CN110086196B - 一种弱电网下单相级联h桥并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱电网下单相级联H桥并网逆变器控制方法，其目的是实现级联型光伏逆变器在极弱电网下的稳定运行。该方法包括如下步骤：(1)直流侧电压控制，实现各H桥单元直流侧电压跟踪其最大功率点电压；(2)下垂控制，通过下垂控制方程和交流电压环得到网侧电流控制指令；(3)网侧电流控制，能够实现有功电流和无功电流的独立控制，同时产生逆变器调制信号。该控制方法结合了下垂控制策略和最大功率跟踪两种方法的优点，不但能够扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围，而且能够实现各H桥单元的最大功率跟踪。

Description

一种弱电网下单相级联H桥并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及一种弱电网下单相级联H桥光伏并网逆变器控制方法，属于级联型光伏逆变器控制技术领域。

背景技术

光伏并网发电由于提供清洁能源，且环境友好而备受关注。面对如何提高光伏系统效率、降低发电成本等问题，级联H桥多电平逆变器由于其模块化易拓展、系统效率高、并网电流总谐波失真小等优势而成为研究的热点。

级联H桥光伏逆变器由于其输出直接并入电网，省去了并网端的升压变压器，提高了光伏发电系统的整体效率。然而，大规模新能源发电系统常常安装在偏远地区，且新能源发电系统渗透率也不断增加，因此导致新能源发电系统常常连接于末端弱电网，而这一区域电网阻抗常常会因线路阻抗、并网机组数量、负载以及系统运行方式等因素的变化而发生变化。在这种具有阻抗变化特性的弱电网下，级联H桥光伏逆变器由于其输出阻抗小，采用传统电流源模式并网易发生振荡。因此，研究弱电网下级联H桥光伏并网逆变器的控制方法具有突出的工程意义。

目前，国内外学者针对弱电网下光伏逆变器的控制方法研究较多。如2010年文献“Control of variable pitch,variable speed wind turbine in weak grid systems”Xibo Yuan，Jianyun Chai，Yongdong Li，2010IEEE Energy Conversion Congress andExposition，pp.3778-3785，12-16Sept.2010.(“风机在弱电网系统下的变桨、变速控制”，2010年9月12日至16日召开的IEEE能源转换会议和博览会收录，第3778-3785页)提出在弱电网条件下，逆变器可以直接采用基于下垂控制的电压源并网控制模式，以实现逆变器并网的稳定控制。但该方法针对集中式逆变器，未研究级联型逆变器在弱电网下的稳定控制。

文献华北电力大学博士论文2016年“阿曼.基于虚拟同步发电机控制的级联H桥多电平逆变器”提出了一种级联H桥逆变器的虚拟同步发电机控制方法，使得逆变器能够按照并联运行方式下所占系统比例自动调节所分担的功率值。但该方法控制的逆变器处于离网带载状态，未研究级联型逆变器并网控制方法。

2019年IEEE文献“Stability Analysis for the Grid-Connected Single-PhaseAsymmetrical Cascaded Multilevel Inverter With SRF-PI Current Control UnderWeak Grid Conditions”Yang Han，Hao Chen，Zipeng Li，Ping Yang，Lin Xu，JosepM.Guerrero，《IEEE Transactions on Power Electronics》，2019，34(3),2052-2069(“弱电网条件下基于单同步坐标系比例积分电流控制的单相不对称级联多电平并网逆变器的稳定性分析”，《IEEE学报-电力电子期刊》2019年第34卷第3期2052-2069页)通过建立级联多电平并网逆变器的阻抗模型，根据阻抗稳定判据来设计弱电网条件下逆变器的控制参数。但在电网相当弱的时候，采用该方法会造成并网逆变器的稳定裕度和控制带宽显著降低，逆变器无法稳定运行。

综上所述，现有弱电网下级联H桥光伏并网逆变器的控制方法主要存在如下问题：

(1)现有技术研究的弱电网下光伏并网逆变器控制方法多针对集中式全桥逆变器，较少涉及级联型系统。

(2)现有技术研究的级联H桥多电平逆变器虚拟同步控制方法针对的是逆变器离网控制，较少涉及逆变器并网控制。

(3)现有技术研究的弱电网下级联H桥多电平并网逆变器控制方法采用小信号建模方法推导出弱电网下逆变器的阻抗模型，通过阻抗稳定判据来设计逆变器的控制参数。该方法参数设计复杂，不利于工程实现。此外在电网相当弱的时候，采用该方法逆变器无法稳定运行。

