CN107785934B - 五相光伏逆变器系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五相光伏逆变器系统及其控制方法，具体地，该系统包括逆变器、五相滤波器、SVPWM模块、PMU模块以及反馈控制模块；反馈控制模块包括：第一变换器、第二变换器、比较模块以及断路器控制模块；第一变换器通过电流互感器与逆变器的输出端线路相连接，第二变换器与SVPWM模块电气连接，比较模块电气连接于第一变换器和第二变换器之间；比较模块包括比较器和调节器；断路器控制模块包括相位控制器、同频判断器和断路器，在检测电网侧电压和滤波器侧电压同相位并且同频率的状态下，断路器合闸。本发明输出电压及电流中的谐波分量降低，控制更加精确，系统可靠性高，电网稳定性更好，且提高了光伏逆变器的转化效率和并网容量。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，更具体地涉及一种五相光伏逆变器系统及其控制方法。
背景技术
光伏逆变器是光伏发电系统的核心设备，其负责将光伏方阵产生的直流电转化为交流电，供给用户或电网使用。国内主要的光伏系统生产商都有自主知识产权的光伏逆变产品，如安徽颐和、阳光电源和江苏兆伏等。这些光伏逆变器在电路拓扑、控制方法上有各自本身的特点，其性能很大程度上制约了光伏逆变系统的整体效率。其中，目前关于逆变器的研究大都包括光伏阵列最大功率点跟踪(MPPT)、孤岛检测方法、分布式系统对电网影响和无功补偿功能的研究。
由于光伏产业的规模化、产业化发展，光伏逆变器需要满足并网容量大、逆变效率高和电压品质高等要求。因此，原有小容量的太阳能光伏发电系统已经成为制约光伏电站向智能化、模块化发展的瓶颈。
此外，现阶段应用广泛的是三相桥式逆变器，不受容量大小的限制，其拓扑结构简单，三相逆变器包括直流输入单元、逆变单元、滤波器和交流输出单元。逆变单元把直流电逆变成电网电压同频、同幅值的三相交流电。滤波器能够有效地滤掉高频谐波，提高并网电压的质量。
采用的三相逆变器单元在将直流电转化为交流电时，存在着谐波含量高、转换效率低等缺陷。同时，光伏逆变器的并网容量低，不适合大规模、大容量的光伏电站。如何最大限度地利用光伏阵列和光伏逆变器的转化效率是保证光伏发电系统的整体投资和收益的重要因素。
本发明人曾就三相光伏逆变器容量小、转换效率低的问题申请了发明专利《五相光伏逆变器及其控制方法》(申请号：201610169805.8)，但是该专利提及的方法选用的三个非零矢量的方向不同向，所以在一个开关周期Ts内求得非零矢量的作用时间的方程无解，所以该专利提及的控制方法实际应用效果不大。
因此，本领域尚缺乏一种新型有效的光伏逆变器系统及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种五相光伏逆变器系统及其控制方法，该五相光伏逆变器系统的线性调制范围更大，直流电源利用率更高，输出电压及电流中的谐波分量降低，控制更加精确，系统可靠性高，电网稳定性更好，且提高了光伏逆变器的转化效率和并网容量。
在本发明的第一方面提供了一种五相光伏逆变器系统，具体地，该系统包括逆变器、五相滤波器、SVPWM模块、PMU模块以及反馈控制模块；所述PMU模块与所述SVPWM模块电气连接，所述SVPWM模块与所述逆变器电气连接，所述逆变器与所述五相滤波器电气连接，所述反馈控制模块的输入端电气连接于所述逆变器的输出端线路上，所述反馈控制模块的输出端与所述SVPWM模块电气连接；所述逆变器为五相PWM逆变器，所述五相PWM逆变电路的直流输入取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网；所述反馈控制模块包括：第一变换器、第二变换器、比较模块以及断路器控制模块；所述第一变换器通过电流互感器与所述逆变器的输出端线路相连接，所述第二变换器与所述SVPWM模块电气连接，所述比较模块电气连接于所述第一变换器和所述第二变换器之间；所述比较模块包括比较器和调节器；所述断路器控制模块包括相位控制器、同频判断器和断路器，所述相位控制器用于控制检测电网侧电压和滤波器侧电压是否同相位，所述同频判断器用于检测电网侧电压和滤波器侧电压是否同频率，在检测电网侧电压和滤波器侧电压同相位并且同频率的状态下，所述断路器合闸。
在另一优选例中，所述第一变换器为abcde/dq变换器，所述第二变换器为dq/abcde变换器。
在另一优选例中，所述比较器包括第一比较器和第二比较器，且所述第一比较器为减法器，用于比较iq和iq *之间的差异，所述第二比较器为减法器，用于比较id和id *之间的差异。
在另一优选例中，所述第一比较器为减法器，其运算过程为：
在另一优选例中，所述第二比较器为减法器，其运算过程为：
在另一优选例中，所述调节器包括调节器Ⅰ和调节器Ⅱ。
