CN109802434A - 三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统 - Google Patents
三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统，控制系统包括a/b/c三相功率计算模块、零序电压相位生成模块、零序电压幅值生成模块、零序电压基准值生产模块、a/b/c三相调制信号校正模块以及信号调制器等模块。本发明实现了在三相光伏电池输出功率不平衡的情况下，通过在逆变器基准电压中注入零序电压，实现输出的并网电流均衡注入电网，使得并网各相电流的平衡度满足相关标准的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统，属于电力电子变换器控制领域。
背景技术
级联并网逆变器在可以采用输出电压较低的光伏电池组作为级联单元输入电源，采用移相控制的方式实现输出电压的叠加。一方面通过级联数量的增加实现了逆变器输出电压与电网电压的匹配，另一方面级联逆变器输出电压中谐波含量小，采用容量较小的电感与电容就可以实现较高的并网电流质量。由于上述因素，级联并网逆变器在光伏发电系统中得到了广泛的应用。
级联单元采用光伏电池组供电的三相并网逆变器，n个级联模块可以产生2n+1电平的输出电压，整个三相逆变器的光伏电池组数量为3n。在云层阴影、电池面板异物、安装角度差异的情况下，不同光伏电池组输出功率不一致时，逆变器三相桥臂对应的输出功率将存在差异，由于电网三相电压平衡，功率差异直接造成进网的三相电流之间存在差异，而在相关并网发电标准规定中，每相的电流不平衡度不能超过10％。
因此在三相光伏电池组输出功率存在差异的情况下，需要采取特定的控制方法来实现三相逆变器各相输出电流的平衡是非常必要的，本方案由此产生。
发明内容
发明目的：提供一种三相级联光伏逆变器的并网电流平衡控制系统，使得三相级联光伏逆变器的并网电流平衡度满足相关标准的要求。
技术方案：一种级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统，包括a相功率计算模块、b相功率计算模块、c相功率计算模块、零序电压相位生成模块、零序电压幅值生成模块、零序电压基准值生成模块、a相调制信号校正模块、b相调制信号校正模块、c相调制信号校正模块以及信号调制器。
其中a相功率计算模块包括n个乘法器，对应乘法器a1～乘法器an，乘法器ai(i＝1…n)的第一输入端与第二输入端分别接a相桥臂中的第ai(i＝1…n)个光伏电池组的输出电压信号与输出电流信号；加法器A的n个输入端分别连接乘法器a1～乘法器an的输出端；
b相功率计算模块、c相功率计算模块与a相功率计算模块内部结构、功能均相同，其对应的输入信号分别来自于b相桥臂中的第bi(i＝1…n)个光伏电池组、c相桥臂中的第ci(i＝1…n)个光伏电池组的输出电压信号与输出电流信号；
零序电压相位生成模块包括第一平均值模块与零序电压相位计算模块，第一平均值模块的三个输入端分别接a相功率计算模块的输出端、b相功率计算模块的输出端、c相功率计算模块的输出端；零序电压相位计算模块的三个输入端分别接a相功率计算模块的输出端、b相功率计算模块的输出端、第一平均值模块的输出端；
零序电压幅值生成模块包括有效值计算模块、第二平均值模块、第一减法器、PI调节器；有效值计算模块的三个输入端分别接逆变器输出三相电流信号，第二平均值模块的三个输入端分别接有效值计算模块的三个输出端，第一减法器的正输入端接第二平均值模块的输出端，第一减法器的负输入端接有效值计算模块的第一输出端，第一减法器的输出端接PI调节器的输入端；
零序电压基准值生成模块的第一、第二输入端分别接零序电压相位计算模块的输出端与PI调节器的输出端；
a相调制信号校正模块包括加法器a1～加法器an，加法器ai(i＝1…n)的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的调制信号dai(i＝1…n)，加法器ai(i＝1…n)的第二输入端均连接到零序电压基准值生成模块的输出端；
b相调制信号校正模块、c相调制信号校正模块的结构和功能与a相调制信号校正模块相同，其中对应的加法器bi(i＝1…n)的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的占空比信号dbi(i＝1…n)，加法器ci(i＝1…n)的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的占空比信号dci(i＝1…n)，加法器bi(i＝1…n)、加法器ci(i＝1…n)的第二输入端均连接到零序电压基准值生成模块的输出端；
信号调制器的输入端共计3n个，分别连接到加法器ai(i＝1…n)、加法器bi(i＝1…n)、加法器ci(i＝1…n)的输出端，信号调制器的输出端作为三相级联光伏逆变器的开关管驱动信号。