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，针对弱电网下单相级联H桥光伏并网逆变器稳定控制这一问题，提出一种弱电网下单相级联H桥并网逆变器控制方法。该方法采用下垂控制策略，不仅能实现弱电网下级联H桥光伏并网逆变器稳定运行，而且能实现各H桥单元的最大功率跟踪。

为解决本发明的技术问题，本发明提供一种弱电网下单相级联H桥并网逆变器控制方法，所述的单相级联H桥并网逆变器由N个带有光伏组件的H桥单元、滤波电感L_S和滤波电容C_f组成，本控制方法包括直流侧电压控制、下垂控制和网侧电流控制，步骤如下：

步骤1，直流侧电压控制

步骤1.1，对每个H桥单元的直流侧电压采样并依次经过100Hz陷波器滤波，得到N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_PVi，i＝1,2,3...N；采样N个H桥单元的直流侧电流实际值并记为I_PVi，i＝1,2,3...N；采样滤波电感电流实际值并记为I_L；采样滤波电容电压实际值并记为V_o；采样电网电流实际值并记为I_S；

步骤1.2，通过对每个H桥单元直流侧电压实际值V_PVi进行最大功率点跟踪控制，得到N个H桥单元的直流侧电压指令值并记为V_PVi ^*，其中，i＝1,2,3...N；

步骤1.3，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi和步骤1.2得到的N个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVi ^*，通过直流电压调节器，计算得到每个H桥单元的有功功率P_i，其中i＝1,2,3...N，其计算式为：

其中，K_VP为直流电压调节器比例系数，K_VI为直流电压调节器积分系数，i＝1,2,3...N，s为拉普拉斯算子；

步骤1.4，根据步骤1.3得到的N个H桥单元的有功功率P_i计算得到N个H桥单元的有功功率之和并记为P_T，其计算式为：

步骤2，下垂控制

步骤2.1，将步骤1.1中采样得到的滤波电容电压实际值V_o通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的滤波电容电压有功分量V_od和滤波电容电压无功分量V_oq；

步骤2.2，将步骤1.1中采样得到的电网电流实际值I_S通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量I_Sd和电网电流无功分量I_Sq；

步骤2.3，根据步骤2.1得到的滤波电容电压有功分量V_od、滤波电容电压无功分量V_oq和步骤2.2得到的电网电流有功分量I_Sd、电网电流无功分量I_Sq，通过计算并经一阶低通滤波器滤波，得到逆变器输出平均有功功率P_o和平均无功功率Q_o，其计算式为：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数；

步骤2.4，根据步骤1.4得到的N个H桥单元的有功功率之和P_T和步骤2.3得到的逆变器输出平均有功功率P_o经有功功率-频率下垂控制方程计算得到逆变器的输出角频率ω_o，输出角频率ω_o经过积分得到逆变器的输出相角θ_o，其有功功率-频率下垂控制方程为：

ω_o＝ω^*+m(P_T-P_o)

其中ω^*为电网同步角频率，m为有功下垂系数；

步骤2.5，根据步骤2.3得到的逆变器输出平均有功功率Q_o经无功功率-电压下垂控制方程计算得到滤波电容电压有功分量参考值

和滤波电容电压无功分量参考值

其无功功率-电压下垂控制方程为：

其中E为参考电动势，n为无功下垂系数，Q^*为上层给定无功功率指令；

步骤2.6，根据步骤2.1得到的滤波电容电压有功分量V_od、滤波电容电压无功分量V_oq和步骤2.5得到的滤波电容电压有功分量参考值

滤波电容电压无功分量参考值

分别通过有功交流电压调节器和无功交流电压调节器，计算得到滤波电感电流有功分量参考值

和滤波电感电流无功分量参考值

其计算式为：

其中，K_VP1为交流电压调节器比例系数，K_VI1为交流电压调节器积分系数；

步骤3，网侧电流控制

步骤3.1，将步骤1.1中采样得到的滤波电感电流实际值I_L通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的滤波电感电流有功分量I_Ld和滤波电感电流无功分量I_Lq；

步骤3.2，根据步骤2.6得到的滤波电感电流有功分量参考值

滤波电感电流无功分量参考值

和步骤3.1得到的滤波电感电流有功分量I_Ld、滤波电感电流无功分量I_Lq，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为电流调节器比例系数，K_iI为电流调节器积分系数；

步骤3.3，根据步骤3.2得到的d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q通过虚拟同步旋转反坐标变换得到逆变器总调制波电压V_r；

