CN110535367B - 一种储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法，设定储能逆变器阶梯波基波幅值，计算阶梯波导通角；对光伏单元进行最大功率控制生成阶梯波导通角偏移量，将其与计算的阶梯波导通角求和得到实际阶梯波导通角；根据实际阶梯波导通角进行阶梯波调制生成储能逆变器输出电压；设定离网输出电压幅值，计算离网输出电压相位，进而确定离网输出电压；将离网输出电压减去储能逆变器输出电压生成光伏逆变器开环调制信号，并进行载波移相调制驱动H桥。本发明提高了系统直流电压利用率，减少了离网输出电压的低频谐波含量。

Description

一种储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术，具体涉及一种储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法。
背景技术
现有研究中，储能型级联光伏逆变器的离网运行方法多采用统一的载波移相脉宽调制，在所有级联单元直流侧电压且调制波相同的情况下，载波移相调制方法能够消除开关频率以下的低频谐波，提高波形质量。由于储能型级联光伏逆变器结构的特殊性，实际情况中光伏单元和储能单元的直流侧电压和调制波都不尽相同，采用统一的载波移相调制会导致离网输出电压低频含量大，直流电压利用率低，电压波形质量差。因此，亟需一种新的调制方法减少输出电压谐波含量，提高直流电压利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法，包括如下步骤：
步骤1、设定储能逆变器阶梯波基波幅值，计算阶梯波导通角；
步骤2、对光伏单元进行最大功率控制生成阶梯波导通角偏移量，将其与计算的阶梯波导通角求和得到实际阶梯波导通角；
步骤3、根据实际阶梯波导通角进行阶梯波调制生成储能逆变器输出电压；
步骤4、设定离网输出电压幅值，计算离网输出电压相位，进而确定离网输出电压；
步骤5、将离网输出电压减去储能逆变器输出电压生成光伏逆变器开环调制信号，并进行载波移相调制驱动H桥。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：采用混合调制，对光伏逆变器采用载波移相调制方法，对储能逆变器采用阶梯波调制方法，提高了系统直流电压利用率，减少了离网输出电压的低频谐波含量。
附图说明
图1是电压合成原理图。
图2是离网控制策略框图。
图3是光照充足情况下光伏直流输出电压波形图。
图4是光照充足情况下储能逆变器阶梯波波形图。
图5是光照不足情况下光伏直流输出电压波形图。
图6是光照不足情况下储能逆变器阶梯波波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
光伏逆变器和储能逆变器输出电压的波形合成原理，如图1所示，在一个周期内，离网逆变器输出电压uout,ref是基频频率的正弦波形，储能逆变器输出波形ubat是与离网逆变器输出电压同频的阶梯波波形，其基波幅值由阶梯波导通角α控制，将离网逆变器输出电压减去储能逆变器阶梯波波形可以得到光伏逆变器输出电压upv。
综上所述，本发明提出一种储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法，对光伏逆变器采用载波移相调制方法，对储能逆变器采用阶梯波调制方法，如图2所示，具体步骤如下：
步骤1、设定储能逆变器阶梯波基波幅值，计算阶梯波导通角；
阶梯波计算为：
Figure BDA0002178928360000021
式中，Vbatj为储能逆变器阶梯波基波幅值，为保证储能逆变器的直流侧电压的利用率，一般设置Vbatj为[0.8Vbat-1.2Vbat]，Vbat为储能逆变器的直流侧电压，α为阶梯波导通角；
步骤2、对光伏单元进行最大功率(mppt)控制生成阶梯波导通角α偏移量Δα，将其与计算的阶梯波导通角α求和得到实际阶梯波导通角；
所述光伏mppt控制采用扰动观察法，该方法计算量较小，响应速度快。
步骤3、根据实际阶梯波导通角进行阶梯波调制生成储能逆变器输出电压ubat；
步骤4、设定离网输出电压幅值，计算离网输出电压uout，ref的相位γ，确定离网输出电压uout，ref；
逆变器输出电压正弦波形表达式：
uout,ref(t)＝Vmsin(ωt-γ) (2)
式中，Vm为离网输出电压幅值，ω为系统角频率。
储能逆变器输出电压的傅里叶级数可表示为：
Figure BDA0002178928360000031
式中，an，bn表示不同次谐波含量的常数项，h(nωt)表示谐波含量。
感性负载情况下，离网系统的输出电压和电流具有一定的偏移量θ，即：
i＝Im sin(ωt-γ-θ) (4)
式中，i表示离网输出电流，Im表示表示离网输出电流幅值。
由(2)和(4)可以得到离网系统输出的平均功率为：
Figure BDA0002178928360000032
由于谐波在一个周期内发出的平均功率为0，因此根据(3)和(4)可以得到光伏逆变器和储能逆变器的输出的平均功率如下：
pbat＝VbatjIm cos(γ+θ) (6)
Figure BDA0002178928360000033
因为光伏的输出功率始终为正，根据式7大于0，可以得到γ的取值范围。
步骤4，将离网输出电压uout，ref减去储能逆变器输出电压ubat，生成光伏逆变器开环调制信号，进行载波移相调制驱动H桥。
当光伏输出电压发生变化，调整储能逆变器阶梯波基波幅值即阶梯波导通角α的大小和离网电压相位偏移γ即可协调控制光伏逆变器和储能逆变器的功率输出，完成不同工况下的离网系统供电任务。
实施例
使用MATLAB/Simulink仿真验证了所提出的离网控制方法，仿真中系统配置为一个光伏单元和一个蓄电池的级联结构，具体仿真参数设定为：储能逆变器直流侧电压Vbat＝100V，离网电阻R＝6Ω，滤波电感L＝0.01H，电网频率f＝60Hz，稳压电容C＝00021F，温度T＝25℃。仿真中分别进行光照充足和光照不足两种试验，图3-6分别展示了两种试验中光伏直流输出电压波形和储能逆变器阶梯波波形。
光照充足实验中，采用本发明方法进行计算，得到γ值为-90°，α值为19.5°，光伏直流输出电压为262V，最大功率电压为220V，控制效果如3-4所示，可以看出光伏电池输出电压温稳定在mppt状态，阶梯波波形稳定，系统工作在稳定状态。
在光照不足情况下，光伏直流输出电压迅速下降，假设其值为61V，最大功率电压为50V，采用本发明方法，调整γ值为-27.5°，α值为38.2°进行控制，控制效果如5-6所示，可以看出光伏电池依旧能够稳定工作在mppt状态，但是由于导通角变化，阶梯波波形发生变化以保证系统的稳定运行。