在另一优选例中，所述第一比较器和调节器Ⅰ相串联，且连接于所述第一变换器和所述第二变换器之间，形成第一通路。
在另一优选例中，所述第一通路的连接顺序为所述第一变换器、所述第一比较器、所述调节器Ⅰ以及所述第二变换器。
在另一优选例中，所述第二比较器和调节器Ⅱ相串联，且连接于所述第一变换器和所述第二变换器之间，形成第二通路。
在另一优选例中，所述第二通路的连接顺序为所述第一变换器、所述第二比较器、所述调节器Ⅱ以及所述第二变换器。
在另一优选例中，各相火线均连接有一个所述电流互感器。
在另一优选例中，与任一相火线相连接的所述电流互感器通过锁相器Ⅱ分别连接到所述第一变换器和所述第二变换器；与所述锁相器Ⅱ相连接的火线还连接有电压互感器，所述电压互感器包括第一电压互感器和第二电压互感器，所述第一电压互感器用于检测电网侧电压，所述第二电压互感器用于检测滤波器侧电压。
在另一优选例中，所述五相光伏逆变器系统包括断路器，其中，所述断路器位于所述滤波器的输出端线路上。
在另一优选例中，所述第二电压互感器与锁相器Ⅰ连接，所述第一电压互感器与锁相器Ⅲ连接，所述锁相器Ⅰ和所述锁相器Ⅲ分别与所述相位控制器相连接，所述相位控制器通过“与门”与所述SVPWM模块电气连接，其中，所述相位控制器用于检测网侧电压与滤波器侧电压的相位是否相同；所述第一电压互感器与积分器Ⅰ相连接，所述第二电压互感器与积分器Ⅱ相连接，所述积分器Ⅰ和所述积分器Ⅱ分别与所述同频判断器相连接，所述同频判断器通过所述“与门”与所述SVPWM模块电气连接，其中，所述同频判断器用于检测网侧电压与滤波器侧电压的频率是否相同；当检测网侧电压与滤波器侧电压同频同相时，所述“与门”闭合并通过所述SVPWM模块控制断路器合闸，其中，所述断路器位于所述滤波器的输出端线路上。
在另一优选例中，所述锁相器Ⅰ和所述锁相器Ⅱ分别与调节器Ⅲ相连接。
在另一优选例中，所述调节器Ⅲ的输入端与所述锁相器Ⅰ、所述锁相器Ⅱ相连接，所述调节器Ⅲ的输出端与所述第二比较器相连接。
在另一优选例中，所述锁相器Ⅰ和所述锁相器Ⅱ分别与调节器Ⅳ的输入端相连接；所述调节器Ⅳ的输出端与所述第一比较器相连接。
在另一优选例中，所述abcde/dq变换器与每个所述电流互感器、所述锁相器Ⅱ、所述第一比较器和所述第二比较器相连接。
在另一优选例中，所述dq/abcde变换器与所述调节器Ⅰ、所述调节器Ⅱ、所述锁相器Ⅱ以及所述SVPWM模块相连接。
在另一优选例中，所述SVPWM模块的控制流程为：
a)建立五相光伏逆变器的开关函数：S＝[Sa，Sb，Sc，Sd，Se]，其中，Si＝1表示光伏逆变器相桥臂上开关导通、下开关关断，Si＝0表示上开关关断、下开关导通，其中i＝a，b，c，d或e；
b)建立五相光伏逆变器的极电压方程：
c)建立五相光伏逆变器的电压矢量方程：
d)计算五相光伏逆变器的32个电压矢量，所述32个电压矢量包括大、中、小矢量各10个以及两个零矢量，分布成10个扇区，其中，每个所述扇区包括两个大矢量、两个中矢量、两个小矢量以及一个零矢量；
e)在每一个扇区内选取一个中矢量、两个大矢量和零矢量(00000)进行电压合成，得到期望的参考电压Uref；
f)求出第①、③、⑤、⑦和⑨扇区的电压UMk、UL(k+1)、ULk以及U0的作用时间；第②、④、⑥、⑧和⑩扇区的电压UM(k+1)、UL(k+1)、ULk以及U0的作用时间。
在本发明的第二方面提供了一种五相光伏逆变器系统的控制方法，具体地，该控制方法包括
a)提供如上所述的五相光伏逆变器系统；
b)所述电流互感器采集网侧的五相电流ia、ib、ic、id和ie，将所述五相电流其输送至所述abcde/dq变换器；
c)取任一相的电网侧电压接入所述锁相器Ⅰ和所述积分器Ⅱ，所述锁相器Ⅰ计算该相电压的相角θ1，且所述θ1输出至所述调节器Ⅲ、所述调节器Ⅳ和所述相位控制器，所述积分器Ⅱ计算在规定时间T内网侧电压的积分S2；取该相的电流接入所述锁相器Ⅱ，所述锁相器Ⅱ计算该相电流的相角θ2，且所述θ2输出至所述abcde/dq变换器、所述dq/abcde变换器、所述调节器Ⅲ和所述调节器Ⅳ；取该相的滤波器侧电压接入所述锁相器Ⅲ和所述积分器Ⅰ，所述锁相器Ⅲ计算该相电压的相角θ3，且所述θ3输出至所述相位控制器，所述积分器Ⅰ计算在规定时间T内滤波器侧电压的积分S1；
d)所述abcde/dq变换器根据所述五相电流和相角θ2，完成五相静止坐标系至dq同步旋转坐标系的变换，最终变换为同步旋转坐标系下的直流电流有功分量id和直流电流无功分量iq；
e)所述调节器Ⅲ经过比例-积分-微分运算后输出直流电流分量id*，所述调节器Ⅳ经过比例-积分-微分运算后输出直流电流分量iq*；
f)直流电流分量iq和iq*经所述第一比较器、调节器Ⅰ运算后输出iqref；直流电流分量id和id*经所述第二比较器、调节器Ⅱ运算后输出idref；
