CN111416382B - 一种两级式三相级联光伏并网逆变器的控制方法 - Google Patents

一种两级式三相级联光伏并网逆变器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两级式三相级联光伏并网逆变器的控制方法，能够实现两级式三相级联光伏逆变器的并网控制，其有益效果具体体现在：该控制方法采用集中控制策略，分为主控制器和H桥功率单元控制器，由前级BOOST升压电路实现直流母线电压稳定、独立的MPPT控制，后级H桥逆变电路实现有功和无功功率解耦控制，满足功能需求，实现复杂控制，物理意义清楚；与单级式相比，响应速度更快，MPPT的控制效果更好，效率更高。

Description

一种两级式三相级联光伏并网逆变器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种两级式三相级联光伏并网逆变器的控制方法，属于三相级联逆变器的并网控制领域。
背景技术
光伏发电近几年在国内外发展迅速，在清洁能源发电中占有重要的地位。面对进一步提高发电效率和获得高质量的并网电压电流的要求，多电平的光伏并网逆变器成为研究热点。其中级联型为一种重要的多电平拓扑，但是要求许多独立的直流电源供电，这恰恰为光伏发电提供了很好的便利，因为光伏电池板就是各自独立的直流源，并且可以实现独立的MPPT，这也使得级联型在光伏并网发电领域应用很广泛。
对于级联H桥光伏并网逆变器，目前研究的热点主要在单级式并网逆变器，包括单级式单相逆变器和单级式三相逆变器，以及单级式单相级联逆变器和单级式三相级联逆变器，而对于两级式三相级联H桥光伏并网逆变器则研究比较少。单级式级联光伏并网逆变器指的是光伏电池板经过一个直流滤波电容后直接与H桥逆变电路连接，而两级式指的是光伏电池板经过一个BOOST升压电路后与H桥逆变电路连接在一起，因此具有两个功率变换单元。
目前，对于单级式单相级联逆变器，国内外学者都进行了比较深入的研究，但是单相并网逆变器会造成相间功率不平衡；同时单级式逆变器无法保证H桥逆变电路的直流母线稳压。
发明内容
本发明要解决的技术问题是单相并网逆变器造成的相间功率不平衡以及无法保证H桥逆变电路的直流母线稳压的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种两级式三相级联光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，H桥功率单元控制，包括BOOST升压、稳定直流母线电压、实现独立的MPPT控制，实现步骤为：
步骤1.1，分别采集A、B、C三相每个H桥功率单元光伏电池板输出电压和输出电流，以及每个H桥单元直流母线电压，并经过100Hz陷波器滤波后得到每个H桥光伏电池板的输出电压VPVAi、VPVBi、VPVCi、输出电流IPVAi、IPVBi、IPVCi和直流母线电压VdcAi、VdcBi、VdcCi，其中i＝1～n，n为每相的H桥功率单元个数；
步骤1.2，经过独立的MPPT算法控制器，得到三相H桥功率单元光伏电池板的直流参考电压
Figure GDA0002965883660000021
其中i＝1～n，n为每相的H桥功率单元个数；
步骤1.3，将光伏电池板的直流参考电压与实际的光伏电池板输出电压作差，因为是直流量，所以可以直接使用PI调节器实现无静差调节，PI调节器的输出就是前级BOOST升压电路开关管的调制信号，与三角载波比较后得到开关管的PWM控制信号，调节BOOST升压电路开关管占空比，就可以实现独立的MPPT控制；
步骤1.4，直流母线电压稳压控制，实现步骤为：
步骤1.4.1，根据光伏逆变器的最大额定功率PNmax和公式
Figure GDA0002965883660000022
计算得到单位功率因素下每相的最大额定电流INmax，其中，VN为并网点电网的额定电压；
步骤1.4.2，计算H桥单元调制比为1时的直流母线电压，计算公式如下，
Figure GDA0002965883660000023
其中，Lg为并网滤波电感，n为每相单元个数；
步骤1.4.3，计算直流母线电压参考值
Figure GDA0002965883660000024
此时H桥单元调制比应该小于1，所以应对步骤1.4.2的计算结果进行修正，计算公式如下，
Figure GDA0002965883660000025
其中，p应根据实际情况选取，取值范围为0.5～0.9；
步骤1.4.4，根据计算得到的
Figure GDA0002965883660000026
设计一个典型的Boost稳压调节器，采用PI调节器就可以由前级BOOST升压电路开关管实现直流母线电压稳压控制；
步骤1.5，分别计算每个H桥功率单元的有功功率参考值，得到H桥功率单元有功功率指令值；将步骤1.2经过MPPT算法后得到的电池板电压参考值与步骤1.1得到的电池板实际电压作差，再经过电压调节器计算后得到每一个H桥功率单元的有功功率参考值，公式如下，
Figure GDA0002965883660000031
其中，KvP和KvI分别为电压调节器的比例和积分系数，电压调节器是一个PI调节器，s为拉普拉斯算子；