三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统中，基于传统的并网电流控制方法不能解决进网电流平衡性的问题，因此在逆变器的调制信号中引入零序电压，改变逆变器各相注入电网的有功功率与无功功率，在保证并网各相电流幅值相同，从而实现各相并网电流的均衡。
进一步的，设a相功率计算模块、b相功率计算模块的输出电压分别为Pa、Pb，第一平均值模块的输出电压为Pm，零序电压相位计算模块的输出信号为β，则：
进一步的，设零序电压相位生成模块的输出信号为β，零序电压幅值生成模块的输出信号为Iz，则零序电压基准值生成模块的输出信号为dz：
dz＝Izsin(2πfgt+β)，
其中fg为电网电压的频率，t是时间值。
有益效果：本发明提供的三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统，保证了逆变器的不同相中光伏电池组出现功率差异的情况下，实现各相电流均衡入网，使得逆变器的运行情况满足相关标准的要求。
附图说明
图1为本发明实施例中三相级联光伏逆变器的主电路结构示意图；
图2为本发明实施例中三相级联光伏逆变器的传统策略控制框图；
图3为本发明实施例的框图；
图4为本发明实施例中三相级联光伏逆变器的等效示意图；
图5为本发明实施例中正序输出电压、电感电压、电感电流、电网电压之间的关系示意图；
图中符号名称：PVai(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器a相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组；PVbi(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器b相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组；PVci(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器c相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组；La-Lc——三相级联光伏逆变器输出端a相-c相的滤波电感；iLa-iLc——三相级联光伏逆变器输出端a相-c相的并网电流；ea-ec——a相-c相的电网电压；Uai(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器a相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压；Ubi(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器b相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压；Uci(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器c相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压；Iai(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器a相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电流；Ibi(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器b相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电流；Ici(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器c相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电流；Uair(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器a相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压基准值；Ubir(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器b相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压基准值；Ucir(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器c相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压基准值；Uaie(