g)电流相角θ2、标准参考电流值idref和iqref经过所述dq/abcde变换器变换后输出五相载波电流iaf、ibf、icf、idf和ief至所述SVPWM模块；
h)所述PMU模块通过储存电压矢量控制程序至所述SVPWM模块；所述SVPWM模块通过传递来的载波电流和控制程序控制所述逆变器；
i)所述相位控制器根据θ1和θ2，检测网侧电压与滤波器侧电压的相位是否相同；当满足不等式|θ1-θ2|≤ε1时，我们可以判定网侧电压与滤波器侧电压同相位，其中ε1为设定阀值；
j)所述同频判断器根据所述积分器Ⅰ和所述积分器Ⅱ检测网侧电压与滤波器侧电压的频率是否相同；当满足不等式|S1-S2|≤ε2时，我们可以判定网侧电压与滤波器侧电压的同频率，其中ε2为设定阀值；
k)当检测网侧电压与滤波器侧电压同频同相时，所述“与门”闭合并通过所述SVPWM模块控制所述断路器合闸，最终实现对所述五相光伏逆变系统的控制。
在另一优选例中，所述第一比较器为减法器，其运算过程为：
在另一优选例中，所述第二比较器为减法器，其运算过程为：
在另一优选例中，在所述调节器Ⅲ中进行如下运算处理：
id *＝Icos(θ1-θ2)；其中，I为电网侧额定电流有效值。
在另一优选例中，在所述调节器Ⅳ中进行如下运算处理：
iq *＝Isin(θ1-θ2)；其中，I为电网侧额定电流有效值。
在另一优选例中，所述积分器Ⅰ的计算过程为：
在另一优选例中，所述积分器Ⅱ的计算过程为：
式中T─某一时间段；
u1(t)─滤波器侧电压；
u2(t)─网侧电压。
在另一优选例中，所述abcde/dq变换器经过
变换后，得到所述直流电流有功分量id和所述直流电流无功分量iq。
在另一优选例中，在所述dq/abcde变换器中进行的变换为所述abcde/dq变换器进行变换的反变换。
在另一优选例中，所述SVPWM模块通过如下方法控制所述逆变器：
a)建立五相光伏逆变器的开关函数：S＝[Sa，Sb，Sc，Sd，Se]，其中，Si＝1表示光伏逆变器相桥臂上开关导通、下开关关断，Si＝0表示上开关关断、下开关导通，其中i＝a，b，c，d或e，且a，b，c，d和e分别表示五相电路；
b)建立五相光伏逆变器的极电压方程：
式中ui0表示五相逆变器的输出极电压，Ud表示直流侧稳压电容器两端的电压；
c)建立五相光伏逆变器的电压矢量方程：
式中Ui表示五相交流系统的某一相电压；
d)计算五相光伏逆变器的32个电压矢量，所述32个电压矢量包括大、中、小矢量各10个以及两个零矢量，分布成10个扇区，其中，每个所述扇区包括两个大矢量、两个中矢量、两个小矢量以及一个零矢量；
e)在每一个扇区内选取一个中矢量、两个大矢量和零矢量(00000)进行电压合成，得到期望的参考电压Uref；
f)设在一个开关周期Ts内第k个矢量的作用时间为Tk，建立第k个扇区内矢量平衡方程，其中第①、③、⑤、⑦和⑨扇区的矢量平衡方程为：
从而求出TMk、TL(k+1)、TLk和T0；
其中第②、④、⑥、⑧和⑩扇区的矢量平衡方程为：
从而求出TM(k+1)、TLk、TL(k+1)和T0；
式中：
Uref─要合成的矢量电压；
ULk、UL(k+1)─Uref所在扇区内的大矢量；
UM(k+1)、UMk─Uref所在扇区内的中矢量；
TMk、TM(k+1)、TL(k+1)、TLk、T0─矢量电压对应的作用时间。
在另一优选例中，第①、③、⑤、⑦和⑨扇区的电压UMk、UL(k+1)、ULk以及U0的作用顺序为：U0→UMk→UL(k+1)→ULk→ULk→UL(k+1)→UMk→U0；第②、④、⑥、⑧和⑩扇区的电压UM(k+1)、UL(k+1)、ULk以及U0的作用顺序为：U0→UM(k+1)→ULk→UL(k+1)→UL(k+1)→ULk→UM(k+1)→U0。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
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做简单地介绍，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是本发明一个实例中的五相光伏逆变器系统及其控制电路图。
图2是本发明一个实例中的五相光伏逆变器的空间矢量图。
图3是本发明一个实例中的电压矢量的开关动作状态图。
各附图中，各标示如下：
1-稳压电容器；
2-逆变器；
3-滤波器；
4-断路器；
5-与门；
6-电流互感器；
7-锁相器Ⅰ；
8-锁相器Ⅱ；
9-调节器Ⅲ；
10-abcde/dq变换器；
11-第一比较器；
12-第二比较器；
13-调节器Ⅰ；
14-调节器Ⅱ；
15-dq/abcde变换器；
16-PMU模块；
17-SVPWM模块；
18-第一电压互感器；
19-第二电压互感器；
20-锁相器Ⅲ；
21-积分器Ⅰ；
22-积分器Ⅱ；
23-相位控制器；
24-同频判断器；