步骤3.4，根据步骤1.3得到的N个H桥单元的有功功率P_i和步骤1.4得到的N个H桥单元的有功功率之和P_T计算每个H桥单元的功率分配系数Factor_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

步骤3.5，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi，步骤3.3得到的逆变器总调制波电压V_r和步骤3.4得到的N个H桥单元功率分配系数Factor_i，计算每个H桥单元的调制波电压V_ri，i＝1,2,3...N，其计算式为：

与现有技术相比，本发明公开的一种弱电网下单相级联H桥并网逆变器控制方法，采用下垂控制策略实现弱电网下光伏逆变器的稳定运行，其有益效果具体体现在：

1、本发明提出的方法可以实现级联型光伏逆变器在极弱电网下的稳定运行。

2、本发明提出的方法结合了下垂控制策略和最大功率跟踪两种方法的优点，不但能够扩大级联H桥光伏并网逆变器稳定运行范围，而且能够实现各H桥单元的最大功率跟踪。

3、本发明提出的方法无需对级联H桥逆变器进行精确建模，有利于工程实现。

附图说明

图1是本发明单相级联H桥光伏并网逆变器主电路拓扑框图。

图2是本发明单相级联H桥光伏并网逆变器总控制结构框图。

图3是弱电网条件下采用传统控制方法时单相级联H桥光伏逆变器电网电流波形。

图4是弱电网条件下采用本发明控制方法时单相级联H桥光伏逆变器电网电流波形。

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，对本发明作进一步清楚、完整地描述。

图1为本发明实施例单相级联H桥光伏并网逆变器拓扑结构，如图中所示，所述的单相级联H桥光伏并网逆变器由N个带有光伏组件的H桥单元、滤波电感L_S和滤波电容C_f组成。具体的，N个H桥单元直流侧依次与N个光伏电池板PV1,PV2...PVN连接，光伏电池板工作条件为在额定温度25℃，额定光照强度1000W/m²下的最大功率点电压为30.40V，每块光伏电池板通过14.1mF电容与每个H桥单元相连，级联系统通过1.5mH滤波电感L_S和55uF滤波电容C_f连接到电网。

本发明的控制框图如图2所示，包括直流侧电压控制、下垂控制和网侧电流控制三部分。

步骤1，直流侧电压控制

步骤1.1，对每个H桥单元的直流侧电压采样并依次经过100Hz陷波器滤波，得到N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_PVi，i＝1,2,3...N；采样N个H桥单元的直流侧电流实际值并记为I_PVi，i＝1,2,3...N；采样滤波电感电流实际值并记为I_L；采样滤波电容电压实际值并记为V_o；采样电网电流实际值并记为I_S。

本实施例中，以五个H桥单元为例，每个H桥单元初始时的直流侧电压实际值为V_PV1＝V_PV2＝V_PV3＝V_PV4＝V_PV5＝35V。

步骤1.2，通过对每个H桥单元直流侧电压实际值V_PVi进行最大功率点跟踪控制，得到N个H桥单元的直流侧电压指令值并记为V_PVi ^*，其中，i＝1,2,3...N。

本实施例中，初始时刻t＝0.8s时，各H桥单元均工作在额定温度T＝25℃，额定光照强度E₁＝E₂＝E₃＝E₄＝E₅＝1000W/m²的条件下，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值V_PV1 ^*＝V_PV2 ^*＝V_PV3 ^*＝V_PV4 ^*＝V_PV5 ^*＝30.40V。

步骤1.3，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi和步骤1.2得到的N个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVi ^*，通过直流电压调节器，计算得到每个H桥单元的有功功率P_i，其中i＝1,2,3...N，其计算式为：

其中，K_VP为直流电压调节器比例系数，K_VI为直流电压调节器积分系数，i＝1,2,3...N，s为拉普拉斯算子。直流电压调节器比例系数和积分系数按照常规并网逆变器进行设计，本实施例中，K_VP＝4，K_VI＝40。

步骤1.4，根据步骤1.3得到的N个H桥单元的有功功率P_i计算得到N个H桥单元的有功功率之和并记为P_T，其计算式为：

步骤2，下垂控制

步骤2.1，将步骤1.1中采样得到的滤波电容电压实际值V_o通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的滤波电容电压有功分量V_od和滤波电容电压无功分量V_oq，其计算式为：

其中θ′_o为上一周期逆变器的输出相角，k₁为增益系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中，k₁＝0.5。