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器a相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压与对应基准值的误差值；Ubie(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器b相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压与对应基准值的误差值；Ucie(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器c相桥臂中第i(i＝1…n)个光伏电池组对应的输出电压与对应基准值的误差值；Uaim(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器a相桥臂中第i(i＝1…n)个级联单元调制信号的幅值；Ubim(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器b相桥臂中第i(i＝1…n)个级联单元调制信号的幅值；Ucim(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器c相桥臂中第i(i＝1…n)个级联单元调制信号的幅值；da-dc——三相级联光伏逆变器a相-c相桥臂交流调制信号；dai(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器a相桥臂第i(i＝1…n)个级联单元的调制信号；dbi(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器b相桥臂第i(i＝1…n)个级联单元的调制信号；dci(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器c相桥臂第i(i＝1…n)个级联单元的调制信号；iLd——三相级联光伏逆变器输出电流d轴分量；iLq——三相级联光伏逆变器输出电流q轴分量；idref——三相级联光伏逆变器输出d轴电流基准值；iqref——三相级联光伏逆变器输出q轴电流基准值；dd——三相级联光伏逆变器输出d轴调制信号；dq——三相级联光伏逆变器输出q轴调制信号；Pai(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器a相桥臂第i(i＝1…n)个光伏电池组输出功率；Pbi(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器b相桥臂第i(i＝1…n)个光伏电池组输出功率；Pci(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器c相桥臂第i(i＝1…n)个光伏电池组输出功率；Pa-Pc——三相级联光伏逆变器a相-c相桥臂光伏电池组输出的总功率；ILa-ILc——三相级联光伏逆变器输出端a相-c相的并网电流的有效值；ILm——三相级联光伏逆变器输出端a相-c相的并网电流有效值的平均值；ILe——三相级联光伏逆变器并网电流有效值的平均值与a相电流有效值的差值；Iz——三相级联光伏逆变器输出零序电压基准幅值；β——三相级联光伏逆变器输出零序电压基准的相位值；dz——三相级联光伏逆变器输出零序电压基准的调制信号；dami(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器采用本发明实施例后a相桥臂第i(i＝1…n)个级联单元的调制信号；dbmi(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器采用本发明实施例后b相桥臂第i(i＝1…n)个级联单元的调制信号；dcmi(i＝1…n)——三相级联光伏逆变器采用本发明实施例后c相桥臂第i(i＝1…n)个级联单元的调制信号。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，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，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
三相级联光伏逆变器主电路结构示意图如图1所示，每一相由n个级联单元串联而成，级联单元采用桥式电路组成，且采用n组独立的光伏电池组分别进行供电，三相级联光伏逆变器每一相可输出2n+1电平，有效降低了输出电压中的谐波含量，因此可采用单电感进行滤波实现并网。