25-调节器Ⅳ。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量筛选，首次开发了一种五相光学逆变器系统及其控制方法，与现有技术相比，本发明的五相光学逆变器系统将常规的三相控制系统替换为五相控制系统，并且改进了其控制方法，同时对SVPWM模块的算法进行了改进，使得本发明的五相光学逆变器系统的线性调制范围更大，直流电源利用率更高，输出的电压及电流中的谐波分量降低，控制更加精确，系统可靠性高，电网稳定性更好，且最大限度地提高了光伏逆变器的转化效率和并网容量，在此基础上完成了本发明。
术语
如本文所用，术语“光伏逆变器”是通过电力电子器件(MOSFET、IGBT等)连接电阻、电容，以脉冲宽度调制的方式控制器件的通断，把汇流箱传输来的直流电转变成交流电，同时完成光伏组件的最大功率点跟踪(MPPT)，保证智能控制及反孤岛效应等。
如本文所用，术语“逆变桥”是指采用全桥结构，将直流电转换成工频交流电。
如本文所用，术语“SVPWM”是指是以五相对称正弦波电压供电时五相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以五相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。
由于电力电子技术的发展，多相系统由于其输出功率高、容错性能好的优点也逐步引起重视，本发明的光伏逆变器系统采用五相控制系统来代替常规的三相控制系统，实现低压大功率传输，具体地，它是一种具有特定结构的光伏逆变器系统，包括逆变器、五相滤波器、SVPWM模块、PMU模块以及反馈控制模块，并改进了其保护原理和方法。
典型地，PMU模块与SVPWM模块电气连接，SVPWM模块与逆变器电气连接，逆变器与五相滤波器电气连接，反馈控制模块的输入端电气连接于逆变器的输出端线路上，反馈控制模块的输出端与SVPWM模块电气连接。
具体地，运行时，PMU模块通过储存电压矢量控制程序，把希望得到的波形按比例缩小作为调制信号，本发明的调制信号为正弦波，将调制信号发送给SVPWM模块；同时反馈控制模块通过将网侧的电压、电流变换为接受调制的载波信号，发送给SVPWM模块；SVPWM模块计算比较调制信号和载波信号，并控制逆变器动作，以得到期望的电压信号。
本发明的逆变器为五相PWM逆变器，所述五相PWM逆变电路的直流输入取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网；其中，所述五相PWM逆变器采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个逆变桥的桥臂；两个所述桥臂并联组成单相全桥，直流侧并联稳压电容器，交流侧与电网电连接，构成典型的五相PWM逆变器。
在另一优选例中，每个所述逆变桥的桥臂分为上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂上均设有一个IGBT开关管，所述SVPWM模块控制所述IGBT管的通断，从而得到期望的电压信号。
在另一优选例中，所述IGBT管的数量为10个。
在另一优选例中，所述滤波器为RLC滤波器。
在另一优选例中，所述调制信号为正弦波。
在另一优选例中，所述五相控制系统设有一定的死区时间，用于避免所述上桥臂和所述下桥臂同时导通。
在另一优选例中，五相光伏逆变器系统具有1/4工作方式和2/3工作方式；其中，1/4工作方式是指在某一时刻，五相逆变桥的上桥臂有一相导通，下桥臂有四相导通，或五相逆变桥的上桥臂有四相导通，下桥臂有一相导通；以及2/3工作方式是指在某一时刻，五相逆变桥的上桥臂有两相导通，下桥臂有三相导通，或五相逆变桥的上桥臂有三相导通，下桥臂有两相导通。
在另一优选例中，在1/4工作方式和2/3工作方式中，上桥臂导通的相相邻，以及下桥臂导通的相相邻。
本发明的主要优点包括：
(a)五相控制系统比传统三相系统的调制指数大，因此五相光伏逆变器的线性调制范围更大，直流电源利用率更高；
(b)五相逆变单元输出电压及电流中的谐波分量降低；
(c)当五相中的一相或几相发生故障时，通过适当的控制，光伏逆变器仍可以启动和运行，系统可靠性高；
(d)最大限度地提高了光伏逆变器的转化效率和并网容量；
(e)通过对电压的同频和同相控制，使得本发明的光伏逆变器系统对电网的冲击更小，电网稳定性更好；
(f)调节器Ⅳ通过相位确定iq*，计算结果更加准确；
(g)通过“与门”控制断路器，只有在滤波器前后电压的频率和相位均相同的情况下断路器才导通，使得整个控制系统更加准确；
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受示意图的尺寸或比例限制。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例