步骤2.2，将步骤1.1中采样得到的电网电流实际值I_S通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量I_Sd和电网电流无功分量I_Sq，其计算式为：

其中k₂为增益系数，本实施例中，k₂＝0.5。

步骤2.3，根据步骤2.1得到的滤波电容电压有功分量V_od、滤波电容电压无功分量V_oq和步骤2.2得到的电网电流有功分量I_Sd、电网电流无功分量I_Sq，通过计算并经一阶低通滤波器滤波，得到逆变器输出平均有功功率P_o和平均无功功率Q_o，其计算式为：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数，本实施例中，τ＝1e-4s。

步骤2.4，根据步骤1.4得到的N个H桥单元的有功功率之和P_T和步骤2.3得到的逆变器输出平均有功功率P_o经有功功率-频率下垂控制方程计算得到逆变器的输出角频率ω_o，输出角频率ω_o经过积分得到逆变器的输出相角θ_o，其有功功率-频率下垂控制方程为：

ω_o＝ω^*+m(P_T-P_o)

其中ω^*为电网同步角频率，m为有功下垂系数。本实施例中电网同步角频率ω^*＝100πrad/s，有功下垂系数m＝6.28e-3rad/W。

步骤2.5，根据步骤2.3得到的逆变器输出平均有功功率Q_o经无功功率-电压下垂控制方程计算得到滤波电容电压有功分量参考值

和滤波电容电压无功分量参考值

其无功功率-电压下垂控制方程为：

其中E为参考电动势，n为无功下垂系数，Q^*为上层给定无功功率指令。本实施例中参考电动势E＝100V，无功下垂系数n＝5e-3V/Var，上层给定无功功率指令Q^*＝0Var。

步骤2.6，根据步骤2.1得到的滤波电容电压有功分量V_od、滤波电容电压无功分量V_oq和步骤2.5得到的滤波电容电压有功分量参考值

滤波电容电压无功分量参考值

分别通过有功交流电压调节器和无功交流电压调节器，计算得到滤波电感电流有功分量参考值

和滤波电感电流无功分量参考值

其计算式为：

其中，K_VP1为交流电压调节器比例系数，K_VI1为交流电压调节器积分系数。交流电压调节器比例系数和积分系数按照常规并网逆变器进行设计，本实施例中，K_VP1＝0.1，K_VI1＝400。

步骤3，网侧电流控制

步骤3.1，将步骤1.1中采样得到的滤波电感电流实际值I_L通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的滤波电感电流有功分量I_Ld和滤波电感电流无功分量I_Lq，其计算式为：

其中k₃为增益系数，本实施例中，k₃＝0.5。

步骤3.2，根据步骤2.6得到的滤波电感电流有功分量参考值

滤波电感电流无功分量参考值

和步骤3.1得到的滤波电感电流有功分量I_Ld、滤波电感电流无功分量I_Lq，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为电流调节器比例系数，K_iI为电流调节器积分系数。电流调节器比例系数和积分系数按照常规并网逆变器进行设计，本实施例中，K_iP＝0.1，K_iI＝0。

步骤3.3，根据步骤3.2得到的d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q通过虚拟同步旋转反坐标变换得到逆变器总调制波电压V_r，其计算式为:

V_r＝E_dsinθ′_o+E_qcosθ′_o

步骤3.4，根据步骤1.3得到的N个H桥单元的有功功率P_i和步骤1.4得到的N个H桥单元的有功功率之和P_T计算每个H桥单元的功率分配系数Factor_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

步骤3.5，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi，步骤3.3得到的逆变器总调制波电压V_r和步骤3.4得到的N个H桥单元功率分配系数Factor_i，i＝1,2,3...N，计算每个H桥单元的调制波电压V_ri，i＝1,2,3...N，其计算式为：

图3为弱电网条件下采用传统控制方法时单相级联H桥光伏逆变器电网电流I_S波形，电网电流I_S总谐波失真(THD)为45.95％，电网电流严重畸变，系统无法稳定运行。

图4为弱电网条件下采用本发明控制方法时单相级联H桥光伏逆变器电网电流I_S波形，电网电流I_S总谐波失真(THD)为1.18％，相比于传统控制方法，本发明控制方法大大改善了并网电流质量，扩大了系统稳定运行范围。

Claims (1)

1.一种弱电网下单相级联H桥并网逆变器控制方法，所述的单相级联H桥并网逆变器由N个带有光伏组件的H桥单元、滤波电感L_S和滤波电容C_f组成，其特征在于，本控制方法包括直流侧电压控制、下垂控制和网侧电流控制，步骤如下：