图2为三相级联光伏逆变器的传统策略控制框图，图中共有3个虚线框，分别表示a相、b相、c相对应的控制框图，由于b相、c相在虚线框中的控制框图与a相类似，为简化框图显示，仅给出了a相具体的框图。a相桥臂中的每一组光伏电池均有相应的最大功率点跟踪(MPPT)控制器，MPPT控制器根据每一组光伏电池的电压Uai(i＝1…n)、电流Iai(i＝1…n)得到对应的光伏电池组电压基准值Uair(i＝1…n)。经过各自对应的PI调节器得到三相级联光伏逆变器a相桥臂中第i(i＝1…n)个级联单元调制信号的幅值Uaim(i＝1…n)。将a、b、c三相桥臂中各光伏电池组的基准电压与实际电压的误差之和进行闭环调节得到逆变器并网电流d轴分量的基准值idref。由abc/dq转换器得到并网电流在d轴与q轴的电流分量iLd与iLq。对d轴电流、q轴电流分别进行闭环调节，得到三相级联光伏逆变器输出电流的d轴、q轴调制信号dd、dq，再经过dq/abc转换器得到三相级联光伏逆变器k(k＝a,b,c)相桥臂交流调制信号dk(k＝a,b,c)。信号dk(k＝a,b,c)与信号Uaim(i＝1…n)对应相乘得到传统策略控制下级联单元的调理信号dai(i＝1…n)。最后a相、b相、c相的调理信号经过信号调制器得到各开关管的驱动信号。
图3为三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统框图，包括a相功率计算模块、b相功率计算模块、c相功率计算模块、零序电压相位生成模块、零序电压幅值生成模块、零序电压基准值生成模块、a相调制信号校正模块、b相调制信号校正模块、c相调制信号校正模块以及信号调制器。
其中a相功率计算模块包括n个乘法器，对应乘法器a1～乘法器an，乘法器ai(i＝1…n)的第一输入端与第二输入端分别接a相桥臂中的第ai(i＝1…n)个光伏电池组的输出电压信号与输出电流信号；加法器A的n个输入端分别连接乘法器a1～乘法器an的输出端；b相功率计算模块、c相功率计算模块与a相功率计算模块内部结构、功能均相同，其对应的输入信号分别来自于b相桥臂中的第bi(i＝1…n)个光伏电池组、c相桥臂中的第ci(i＝1…n)个光伏电池组的输出电压信号与输出电流信号；零序电压相位生成模块包括第一平均值模块与零序电压相位计算模块，第一平均值模块的三个输入端分别接a相功率计算模块的输出端、b相功率计算模块的输出端、c相功率计算模块的输出端；零序电压相位计算模块的三个输入端分别接a相功率计算模块的输出端、b相功率计算模块的输出端、第一平均值模块的输出端；零序电压幅值生成模块包括有效值计算模块、第二平均值模块、第一减法器、PI调节器；有效值计算模块的三个输入端分别接逆变器输出三相电流信号，第二平均值模块的三个输入端分别接有效值计算模块的三个输出端，减法器的正输入端接第二平均值模块的输出端，减法器的负输入端接有效值计算模块的第一输出端，减法器的输出端接PI调节器的输入端；零序电压基准值生成模块的第一、第二输入端分别接零序电压相位计算模块的输出端与PI调节器的输出端；a相调制信号校正模块由加法器a1～加法器an组成，加法器ai(i＝1…n)的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的调制信号dai(i＝1…n)，加法器ai(i＝1…n)的第二输入端均连接到零序电压基准值生成模块的输出端；b相调制信号校正模块、c相调制信号校正模块的结构和功能与a相调制信号校正模块相同，其中对应的加法器bi(i＝1…n)的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的占空比信号dbi(i＝1…n)，加法器ci(i＝1…n)的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的占空比信号dci(i＝1…n)，加法器bi(i＝1…n)、加法器ci(i＝1…n)的第二输入端均连接到零序电压基准值生成模块的输出端；信号调制器的输入端共计3n个，分别连接到加法器ai(i＝1…n)、加法器bi(i＝1…n)、加法器ci(i＝1…n)的输入端，信号调制器的输出端作为三相级联光伏逆变器的开关管驱动信号。
本发明是在三相级联光伏逆变器的调制信号中注入零序电压调制信号，因此三相级联逆变器的输出电压中就包含正序电压uk(k＝a,b,c)与零序电压uz两个成分，因此三相级联光伏逆变器的等效示意图如图4所示。根据图中关系，得三相电流的大小如下：
式中，uN为三相级联光伏逆变器的公共点N处的电位。由于iLa+iLb+iLc＝0，ea+eb+ec＝0，在实际控制时，保证ua+ub+uc＝0，则可得uN＝-uz，因此三相并网电流关系可变为
因此在三相级联光伏逆变器的调制信号中插入合适的零序电压分量后，只要保证逆变器输出电压中的正序分量对称，就可以保证逆变器输出的并网电流平衡。而实现各相中光伏电池组的输出功率与各相向电网输出功率的平衡，则需要确定合适的零序电压。
电网电压正常情况下平衡，因此令令逆变器输出正序分量令并网电流与电网同相正序输出电压、电感电压、电感电流、电网电压之间的关系如图5所示，则可得到
由于a、b、c三相对称，则逆变器输出正序分量输出的有功功率与无功功率相等