本实施例的五相光伏逆变器系统如图1所示，该系统包括逆变器2、五相滤波器3、SVPWM模块17、PMU模块16以及反馈控制模块。PMU模块16通过控制线与SVPWM模块17连接，SVPWM模块17通过控制线与逆变器2连接，逆变器2通过控制线与五相滤波器3相连接，反馈控制模块的输入端通过控制线连接于逆变器2和五项滤波器3之间的控制线上，反馈控制模块的输出端通过控制线与SVPWM模块17连接。运行时，PMU模块16通过储存电压矢量控制程序，把希望得到的波形按比例缩小作为正弦波调制信号，发送给SVPWM模块17；同时反馈控制模块通过将网侧的电压、电流变换为接受调制的载波信号，发送给SVPWM模块17；SVPWM模块17计算比较正弦波调制信号和载波信号，并控制逆变器2动作，以得到期望的电压信号。
本实施例的逆变器2为五相PWM逆变器，所述五相PWM逆变电路的直流输入取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网；其中，所述五相PWM逆变器采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个逆变桥的桥臂；两个所述桥臂并联组成单相全桥，直流侧并联稳压电容器，交流侧与电网电连接，构成典型的五相PWM逆变器。逆变器2的每个逆变桥的桥臂分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂上均设有一个IGBT开关管，共10个IGBT开关管，SVPWM模块17控制IGBT管的通断，从而得到期望的电压信号。五相控制系统设有一定的死区时间，用于避免上桥臂和下桥臂同时导通。滤波器3为RLC滤波器。
反馈控制模块的具体结构为：逆变器2的输出端的各相火线均连接有一个电流互感器6，任一相火线连接有电压互感器，电压互感器包括第一电压互感器18和第二电压互感器19，第二电压互感器19用于检测电网侧电压，第一电压互感器18用于检测滤波器侧电压。第二电压互感器19与锁相器Ⅰ(7)连接，与第一电压互感器18相连接的火线的电流互感器6与锁相器Ⅱ(8)向连接，调节器Ⅲ(9)分别与锁相器Ⅰ(7)、锁相器Ⅱ(8)和第二比较器12连接，第二比较器12同时与调节器Ⅱ(14)和abcde/dq变换器10连接；调节器Ⅳ(25)分别与锁相器Ⅰ(7)、锁相器Ⅱ(8)和第一比较器11连接，第一比较器11与同时与调节器Ⅰ(13)和abcde/dq变换器10连接；abcde/dq变换器10与每个电流互感器6、锁相器Ⅱ(8)、第一比较器11和第二比较器12相连接；dq/abcde变换器15与锁相器Ⅱ(8)、调节器Ⅰ(13)、调节器Ⅱ(14)以及SVPWM模块17相连接。
第一电压互感器18还与锁相器Ⅲ(20)连接，锁相器Ⅰ(7)和锁相器Ⅲ(20)分别与相位控制器23相连接，相位控制器23通过“与门”(5)与SVPWM模块17电气连接，其中，相位控制器23用于检测网侧电压与滤波器侧电压的相位是否相同；第一电压互感器18与积分器Ⅰ(21)相连接，第二电压互感器19与积分器Ⅱ(22)相连接，积分器Ⅰ(21)和积分器Ⅱ(22)分别与同频判断器24相连接，同频判断器24通过“与门”(5)与SVPWM模块17电气连接，其中，同频判断器24用于检测网侧电压与滤波器侧电压的频率是否相同；当检测网侧电压与滤波器侧电压同频同相时，“与门”(5)闭合并通过SVPWM模块17控制断路器4合闸，其中，断路器4位于滤波器3的输出端线路上。
本实施例的五相光伏逆变器系统的控制方法为：电流互感器6采集网侧的五相电流ia、ib、ic、id和ie，将五相电流其输送至abcde/dq变换器10；取任一相的电网侧电压接入锁相器Ⅰ(7)和积分器Ⅱ(22)，锁相器Ⅰ(7)计算该相电压的相角θ1，且θ1输出至调节器Ⅲ(9)、调节器Ⅳ(25)和相位控制器23，积分器Ⅱ(22)计算在规定时间T内网侧电压的积分S2；取该相的电流接入锁相器Ⅱ(8)，锁相器Ⅱ(8)计算该相电流的相角θ2，且θ2输出至abcde/dq变换器10、dq/abcde变换器15、调节器Ⅲ(9)和调节器Ⅳ(25)；取该相的滤波器侧电压接入锁相器Ⅲ(20)和积分器Ⅰ(21)，锁相器Ⅲ(20)计算该相电压的相角θ3，且θ3输出至相位控制器23，积分器Ⅰ(21)计算在规定时间T内滤波器侧电压的积分S1；abcde/dq变换器10根据五相电流和相角θ2，完成五相静止坐标系至dq同步旋转坐标系的变换，最终变换为同步旋转坐标系下的直流电流有功分量id和直流电流无功分量iq；调节器Ⅲ(9)经过比例-积分-微分运算后输出直流电流分量id*，调节器Ⅳ(25)经过比例-积分-微分运算后输出直流电流分量iq*；直流电流分量iq和iq*经第一比较器11、调节器Ⅰ(13)运算后输出iqref；直流电流分量id和id*经第二比较器12、调节器Ⅱ(14)运算后输出idref；电流相角θ2、标准参考电流值idref和iqref经过dq/abcde变换器15变换后输出五相载波电流iaf、ibf、icf、idf和ief至SVPWM模块17；PMU模块16通过储存电压矢量控制程序至SVPWM模块17；SVPWM模块17通过传递来的载波电流和控制程序控制逆变器2；相位控制器23根据θ1和θ2，检测网侧电压与滤波器侧电压的相位是否相同；当满足不等式|θ1-θ2|≤ε1时，我们可以判定网侧电压与滤波器侧电压同相位，其中ε1为设定阀值。