一种级联型光伏并网逆变器的功率平衡控制方法》(CN103795077 A)提出了一种基于占空比有功分量修正的功率均衡控制策略，根据系统的运行情况，实时补偿和修正占空比，但是该均衡控制方法调节范围较小，在模块间光照极度不平衡时将失去调节能力，系统将不稳定。

如2013年IEEE文献“Stable Operation of Grid Connected Cascaded H-BridgeInverter Under Unbalanced Insolation Conditions”(光照不平衡条件下级联H桥光伏并网逆变器的稳定运行——2013年IEEE电力和能源转换系统第三次国际会议)详细分析了级联H桥光伏逆变器稳定运行的条件，提出一种修正的MPPT控制策略，当部分功率单元过调制时，通过降额运行使系统稳定，但会降低系统的发电量。

2015年IEEE文献“Reactive Power Compensation and Optimization Strategyfor Grid-Interactive Cascaded Photovoltaic Systems”Liming Liu,Hui Li,《IEEETransactions on Power Electronics》，2015,30(1)，188-202(“级联型光伏并网逆变器的无功补偿及其优化策略”，《IEEE学报-电力电子期刊》2015年第30卷第1期188-202页)将功率因数作为一个自由度，通过补偿无功功率维持系统稳定。但所提出的控制策略中有功功率分配的物理意义不够清晰，且并未提出有效的无功分配方案。此外，当功率严重不平衡时，该方法会大幅降低并网逆变器的功率因数。

综上所述，对于级联H桥光伏并网逆变器而言，现有的功率不平衡抑制方法主要存在如下问题：

(1)现有技术能够改善级联H桥光伏逆变器的不平衡问题，但是调节范围较小，不能满足所有工况；

(2)通过使输出功率大的模块退出MPPT运行的方法抑制功率不平衡，会降低系统的发电量。

(3)通过补偿无功可以抑制级联H桥光伏逆变器的功率不平衡问题，但当系统严重不平衡时，会使得逆变器功率因数过低，不满足并网要求。

发明内容

本发明要解决的问题就是克服上述方案的局限性，针对级联H桥光伏逆变器功率不平衡引起过调制这一问题，提出一种扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围的控制方法。该方法能够较好地适应各种工况，满足实际应用的需求。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案主要步骤如下：

一种扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围的控制方法，所述的扩大级联H桥光伏并网逆变器包括四个相同的H桥模块，其主要步骤如下：

步骤1，先通过在线检测得到以下参数：

扩大级联H桥光伏并网逆变器中每个H桥模块直流侧的输出电压V_dc1、V_dc2、V_dc3和V_dc4以及输出电流I_PV1、I_PV2、I_PV3和I_PV4；

电网电压v_g和电网电流i_g；

步骤2，用锁相环对电网电压v_g进行锁幅和锁相，得到其幅值V_M和相位θ；

步骤3，在线计算电网电流的有效值I_RMS以及逆变器单位功率因数稳定运行的临界电网电流有效值I_min，其中逆变器单位功率因数稳定运行是指电网电压v_g与电网电流i_g的频率和相位分别相同，I_RMS和I_min的计算公式如下：

$I_{RMS}=\sqrt{2}(V_{dc1}{I}_{PV1}+V_{dc2}{I}_{PV2}+V_{dc3}{I}_{PV3}+V_{dc4}{I}_{PV4})/V_M$

$I_{\min }=max\{\sqrt{2}{I}_{PV1},\sqrt{2}{I}_{PV2},\sqrt{2}{I}_{PV3},\sqrt{2}{I}_{PV4}\}$

其中，V_M表示电网电压的幅值；max表示求最大值。

步骤4，判断电网电流的有效值I_RMS是否小于单位功率因数稳定运行的临界电网电流有效值I_min：

若I_RMS<I_min，则系统功率不平衡，执行步骤5；

若I_RMS≥I_min，则说明系统功率在单位功率因数下稳定运行，返回执行步骤1，进入下一个循环；

步骤5，将电网电流的相角记为α＝θ+φ，其中φ为电网电流超前电网电压的角度其计算公式如下；

步骤6，实时判断逆变器的功率因数是否大于0.9：

如果PF>0.9，则通过准比例谐振调节器控制电网电流的相角α，给系统补偿无功功率，然后返回步骤1执行；反之，则逆变器维持功率因数PF为0.9，执行步骤7，所述逆变器维持功率因数PF为0.9的方法为电网电流超前电网电压的角度φ始终保持为一个常数

