CN107565840B - 级联h桥型光伏并网逆变器的谐波补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联H桥型光伏并网逆变器的谐波补偿控制方法，属于光伏发电领域。主要步骤如下：(1)对所有H桥单元的直流侧电容电压进行独立的控制，并得到电网电流的有功指令值；(2)实现对电网电流的无静差控制，同时产生逆变器的总调制电压以及所有H桥单元的调制度；(3)根据谐波补偿策略，计算每个H桥模块的调制波。相比于现有公开的文献，该方法可以保证级联H桥型光伏并网逆变器在输入功率存在较严重的不平衡时，逆变器单位功率因数正常运行且直流侧电容电压波动较小。

Description

级联H桥型光伏并网逆变器的谐波补偿控制方法

技术领域

本发明属于电气工程领域的光伏发电技术，具体涉及一种级联H桥型光伏并网逆变器的谐波补偿控制方法。

背景技术

与传统逆变器相比，级联H桥型多电平逆变器具有电网电流谐波含量低、开关频率低、滤波器体积小且易于模块化等优点，因此得到了众多学者的关注。此外，级联H桥多电平逆变器的每个H桥单元的直流侧可由一块光伏电池独立供电，使其独立的最大功率点追踪(MPPT—Maximum Power Point Tracking)控制成为可能，因此级联H桥多电平拓扑结构尤其适用于光伏并网逆变器。

虽然级联H桥型光伏并网逆变器的每个H桥单元都可以通过独立的MPPT控制提高系统的发电量，但若光伏电池受遮挡或损坏等因素的影响，部分光伏电池的输出功率会严重下降，由于流过每个H桥单元的电流相等而传输的功率差异较大，会使输出功率正常的光伏组件对应的H桥单元过调制，导致输出电流性能变差甚至系统不稳定。

目前，如何扩大级联H桥型逆变器的运行范围已经成为级联H桥型光伏逆变器研究的热点。文献“L.Liming,L.Hui,X.Yaosuo and L.Wenxin,Reactive power compensationand optimization strategy for grid-interactive cascaded photovoltaicsystems.IEEE Trans.Power Electron.,vol.30,no.1,pp.188-202,Jan.2015.”(L.Liming,L.Hui,X.Yaosuo and L.Wenxin，级联型并网光伏发电系统的无功功率补偿及其优化策略，IEEE电力电子杂志，2015年1月第30卷1期，第188页到202页)通过补偿一定的无功功率，当各个H桥模块的输出功率严重不平衡时依然能够保证所有H桥模块都不会过调制。然而，该方法会降低逆变器的功率因数。

文献“M.Miranbeigi,and H.Iman-Eini,Hybrid modulation technique forgrid-connected cascaded photovoltaic systems.IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.63,no.12,pp.7843-7853,Dec.2016.”(M.Miranbeigi,and H.Iman-Eini，级联型光伏并网发电系统的混合调制策略，IEEE工业电子杂志，2016年12月第63卷12期，第7843页到7853页)提出一种低频方波调制和高频正弦波脉冲宽度调制相结合的均衡控制策略，利用方波最大调制度为4/π的特点，提高H桥直流侧电压利用率。然而，该方法是根据系统运行状态分配每个H桥模块进行充电或放电，并不是对直流侧电容电压的精确控制，会造成直流侧电容电压的波动较大。直流侧电压的波动使得光伏组件偏离最大功率点运行，降低光伏组件的平均发电量。

文献“Y.Ko,M.Andresen,G.Buticchi,and M.Liserre,Power Routing forcascaded H-bridge converters.IEEE Trans.Power Electron.,Early Access,2017.”(Y.Ko,M.Andresen,G.Buticchi,and M.Liserre，级联H桥变换器的功率路径，IEEE电力电子杂志，2017年提前出版)提出一种三次谐波补偿策略，可以把H桥单元的调制度扩大至1.155，在一定范围内避免H桥单元过调制。同时，该方法还能保证系统在单位功率因数下运行且直流侧电容电压波动较小。相比于混合调制策略和无功功率补偿方案，三次谐波补偿策略的综合性能较优。然而，当系统不平衡程度较重时，部分H桥单元的调制度可能会大于1.155，即便补偿三次谐波，依然不能避免某些H桥模块过调制。