同频判断器24根据积分器Ⅰ(21)和积分器Ⅱ(22)检测网侧电压与滤波器侧电压的频率是否相同；当满足不等式|S1-S2|≤ε2时，我们可以判定网侧电压与滤波器侧电压的同频率，其中ε2为设定阀值。
当检测网侧电压与滤波器侧电压同频同相时，“与门”(5)闭合并通过SVPWM模块17控制断路器4合闸，最终实现对五相光伏逆变系统的控制。
其中，在abcde/dq变换器10中经过如下变换：
在dq/abcde变换器15中进行的变换为abcde/dq变换器10的反变换。
第一比较器11为减法器，其运算过程为：iq-iq *；第二比较器12为减法器，其运算过程为：id-id *。
在调节器Ⅲ(9)中进行如下运算处理：id*＝Icos(θ1-θ2)；其中，I为电网侧额定电流有效值；在调节器Ⅳ(25)中进行如下运算处理：iq*＝Isin(θ1-θ2)；其中，I为电网侧额定电流有效值。
积分器Ⅰ(21)的计算过程为：
积分器Ⅱ(22)的计算过程为：
式中T─某一时间段；
u1(t)─滤波器侧电压；
u2(t)─网侧电压。
此外，SVPWM模块17的控制流程和方法为：
设五相逆变单元的开关函数是：
S＝[Sa，Sb，Sc，Sd，Se]；
如果Sa＝1，则表示光伏逆变器系统的a相桥臂上开关导通，下开关关断，输出点对电源中心点O的电压(极电压)是如果Sa＝0，则a相桥臂上开关关断，下开关导通，输出极电压为/>其他各开关函数与之相同。此时，五相逆变器系统的输出极电压用开关函数表示为：/>
五相逆变单元输出线电压可以表示为
因此，电压空间矢量方程为
根据上述定义，经过计算可以共得到32个不同的电压矢量。大、中、小矢量各10个，另外有2个零矢量，空间电压矢量图如图2所示。大、中、小3种幅值的有效矢量分别对应五相逆变单元的不同工作状态。由于小矢量属于伪2/3工作模式，不能在实际中使用，图2暂未标出。在每一个扇区内，本文选取一个中矢量、两个大矢量和零矢量(00000)进行电压合成来得到期望的参考电压Uref。设在一个开关周期Ts内第k个矢量的作用时间为Tk，建立第k个扇区内矢量平衡方程，其中第①、③、⑤、⑦和⑨扇区的矢量平衡方程为：
从而求出TMk、TL(k+1)、TLk和T0；
其中第②、④、⑥、⑧和⑩扇区的矢量平衡方程为：
从而求出TM(k+1)、TLk、TL(k+1)和T0。
在每个扇区中都选用零矢量U0(00000)，因而在每个开关动作周期内总有某一相开关保持低电平。以第1扇区为例，其电压矢量作用顺序为：U0(00000)→UMk(10000)→UL(k+1)(11000)→ULk(11001)→ULk(11001)→UL(k+1)(11000)→UMk(10000)→U0(00000)，其对应开关动作状态如图3所示；以第2扇区为例，其电压矢量作用顺序为：U0(00000)→UM(k+1)(01000)→ULk(11000)→UL(k+1)(11100)→UL(k+1)(11100)→ULk(11000)→UM(k+1)(01000)→U0(00000)，其对应开关动作状态如图3所示。其它各扇区的表达式可以用同样的方法求解。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (18)
1.一种五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述系统包括逆变器、五相滤波器、SVPWM模块、PMU模块以及反馈控制模块；
所述PMU模块与所述SVPWM模块电气连接，所述SVPWM模块与所述逆变器电气连接，所述逆变器与所述五相滤波器电气连接，所述反馈控制模块的输入端电气连接于所述逆变器的输出端线路上，所述反馈控制模块的输出端与所述SVPWM模块电气连接；
所述逆变器为五相PWM逆变器，所述五相PWM逆变电路的直流输入取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网；
所述反馈控制模块包括：第一变换器、第二变换器、比较模块以及断路器控制模块；所述第一变换器通过电流互感器与所述逆变器的输出端线路相连接，所述第二变换器与所述SVPWM模块电气连接，所述比较模块电气连接于所述第一变换器和所述第二变换器之间；所述比较模块包括比较器和调节器；所述断路器控制模块包括相位控制器、同频判断器和断路器，所述相位控制器用于控制检测电网侧电压和滤波器侧电压是否同相位，所述同频判断器用于检测电网侧电压和滤波器侧电压是否同频率，在检测电网侧电压和滤波器侧电压同相位并且同频率的状态下，所述断路器合闸；