步骤7，比较每个光伏组件的输出功率，通过判断找出输出功率最大的光伏组件，使该光伏组件执行修正的MPPT算法，然后转入步骤1重新判断，直到满足条件I_RMS>I_min为止。

优选地，步骤7所述的修正的MPPT算法是指按步长为1逐步增加输出功率最大的H桥模块的直流侧的输出电压v_dck的给定值，以实现该模块退出MPPT运行，降低输出功率、平衡模块间功率；其中v_dck，k＝1,2,34，即当k分别为1,2,3,4时，v_dck分别表述为V_dc1、V_dc2、V_dc3和V_dc4。

本发明相对于现有技术的优势是：

(1)本发明提出的方法调节范围较宽，能够满足和适应各种不平衡的工作情况。

(2)结合了无功补偿和退出MPPT运行两种方法的优点，不但能够扩宽级联H桥光伏逆变器稳定运行范围，而且保证系统的发电量和功率因数都不会太低。

附图说明

图1是含有四个H桥的单相级联H桥光伏逆变器拓扑结构。

图2是本发明所述扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步清楚、完整地描述。

图1为本专利所述的单相非隔离级联H桥光伏并网逆变器拓扑结构，包含四个相同的H桥模块，每个H桥直流侧通过一块光伏电池板独立供电，每个H桥交流侧相互串联，通过电感和与电网连接。L₁和L₂为网侧滤波电感；R₁和R₂为网侧滤波电感的寄生电阻；C₁、C₂、C₃和C₄分别为直流侧与光伏电池板并联的电容。v_g为交流侧电网电压，i_g为电网电流；V_dc1、V_dc2、V_dc3和V_dc4以及I_PV1、I_PV2、I_PV3和I_PV4分别是直流侧四个光伏组件输出的电压和电流。

图2为本专利所述的扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围控制方法的流程图。

参见图1和图2，本发明的具体实施如下：

步骤1，先通过在线检测含四个H桥模块的级联H桥光伏并网逆变器每个光伏组件直流侧的输出电压V_dc1、V_dc2、V_dc3和V_dc4以及输出电流I_PV1、I_PV2、I_PV3和I_PV4。同时在线检测电网电压v_g和电网电流i_g。

步骤2，用锁相环对电网电压v_g进行锁幅和锁相，得到其幅值V_M和相位θ。

步骤3，在线计算电网电流的有效值I_RMS以及逆变器单位功率因数稳定运行的临界电网电流有效值I_min，其中逆变器单位功率因数稳定运行是指电网电压v_g与电网电流i_g的频率和相位相同，I_RMS和I_min的计算方法如下：

$I_{RMS}=\sqrt{2}(V_{dc1}{I}_{PV1}+V_{dc2}{I}_{PV2}+V_{dc3}{I}_{PV3}+V_{dc4}{I}_{PV4})/V_M$

$I_{min}=max\{\sqrt{2}{I}_{PV1},\sqrt{2}{I}_{PV2},\sqrt{2}{I}_{PV3},\sqrt{2}{I}_{PV4}\}$

其中，V_M表示电网电压的幅值；max表示求最大值。

步骤4，判断电网电流的有效值I_RMS是否小于单位功率因数稳定运行的临界电网电流有效值I_min：

若I_RMS<I_min，则系统功率不平衡，执行步骤5；

若I_RMS≥I_min，则说明系统功率在单位功率因数下稳定运行，返回执行步骤1，进入下一个循环。

步骤5，通过准比例谐振调节器控制电网电流的相角α＝θ+φ，其中φ为

电网电流超前电网电压的角度，计算方法如下：

步骤6，实时判断逆变器的功率因数是否大于0.9：

如果PF>0.9，则通过准比例谐振调节器控制电网电流的相角α，给系统补偿无功功率，然后返回步骤1执行；反之，则逆变器维持功率因数PF为0.9，执行步骤7，所述逆变器维持功率因数PF为0.9的方法为电网电流超前电网电压的角度φ始终保持为一个常数