综上所述，现有的扩大级联H桥型光伏并网逆变器运行范围的方法还存在如下缺点：

1)、当各个H桥模块的输出功率严重不平衡时，虽然无功补偿控制策略能够保证所有H桥模块都不过调制，但系统功率因数较低，不能满足并网标准。

2)、混合调制策略虽然可以在一定程度上扩大系统的运行范围，但直流侧电容电压波动较大，会降低系统的发电量。

3)、虽然三次谐波补偿策略可以使系统在单位功率因数下运行且直流侧电容电压波动较小，但应对系统不平衡的能力较弱。

发明内容

本发明要解决的问题就是克服上述各种方案的局限性，提出一种级联H桥型光伏并网逆变器的谐波补偿控制方法，当H桥单元之间输入功率不平衡时，系统依然能够单位功率因数运行，且直流侧电容电压波动较小。此外，相比于现有的三次谐波补偿策略，所述方法能够进一步扩大系统的运行范围。

为了解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：

一种级联H桥型光伏并网逆变器的谐波补偿控制方法，所述的级联H桥型光伏逆变器包括N个相同的H桥单元，每个H桥单元的直流侧都分别连接一块光伏电池，本发明所述的谐波补偿控制方法包括直流侧电容电压控制、并网电流控制和谐波补偿策略，步骤如下：

步骤1，直流侧电容电压控制

步骤1.1，分别对N个H桥单元的直流侧电容电压和光伏电池输出电流进行采样，得到N个H桥单元的直流侧电容电压采样值和对应的N个H桥单元的光伏电池输出电流采样值，并分别记为V_dci和I_PVi，i＝1,2,…,N；

步骤1.2，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值V_dci和N个H桥单元的光伏电池输出电流采样值I_PVi，分别对N个H桥单元所连接光伏电池进行最大功率点追踪，得到N个H桥单元所连接光伏电池的最大功率点电压然后把最大功率点电压作为H桥单元直流侧电容电压指令值；

步骤1.3，使用100Hz陷波器分别对步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值V_dci进行滤波，并将滤波后的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值记为V_PVi，i＝1,2,…,N；

步骤1.4，使用N个相同的电压调节器，分别计算得到N个H桥单元的输出功率P_i，并对所有H桥单元的输出功率求和，得到H桥直流侧向交流侧传输的总功率P_T，其计算式分别为：

其中，K_VP为电压调节器的比例系数，K_VI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2，并网电流控制

步骤2.1，分别对电网电压和并网电流进行采样，得到电网电压采样值v_g和并网电流采样值i_g；

步骤2.2，使用数字锁相环对步骤2.1得到的电网电压采样值v_g进行锁相，得到电网电压相位角θ和电网电压幅值V_M；

步骤2.3，把步骤2.1得到的并网电流采样值i_g延迟90度，得到与并网电流采样值i_g正交的信号i_Q，把i_g和i_Q从两相静止垂直坐标系变换到同步旋转坐标系，得到有功电流反馈值I_d和无功电流反馈值I_q，其计算式为：

其中，cos(θ)表示电网电压相位角θ的余弦值，sin(θ)表示电网电压相位角θ的正弦值；

步骤2.4，设逆变器的无功电流指令值给定为0，有功电流指令值的计算式如下：

步骤2.5，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到逆变器的有功调制电压U_d和无功调制电压U_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为电流调节器的比例系数，K_iI为电流调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2.6，计算逆变器的总调制电压幅值V_r、总调制电压与电网电压夹角θ_r和N个H桥单元的调制度S_i，i＝1,2,…,N，其计算式分别如下：

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值；

步骤3，谐波补偿策略

将第1,2,…,x个H桥单元的调制度设定介于1～1.27之间，并称之为过调制H桥单元，第x+1,…,N个H桥单元的调制度设定小于1，称之为非过调制H桥单元，x＜N；