所述比较器包括第一比较器和第二比较器，且所述第一比较器为减法器，用于比较iq和iq *之间的差异，所述第二比较器为减法器，用于比较id和id *之间的差异，其中iq为直流电流无功分量；id为直流电流有功分量；iq*和id*为直流电流分量；
与任一相火线相连接的所述电流互感器通过锁相器Ⅱ分别连接到所述第一变换器和所述第二变换器；与所述锁相器Ⅱ相连接的火线还连接有电压互感器，所述电压互感器包括第一电压互感器和第二电压互感器，所述第二电压互感器用于检测电网侧电压，所述第一电压互感器用于检测滤波器侧电压；
所述第二电压互感器与锁相器Ⅰ连接，所述第一电压互感器与锁相器Ⅲ连接，所述锁相器Ⅰ和所述锁相器Ⅲ分别与所述相位控制器相连接，所述相位控制器通过“与门”与所述SVPWM模块电气连接，其中，所述相位控制器用于检测网侧电压与滤波器侧电压的相位是否相同；所述第一电压互感器与积分器Ⅰ相连接，所述第二电压互感器与积分器Ⅱ相连接，所述积分器Ⅰ和所述积分器Ⅱ分别与所述同频判断器相连接，所述同频判断器通过所述“与门”与所述SVPWM模块电气连接，其中，所述同频判断器用于检测网侧电压与滤波器侧电压的频率是否相同；当检测网侧电压与滤波器侧电压同频同相时，所述“与门”闭合并通过所述SVPWM模块控制断路器合闸；
调节器Ⅲ的输入端与所述锁相器Ⅰ、所述锁相器Ⅱ相连接，所述调节器Ⅲ的输出端与所述第二比较器相连接；
所述锁相器Ⅰ和所述锁相器Ⅱ分别与调节器Ⅳ的输入端相连接；所述调节器Ⅳ的输出端与所述第一比较器相连接。
2.如权利要求1所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述第一变换器为abcde/dq变换器，所述第二变换器为dq/abcde变换器。
3.如权利要求1所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述第一比较器为减法器，其运算过程为：
4.如权利要求1所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述第二比较器为减法器，其运算过程为：
5.如权利要求1所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述调节器包括调节器Ⅰ和调节器Ⅱ。
6.如权利要求5所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述第一比较器和所述调节器Ⅰ相串联，且连接于所述第一变换器和所述第二变换器之间，形成第一通路。
7.如权利要求6所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述第一通路的连接顺序为所述第一变换器、所述第一比较器、所述调节器Ⅰ以及所述第二变换器。
8.如权利要求5所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述第二比较器和所述调节器Ⅱ相串联，且连接于所述第一变换器和所述第二变换器之间，形成第二通路。
9.如权利要求8所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述第二通路的连接顺序为所述第一变换器、所述第二比较器、所述调节器Ⅱ以及所述第二变换器。
10.如权利要求1所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，各相火线均连接有一个所述电流互感器。
11.如权利要求1所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述断路器位于所述滤波器的输出端线路上。
12.如权利要求2所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述abcde/dq变换器与每个所述电流互感器、所述锁相器Ⅱ、所述第一比较器和所述第二比较器相连接。
13.如权利要求2所述的五相光伏逆变器系统，其特征在于，所述dq/abcde变换器与调节器Ⅰ、调节器Ⅱ、所述锁相器Ⅱ以及所述SVPWM模块相连接。
14.一种五相光伏逆变器系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括
a)提供如权利要求2所述的五相光伏逆变器系统；
b)所述电流互感器采集网侧的五相电流ia、ib、ic、id和ie，将所述五相电流输送至所述abcde/dq变换器；