在逆变器输出正序电压对称的情况下，虽然并网电流与零序电压的大小与零序电压无关，但是逆变器各相的零序电压分量却可以输出有功功率与无功功率。令根据a、b、c三相的电流大小，得到每一相的零序电压输出的有功功率与无功功率为
则可得到a、b、c三相桥臂向电网输出的有功总功率与无功总功率分别为
对(7)式三项求和，得到
将(7)式中的前两项求比，得
令其中得到
再根据有功功率的表达式得到零序电压幅值。但本文将逆变器输出电流中的一相与平均电流比较，通过闭环得到零序电压基准的幅值Iz，如图3中的零序电压幅值生成模块所示。需要说明的是，在控制器设计时，假定逆变器的损耗为零，式(11)中的功率值是根据光伏电池的输出功率求和得到的，这在图3中也有所体现。
最终，根据零序电压的相位与幅值，得到零序电压的调制信号：
dz＝Izsin(2πfgt+β) (12)
其中fg为电网电压的频率，t是时间值。
综上所述，本发明通过检测三相级联逆变器中各光伏电池组的输出功率情况，在逆变器的调制信号中注入零序电压，零序电压的相位由光伏电池的输出功率情况决定，零序电压的幅值由并网电流的平衡度来决定。在三相级联光伏逆变器采用本发明实施的并网电流均衡控制策略以后，在逆变器各相光伏电池输出功率不平衡的情况下，可以有效保证并网电流的平衡度达到相关标准的要求。
Claims (4)
1.一种三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统，其特征在于：包括a相功率计算模块、b相功率计算模块、c相功率计算模块、零序电压相位生成模块、零序电压幅值生成模块、零序电压基准值生成模块、a相调制信号校正模块、b相调制信号校正模块、c相调制信号校正模块以及信号调制器。
2.如权利要求1所述的三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统，其特征在于：所述a相功率计算模块包括n个乘法器和一个加法器，即乘法器a1～an和加法器A，乘法器ai的第一输入端与第二输入端分别接a相桥臂中的第ai个光伏电池组的输出电压信号与输出电流信号，其中i＝1…n；加法器A的n个输入端分别连接乘法器a1～乘法器an的输出端；
b相功率计算模块、c相功率计算模块与a相功率计算模块的内部结构、功能均相同，其对应的输入信号分别来自于b相桥臂中的第bi个光伏电池组、c相桥臂中的第ci个光伏电池组的输出电压信号与输出电流信号，其中i＝1…n；
零序电压相位生成模块包括第一平均值模块与零序电压相位计算模块，第一平均值模块的三个输入端分别接a相功率计算模块的输出端、b相功率计算模块的输出端、c相功率计算模块的输出端；零序电压相位计算模块的三个输入端分别接a相功率计算模块的输出端、b相功率计算模块的输出端、第一平均值模块的输出端；
零序电压幅值生成模块包括有效值计算模块、第二平均值模块、第一减法器、PI调节器；有效值计算模块的三个输入端分别接逆变器输出的三相电流信号，第二平均值模块的三个输入端分别接有效值计算模块的三个输出端，第一减法器的正输入端接第二平均值模块的输出端，第一减法器的负输入端接有效值计算模块的第一输出端，第一减法器的输出端接PI调节器的输入端；
零序电压基准值生成模块的第一、第二输入端分别接零序电压相位计算模块的输出端与PI调节器的输出端；
a相调制信号校正模块包括加法器a1～加法器an，加法器ai的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的调制信号dai，加法器ai的第二输入端均连接到零序电压基准值生成模块的输出端，其中i＝1…n；
b相调制信号校正模块、c相调制信号校正模块的结构与功能与a相调制信号校正模块相同，其中对应的加法器bi的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的占空比信号dbi，加法器ci的第一输入端分别连接到常规控制策略控制得到的占空比信号dci，加法器bi、加法器ci的第二输入端均连接到零序电压基准值生成模块的输出端，其中i＝1…n；
信号调制器的输入端共计3n个，分别连接到加法器ai、加法器bi、加法器ci的输出端，信号调制器的输出端作为三相级联光伏逆变器的开关管驱动信号。
3.如权利要求1所述的三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统，其特征在于：设a相功率计算模块、b相功率计算模块的输出电压分别为Pa、Pb，第一平均值模块的输出电压为Pm，零序电压相位计算模块的输出信号为β，则：
4.如权利要求1所述的三相级联光伏逆变器并网电流均衡控制系统，其特征在于：设零序电压相位生成模块的输出信号为β，零序电压幅值生成模块的输出信号为Iz，则零序电压基准值生成模块的输出信号为dz：
dz＝Izsin(2πfgt+β)，
其中fg为电网电压的频率，t是时间值。
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