所述的谐波补偿策略包括以下步骤：

步骤3.1，给过调制H桥单元的调制波补偿谐波，把其调制波补偿为幅值为1且带有导通角的方波，具体的，第i个过调制H桥单元调制波m_i的计算式为：

其中，π为圆周率，θ_T表示(θ+θ_r+π/2)除以2π的余数，arccos(πS_i/4)表示πS_i/4的反余弦值；

步骤3.2，计算过调制H桥单元所补偿的总谐波电压v_HTP，其计算式为：

步骤3.3，给所有非过调制H桥单元补偿与v_HTP反相的谐波电压v_HTN，其计算式为：

步骤3.4，把v_HTN分配到非过调制H桥单元，第j个H桥单元的分配系数k_j计算如下：

步骤3.5，计算第j个H桥单元的调制波m_j，其计算式如下：

本发明相对现有技术的有益效果是：

1、当H桥单元的输入功率不平衡时，系统能够单位功率因数正常运行，且直流侧电容电压波动不大。

2、相比于现有文献提及的三次谐波补偿策略，能够进一步扩大级联H桥型光伏逆变器的运行范围。

附图说明

图1是本发明实施的单相级联H桥型光伏并网逆变器主电路拓扑结构。

图2是本发明实施的单相级联H桥型光伏并网逆变器控制框图。

图3是本发明所述谐波补偿策略的流程图。

图4是H桥单元输入功率不平衡，采用三次谐波补偿策略时电网电压采样值v_g和并网电流采样值i_g的波形。

图5是H桥单元输入功率不平衡，采用谐波补偿控制方法时第一个H桥单元的调制波m₁、第一个H桥单元的直流侧电容电压采样值V_dc1和直流侧电容电压指令值以及电网电压采样值v_g和并网电流采样值i_g的波形。

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，对本发明做进一步清楚、完整地描述。

图1为本发明实施的单相级联H桥型光伏并网逆变器主电路拓扑结构，包括含N个相同的H桥单元，每个H桥单元都由四个全控型开关器件组成。每个H桥前端各并联一个电解电容C_i(i＝1,2,…，N)，每个电解电容分别与一块光伏电池PV_i(i＝1,2,…，N)连接。所有H桥的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感L₁和L₂与电网连接，其中R₁和R₂分别为滤波电感L₁和L₂的等效电阻。图中V_dci和I_PVi(i＝1,2,…，N)分别表示第i个H桥单元直流侧电容电压采样值和对应的光伏组件输出电流采样值，v_g和i_g分别表示电网电压采样值和并网电流采样值。本实施中，每个H桥单元前级并联的电容C_i均为27.2mF，i＝1,2,…，N，滤波电感L₁＝L₂＝0.75mH，其等效电阻R₁＝R₂＝0.005Ω，电网电压的幅值和频率分别为90V和50Hz。

图2为本发明实施的单相级联H桥型光伏并网逆变器谐波补偿控制方法的框图，它由一个主控制器和N个H桥控制器组成。主控制器实现并网电流控制以及根据谐波补偿策略计算每个H桥模块的调制波m_i(i＝1,2,…，N)。H桥控制器实现光伏组件的最大功率点追踪(MPPT—Maximum Power Point Tracking)控制、H桥单元直流侧电容电压控制以及根据主控制器计算的H桥单元的调制波生成对应H桥单元的四个全控型开关器件的驱动信号。

图3为本发明实施的谐波补偿策略的流程图，首先根据所提出的谐波补偿策略把过调制的H桥单元的调制波补偿为幅值为1且带一定导通角的方波，为了保证控制系统的正常运行，补偿后的基波分量应与补偿前调制波的基波分量相等。然后，计算所有过调制H桥单元补偿的总的谐波电压v_HTP，为了使级联H桥型光伏逆变器的交流侧输出总电压不含有所补偿的谐波，需要给正常的H桥单元补偿与v_HTP反相的谐波电压v_HTN。最后，计算正常H桥单元的谐波分配系数和调制波。

参见图1、图2和图3，本发明的实施过程如下：

步骤1，直流侧电容电压控制

步骤1.1，分别对N个H桥单元的直流侧电容电压和光伏电池输出电流进行采样，得到N个H桥单元的直流侧电容电压采样值和对应的N个H桥单元的光伏电池输出电流采样值，并分别记为V_dci和I_PVi，i＝1,2,…,N；

步骤1.2，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值V_dci和N个H桥单元的光伏电池输出电流采样值I_PVi，分别对N个H桥单元所连接光伏电池进行最大功率点追踪，得到N个H桥单元所连接光伏电池的最大功率点电压然后把最大功率点电压作为H桥单元直流侧电容电压指令值；