步骤1，直流侧电压控制

步骤1.1，对每个H桥单元的直流侧电压采样并依次经过100Hz陷波器滤波，得到N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_PVi，i＝1,2,3...N；采样N个H桥单元的直流侧电流实际值并记为I_PVi，i＝1,2,3...N；采样滤波电感电流实际值并记为I_L；采样滤波电容电压实际值并记为V_o；采样电网电流实际值并记为I_S；

步骤1.2，通过对每个H桥单元直流侧电压实际值V_PVi进行最大功率点跟踪控制，得到N个H桥单元的直流侧电压指令值并记为V_PVi ^*，其中，i＝1,2,3...N；

步骤1.3，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi和步骤1.2得到的N个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVi ^*，通过直流电压调节器，计算得到每个H桥单元的有功功率P_i，其中i＝1,2,3...N，其计算式为：

其中，K_VP为直流电压调节器比例系数，K_VI为直流电压调节器积分系数，i＝1,2,3...N，s为拉普拉斯算子；

步骤1.4，根据步骤1.3得到的N个H桥单元的有功功率P_i计算得到N个H桥单元的有功功率之和并记为P_T，其计算式为：

步骤2，下垂控制

步骤2.1，将步骤1.1中采样得到的滤波电容电压实际值V_o通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的滤波电容电压有功分量V_od和滤波电容电压无功分量V_oq；

步骤2.2，将步骤1.1中采样得到的电网电流实际值I_S通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量I_Sd和电网电流无功分量I_Sq；

步骤2.3，根据步骤2.1得到的滤波电容电压有功分量V_od、滤波电容电压无功分量V_oq和步骤2.2得到的电网电流有功分量I_Sd、电网电流无功分量I_Sq，通过计算并经一阶低通滤波器滤波，得到逆变器输出平均有功功率P_o和平均无功功率Q_o，其计算式为：

其中，τ为一阶低通滤波器时间常数；

步骤2.4，根据步骤1.4得到的N个H桥单元的有功功率之和P_T和步骤2.3得到的逆变器输出平均有功功率P_o经有功功率-频率下垂控制方程计算得到逆变器的输出角频率ω_o，输出角频率ω_o经过积分得到逆变器的输出相角θ_o，其有功功率-频率下垂控制方程为：

ω_o＝ω^*+m(P_T-P_o)

其中ω^*为电网同步角频率，m为有功下垂系数；

步骤2.5，根据步骤2.3得到的逆变器输出平均无功功率Q_o经无功功率-电压下垂控制方程计算得到滤波电容电压有功分量参考值

和滤波电容电压无功分量参考值

其无功功率-电压下垂控制方程为：

其中E为参考电动势，n为无功下垂系数，Q^*为上层给定无功功率指令；

步骤2.6，根据步骤2.1得到的滤波电容电压有功分量V_od、滤波电容电压无功分量V_oq和步骤2.5得到的滤波电容电压有功分量参考值

滤波电容电压无功分量参考值

分别通过有功交流电压调节器和无功交流电压调节器，计算得到滤波电感电流有功分量参考值

和滤波电感电流无功分量参考值

其计算式为：

其中，K_VP1为交流电压调节器比例系数，K_VI1为交流电压调节器积分系数；

步骤3，网侧电流控制

步骤3.1，将步骤1.1中采样得到的滤波电感电流实际值I_L通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的滤波电感电流有功分量I_Ld和滤波电感电流无功分量I_Lq；

步骤3.2，根据步骤2.6得到的滤波电感电流有功分量参考值

滤波电感电流无功分量参考值

和步骤3.1得到的滤波电感电流有功分量I_Ld、滤波电感电流无功分量I_Lq，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为电流调节器比例系数，K_iI为电流调节器积分系数；

步骤3.3，根据步骤3.2得到的d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q通过虚拟同步旋转反坐标变换得到逆变器总调制波电压V_r；

步骤3.4，根据步骤1.3得到的N个H桥单元的有功功率P_i和步骤1.4得到的N个H桥单元的有功功率之和P_T计算每个H桥单元的功率分配系数Factor_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

步骤3.5，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi，步骤3.3得到的逆变器总调制波电压V_r和步骤3.4得到的N个H桥单元功率分配系数Factor_i，计算每个H桥单元的调制波电压V_ri，i＝1,2,3...N，其计算式为：

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