Claims (5)

1.一种储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、设定储能逆变器阶梯波基波幅值，计算阶梯波导通角；
步骤2、对光伏单元进行最大功率控制生成阶梯波导通角偏移量，将其与计算的阶梯波导通角求和得到实际阶梯波导通角；
步骤3、根据实际阶梯波导通角进行阶梯波调制生成储能逆变器输出电压；
步骤4、设定离网输出电压幅值，计算离网输出电压相位，进而确定离网输出电压；
步骤5、将离网输出电压减去储能逆变器输出电压生成光伏逆变器开环调制信号，并进行载波移相调制驱动H桥。
2.根据权利要求1所述的储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法，其特征在于，步骤1中，阶梯波导通角计算公式为：
Figure FDA0002819343170000011
式中，Vbatj为储能逆变器阶梯波基波幅值，Vbat为储能逆变器的直流侧电压，α为阶梯波导通角。
3.根据权利要求1所述的储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法，其特征在于，步骤1中，设置储能逆变器阶梯波基波幅值Vbatj为[0.8Vbat-1.2Vbat]，其中Vbat为储能逆变器的直流侧电压。
4.根据权利要求1所述的储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法，其特征在于，步骤2中，最大功率控制采用扰动观察法。
5.根据权利要求1所述的储能型级联光伏单相离网逆变器的控制方法，其特征在于，步骤4中，离网输出电压相位的具体求解方法为：
逆变器离网输出电压正弦波形表达式：
uout,ref(t)＝Vmsin(ωt-γ) (2)
式中，uout，ref为离网输出电压，Vm为离网输出电压幅值，ω为系统角频率，γ为离网输出电压相位；
储能逆变器输出电压的傅里叶级数表示为：
Figure FDA0002819343170000012
式中，an，bn表示不同次谐波含量的常数项，Vbatj为储能逆变器阶梯波基波幅值，h(nωt)表示谐波含量；
感性负载情况下，离网系统的输出电压和电流具有一定的偏移量θ，即：
i＝Imsin(ωt-γ-θ) (4)
式中，i表示离网输出电流，Im表示表示离网输出电流幅值；
由(2)和(4)可以得到离网系统输出的平均功率为：
Figure FDA0002819343170000021
由于谐波在一个周期内发出的平均功率为0，因此根据(3)和(4)可以得到光伏逆变器和储能逆变器的输出的平均功率如下：
pbat＝VbatjImcos(γ+θ) (6)
Figure FDA0002819343170000022
因为光伏的输出功率始终为正，根据式7大于0，可以得到γ的取值范围。
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