步骤1.3，使用100Hz陷波器分别对步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值V_dci进行滤波，并将滤波后的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值记为V_PVi，i＝1,2,…,N；

步骤1.4，使用N个相同的电压调节器，分别计算得到N个H桥单元的输出功率P_i，并对所有H桥单元的输出功率求和，得到H桥直流侧向交流侧传输的总功率P_T，其计算式分别为：

其中，K_VP为电压调节器的比例系数，K_VI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子。电压调节器比例系数K_VP和电压调节器积分系数K_VI按照常规并网逆变器进行设计，本实施中，K_VP＝8，K_VI＝150。

步骤2，并网电流控制

步骤2.1，分别对电网电压和并网电流进行采样，得到电网电压采样值v_g和并网电流采样值i_g；

步骤2.2，使用数字锁相环对步骤2.1得到的电网电压采样值v_g进行锁相，得到电网电压相位角θ和电网电压幅值V_M；

步骤2.3，把步骤2.1得到的并网电流采样值i_g延迟90度，得到与并网电流采样值i_g正交的信号i_Q，把i_g和i_Q从两相静止垂直坐标系变换到同步旋转坐标系，得到有功电流反馈值I_d和无功电流反馈值I_q，其计算式为：

其中，cos(θ)表示电网电压相位角θ的余弦值，sin(θ)表示电网电压相位角θ的正弦值；

步骤2.4，设逆变器的无功电流指令值给定为0，有功电流指令值的计算式如下：

步骤2.5，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到逆变器的有功调制电压U_d和无功调制电压U_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为电流调节器的比例系数，K_iI为电流调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子。电流调节器比例系数K_iP和电流调节器积分系数K_iI按照常规并网逆变器进行设计，本实施中，K_iP＝1.5，K_iI＝50。

步骤2.6，计算逆变器的总调制电压幅值V_r、总调制电压与电网电压夹角θ_r和N个H桥单元的调制度S_i，i＝1,2,…,N，其计算式分别如下：

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值。

步骤3，谐波补偿策略

将第1,2,…,x个H桥单元的调制度设定介于1～1.27之间，并称之为过调制H桥单元，第x+1,…,N个H桥单元的调制度设定小于1，称之为非过调制H桥单元，x＜N；

所述的谐波补偿策略包括以下步骤：

步骤3.1，给过调制H桥单元的调制波补偿谐波，把其调制波补偿为幅值为1且带有导通角的方波，具体的，第i个过调制H桥单元调制波m_i的计算式为：

其中，π为圆周率，θ_T表示(θ+θ_r+π/2)除以2π的余数，arccos(πS_i/4)表示πS_i/4的反余弦值；

步骤3.2，计算过调制H桥单元所补偿的总谐波电压v_HTP，其计算式为：

步骤3.3，给所有非过调制H桥单元补偿与v_HTP反相的谐波电压v_HTN，其计算式为：

步骤3.4，把v_HTN分配到非过调制H桥单元，第j个H桥单元的分配系数k_j计算如下：

步骤3.5，计算第j个H桥单元的调制波m_j，其计算式如下：

图4为四个H桥单元前级光伏电池的光照强度分别为1000W/m²、1000W/m²、350W/m²和350W/m²，温度均为25℃，采用三次谐波补偿策略时电网电压采样值v_g和并网电流采样值i_g的波形图。本实施中，所选用光伏组件的型号为JAP6 60-260/3BB，当光照强度为1000W/m²，温度为25℃时，其最大输出功率为260W，最大功率点电压为30.63V。显然，光伏组件的输出功率存在严重的不平衡，由于第一个H桥单元和第二个H桥单元的输入功率较大，会过调制。然而，采用三次谐波补偿策略时，由于调节能力有限，并网电流波形是扭曲的正弦波，且谐波含量较大。