c)取任一相的电网侧电压接入所述锁相器Ⅰ和所述积分器Ⅱ，所述锁相器Ⅰ计算该相电压的相角θ1，且所述θ1输出至所述调节器Ⅲ、所述调节器Ⅳ和所述相位控制器，所述积分器Ⅱ计算在规定时间T内网侧电压的积分取该相的电流接入所述锁相器Ⅱ，所述锁相器Ⅱ计算该相电流的相角θ2，且所述θ2输出至所述abcde/dq变换器、所述dq/abcde变换器、所述调节器Ⅲ和所述调节器Ⅳ；取该相的滤波器侧电压接入所述锁相器Ⅲ和所述积分器Ⅰ，所述锁相器Ⅲ计算该相电压的相角θ3，且所述θ3输出至所述相位控制器，所述积分器Ⅰ计算在规定时间T内滤波器侧电压的积分/>
d)所述abcde/dq变换器根据所述五相电流和相角θ2，完成五相静止坐标系至dq同步旋转坐标系的变换，最终变换为同步旋转坐标系下的直流电流有功分量id和直流电流无功分量iq；
e)所述调节器Ⅲ经过比例-积分-微分运算后输出直流电流分量id *，所述调节器Ⅳ经过比例-积分-微分运算后输出直流电流分量iq *；
f)直流电流分量iq和iq *经所述第一比较器、调节器Ⅰ运算后输出iqref；直流电流分量id和id *经所述第二比较器、调节器Ⅱ运算后输出idref；
g)电流相角θ2、标准参考电流值idref和iqref经过所述dq/abcde变换器变换后输出五相载波电流iaf、ibf、icf、idf和ief至所述SVPWM模块；
h)所述PMU模块通过储存电压矢量控制程序至所述SVPWM模块；所述SVPWM模块通过传递来的载波电流和控制程序控制所述逆变器；
i)所述相位控制器根据θ1和θ2，检测网侧电压与滤波器侧电压的相位是否相同；当满足不等式|θ1-θ2|≤ε1时，判定网侧电压与滤波器侧电压同相位，其中ε1为设定阈值；
j)所述同频判断器根据所述积分器Ⅰ和所述积分器Ⅱ检测网侧电压与滤波器侧电压的频率是否相同；当满足不等式|S1-S2|≤ε2时，判定网侧电压与滤波器侧电压的同频率，其中ε2为设定阈值；
k)当检测网侧电压与滤波器侧电压同频同相时，所述“与门”闭合并通过所述SVPWM模块控制所述断路器合闸，最终实现对所述五相光伏逆变系统的控制；
其中，在所述调节器Ⅲ中进行如下运算处理：
id *＝Icos(θ1-θ2)；其中，I为电网侧额定电流有效值；
在所述调节器Ⅳ中进行如下运算处理：
iq *＝Isin(θ1-θ2)；其中，I为电网侧额定电流有效值；
所述积分器Ⅰ的计算过程为：
所述积分器Ⅱ的计算过程为：
15.如权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述abcde/dq变换器经过
变换后，得到所述直流电流有功分量id和所述直流电流无功分量iq。
16.如权利要求15所述的控制方法，其特征在于，在所述dq/abcde变换器中进行的变换为所述abcde/dq变换器进行变换的反变换。
17.如权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述SVPWM模块通过如下方法控制所述逆变器：
a)建立五相光伏逆变器的开关函数：S＝[Sa，Sb，Sc，Sd，Se]，其中，Si＝1表示光伏逆变器相桥臂上开关导通、下开关关断，Si＝0表示上开关关断、下开关导通，其中i＝a，b，c，d或e；
b)建立五相光伏逆变器的极电压方程：
式中，ui0表示五相逆变器的输出极电压；Ud表示直流侧稳压电容器两端的电压；
c)建立五相光伏逆变器的电压矢量方程：
d)计算五相光伏逆变器的32个电压矢量，所述32个电压矢量包括大、中、小矢量各10个以及两个零矢量，分布成10个扇区，其中，每个所述扇区包括两个大矢量、两个中矢量、两个小矢量以及一个零矢量；
e)在每一个扇区内选取一个中矢量、两个大矢量和零矢量(00000)进行电压合成，得到期望的参考电压Uref；
f)设在一个开关周期Ts内第k个矢量的作用时间为Tk，建立第k个扇区内矢量平衡方程，其中第①、③、⑤、⑦和⑨扇区的矢量平衡方程为：
从而求出TMk、TL(k+1)、TLk和T0；
其中第②、④、⑥、⑧和⑩扇区的矢量平衡方程为：
从而求出TM(k+1)、TLk、TL(k+1)和T0；
式中：
Uref─要合成的矢量电压；
ULk、UL(k+1)─Uref所在扇区内的大矢量；
UM(k+1)或UMk─Uref所在扇区内的中矢量；
TLk、TL(k+1)、TM(k+1)或TMk、T0─矢量电压对应的作用时间。
18.如权利要求17所述的控制方法，其特征在于，第①、③、⑤、⑦和⑨扇区的电压UMk、UL(k+1)、ULk以及U0的作用顺序为：U0→UMk→UL(k+1)→ULk→ULk→UL(k+1)→UMk→U0；第②、④、⑥、⑧和⑩扇区的电压UM(k+1)、UL(k+1)、ULk以及U0的作用顺序为：U0→UM(k+1)→ULk→UL(k+1)→UL(k+1)→ULk→UM(k+1)→U0。
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