步骤7，比较每个H桥模块的光伏组件的输出功率，通过判断找出输出功率最大的H桥模块的光伏组件，使该光伏组件执行修正的MPPT算法，然后转入步骤1重新判断，直到满足条件I_RMS>I_min为止。所述的修正的MPPT算法是指按步长为1逐步增加输出功率较大的模块的直流侧的输出电压v_dck的给定值，如此可保证该模块退出MPPT运行，降低输出功率，从而平衡模块间功率。其中v_dck(k＝1,2,34)，即当k分别为1,2,3,4时，v_dck分别表述为V_dc1、V_dc2、V_dc3和V_dc4。

本专利针对含四个H桥模块的级联H桥光伏逆变器功率不平衡问题，提出了一种无功补偿与退出MPPT相结合的方法，扩大了级联H桥光伏逆变器的稳定运行范围的同时，保证了系统的功率因数和发电量较高。

Claims (2)

1.一种扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围的控制方法，所述的扩大级联H桥光伏并网逆变器包括四个相同的H桥模块，其特征在于，主要步骤如下：

步骤1，先通过在线检测得到以下参数：

扩大级联H桥光伏并网逆变器中每个H桥模块直流侧的输出电压V_dc1、V_dc2、V_dc3和V_dc4以及输出电流I_PV1、I_PV2、I_PV3和I_PV4；

电网电压v_g和电网电流i_g；

步骤2，用锁相环对电网电压v_g进行锁幅和锁相，得到其幅值V_M和相位θ；

步骤3，在线计算电网电流的有效值I_RMS以及逆变器单位功率因数稳定运行的临界电网电流有效值I_min，其中逆变器单位功率因数稳定运行是指电网电压v_g与电网电流i_g的频率和相位分别相同，I_RMS和I_min的计算公式如下：

$I_{RMS}=\sqrt{2}(V_{dc1}{I}_{PV1}+V_{dc2}{I}_{PV2}+V_{dc3}{I}_{PV3}+V_{dc4}{I}_{PV4})/V_M$

$I_{\min }=max\{\sqrt{2}{I}_{PV1},\sqrt{2}{I}_{PV2},\sqrt{2}{I}_{PV3},\sqrt{2}{I}_{PV4}\}$

其中，V_M表示电网电压的幅值；max表示求最大值；

步骤4，判断电网电流的有效值I_RMS是否小于单位功率因数稳定运行的临界电网电流有效值I_min：

若I_RMS<I_min，则系统功率不平衡，执行步骤5；

若I_RMS≥I_min，则说明系统功率在单位功率因数下稳定运行，返回执行步骤1，进入下一个循环；

步骤5，将电网电流的相角记为α＝θ+φ，其中φ为电网电流超前电网电压的角度，其计算公式如下：

步骤6，实时判断逆变器的功率因数是否大于0.9：

如果PF＞0.9，则通过准比例谐振调节器控制电网电流的相角α，给系统补偿无功功率，然后返回步骤1执行；反之，则逆变器维持功率因数PF为0.9，执行步骤7，所述逆变器维持功率因数PF为0.9的方法为电网电流超前电网电压的角度φ始终保持为一个常数

步骤7，比较每个光伏组件的输出功率，通过判断找出输出功率最大的光伏组件，使该光伏组件执行修正的MPPT算法，然后转入步骤1重新判断，直到满足条件I_RMS＞I_min为止。

2.根据权利要求1所述的一种扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围的控制方法，其特征是步骤7所述的修正的MPPT算法是指按步长为1逐步增加输出功率最大的H桥模块的直流侧的输出电压v_dck的给定值，以实现该模块退出MPPT运行，降低输出功率、平衡模块间功率；其中v_dck，k＝1,2,34，即当k分别为1,2,3,4时，v_dck分别表述为V_dc1、V_dc2、V_dc3和V_dc4。