图5为同等条件下采用本发明所提出的谐波补偿策略时第一个H桥单元的调制波m₁、第一个H桥单元的直流侧电容电压采样值V_dc1和直流侧电容电压指令值以及电网电压采样值v_g和并网电流采样值i_g的波形。可以看出，第一个H桥单元的调制波是带有导通角的方波，其幅值为1；直流侧电容电压采样值V_dc1能够准确跟踪直流侧电容电压指令值波动的峰峰值约为0.7V；逆变器能够在单位功率因数下稳定运行，且并网电流采样值i_g的性能较好。

Claims (1)

1.一种级联H桥型光伏并网逆变器的谐波补偿控制方法，所述的级联H桥型光伏逆变器包括N个相同的H桥单元，每个H桥单元都由四个全控型开关器件组成，每个H桥前端各并联一个电解电容，每个电解电容分别与一块光伏电池并联，其特征在于，所述的谐波补偿控制方法包括直流侧电容电压控制、并网电流控制和谐波补偿策略，步骤如下：

步骤1，直流侧电容电压控制

步骤1.1，分别对N个H桥单元的直流侧电容电压和光伏电池输出电流进行采样，得到N个H桥单元的直流侧电容电压采样值和对应的N个H桥单元的光伏电池输出电流采样值，并分别记为V_dci和I_PVi，i＝1,2,…,N；

步骤1.2，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值V_dci和N个H桥单元的光伏电池输出电流采样值I_PVi，分别对N个H桥单元所连接光伏电池进行最大功率点追踪，得到N个H桥单元所连接光伏电池的最大功率点电压i＝1,2,…,N，然后把最大功率点电压作为H桥单元直流侧电容电压指令值；

步骤1.3，使用100Hz陷波器分别对步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值V_dci进行滤波，并将滤波后的N个H桥单元的直流侧电容电压采样值记为V_PVi，i＝1,2,…,N；

步骤1.4，使用N个相同的电压调节器，分别计算得到N个H桥单元的输出功率P_i，并对所有H桥单元的输出功率求和，得到H桥直流侧向交流侧传输的总功率P_T，其计算式分别为：

其中，K_VP为电压调节器的比例系数，K_VI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2，并网电流控制

步骤2.1，分别对电网电压和并网电流进行采样，得到电网电压采样值v_g和并网电流采样值i_g；

步骤2.2，使用数字锁相环对步骤2.1得到的电网电压采样值v_g进行锁相，得到电网电压相位角θ和电网电压幅值V_M；

步骤2.3，把步骤2.1得到的并网电流采样值i_g延迟90度，得到与并网电流采样值i_g正交的信号i_Q，把i_g和i_Q从两相静止垂直坐标系变换到同步旋转坐标系，得到有功电流反馈值I_d和无功电流反馈值I_q，其计算式为：

其中，cos(θ)表示电网电压相位角θ的余弦值，sin(θ)表示电网电压相位角θ的正弦值；

步骤2.4，设逆变器的无功电流指令值给定为0，有功电流指令值的计算式如下：

步骤2.5，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到逆变器的有功调制电压U_d和无功调制电压U_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为电流调节器的比例系数，K_iI为电流调节器的积分系数；

步骤2.6，计算逆变器的总调制电压幅值V_r、总调制电压与电网电压夹角θ_r和N个H桥单元的调制度S_i，i＝1,2,…,N，其计算式分别如下：

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值；

步骤3，谐波补偿策略

将第1,2,…,x个H桥单元的调制度设定介于1～1.27之间，并称之为过调制H桥单元，第x+1,…,N个H桥单元的调制度设定小于1，称之为非过调制H桥单元，x＜N；

所述的谐波补偿策略包括以下步骤：

步骤3.1，给过调制H桥单元的调制波补偿谐波，把其调制波补偿为幅值为1且带有导通角的方波，具体的，第i个过调制H桥单元调制波m_i的计算式为：

其中，π为圆周率，θ_T表示(θ+θ_r+π/2)除以2π的余数，arccos(πS_i/4)表示πS_i/4的反余弦值；

步骤3.2，计算过调制H桥单元所补偿的总谐波电压v_HTP，其计算式为：

步骤3.3，给所有非过调制H桥单元补偿与v_HTP反相的谐波电压v_HTN，其计算式为：

步骤3.4，把v_HTN分配到非过调制H桥单元，第j个H桥单元的分配系数k_j计算如下：

步骤3.5，计算第j个H桥单元的调制波m_j，其计算式如下：