步骤1.6，三相有功功率指令计算，将步骤1.5计算的每个H桥功率单元的有功功率指令加起来，公式如下，
Figure GDA0002965883660000032
步骤2，并网控制，包括电网电压锁相环控制、电压环控制和电流环控制；
步骤2.1，锁相环控制，用于跟踪电网电压相位，利用三相数字锁相环进行锁相，得到电网电压相位角，实现步骤为：
步骤2.1.1，采集三相电网电压电流实际值，得到电网电压实际值VgA、VgB、VgC和电网电流实际值IgA、IgB、IgC；
步骤2.1.2，计算相位角；根据电网电压定向的结果，进行锁相，得到电网电压频率ω、相位角θ，以及三相电压合成向量V；
步骤2.1.3，对三相电网电压VgA、VgB、VgC进行Park变换，得到同步旋转坐标下电网电压的有功分量Vd和无功分量Vq；当按照电网电压合成矢量定向时，在三相电网电压定向的同步旋转坐标系中，Vd＝|V|，Vq＝0；
步骤2.1.4，对三相电网电流IgA、IgB、IgC进行Park变换，得到同步旋转坐标下电网电流的有功分量Id和无功分量Ig；
步骤2.2，电压环控制，在并网前，整个光伏逆变器输出电压应跟踪电网电压的幅值和相位，因此要在并网前先进行输出电压控制，产生跟踪电网电压的调制波；
步骤2.3，电流环控制，在并网后，就需要采取电流控制，直接控制并网处的电流，实现功率控制；具体步骤如下：
步骤2.3.1，根据瞬时功率理论，三相系统的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q分别为
Figure GDA0002965883660000041
由于按照电网电压定向，所以vq＝0，上式可以简化为
Figure GDA0002965883660000042
上式表明当电网电压不变时，可分别控制电网电流有功分量Id和无功分量Iq控制并网逆变器的有功、无功功率；
步骤2.3.2，计算有功电流分量
Figure GDA0002965883660000043
在步骤1.5中已经得到了三相有功功率参考值
Figure GDA0002965883660000044
可以计算得到
Figure GDA0002965883660000045
步骤2.3.3，当单位功率因素控制时，电网电流无功分量参考值
Figure GDA0002965883660000046
分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，可以分别得到d轴电压调节值Ed和q轴电压调节值Eq，因为在同步旋转坐标系下，
Figure GDA0002965883660000047
和
Figure GDA0002965883660000048
都为直流量，电流调节器使用PI调节器，计算公式如下，
Figure GDA0002965883660000049
其中，KiP为调节器比例系数，KiI为调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；
步骤2.3.4，根据前馈解耦电流控制，分别计算d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq，计算公式如下，
Figure GDA0002965883660000051
其中，Lg为滤波电感；
步骤2.3.5，将得到的d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq经过反Park变换，得到三相静止坐标系下的每相调制波VrA、VrB、VrC，计算公式为，
Figure GDA0002965883660000052
步骤3，载波移相控制，在得到三相静止坐标系下的每相调制波VrA、VrB、VrC后，每相的n个功率单元需要进行载波移相，输出叠加的正弦电压，减少电压谐波，实现步骤为：
步骤3.1，采用单位功率因数控制，因为每一相所有H桥功率单元的电流都为电网电流，所以每个H桥功率单元的电压分量Vrmk和传递的有功功率
Figure GDA0002965883660000053
成正比，并且
Figure GDA0002965883660000054
且
Figure GDA0002965883660000055
当调制的三角载波采用单位化后，即幅值为1的三角载波时，可以得到每个H桥功率单元的调制波
Figure GDA0002965883660000056
计算公式为
Figure GDA0002965883660000057
其中m＝A，B，C；k＝1～n；n为每相H桥功率单元个数；
步骤3.2，采用单极性水平载波移相调制策略，步骤3.1得到的每个H桥功率单元的调制波
Figure GDA0002965883660000058
应依次滞后2π/n，这样载波移相得到的电压质量更好，谐波更低。
本发明为两级式三相级联光伏并网逆变器的控制方法，该控制方法采用集中控制策略，分为主控制器和H桥功率单元控制器，由前级BOOST升压电路实现直流母线电压稳定、独立的MPPT控制，后级H桥逆变电路实现有功和无功功率解耦控制，满足功能需求，实现复杂控制，物理意义清楚，控制效率高。
附图说明
图1为两级式三相级联光伏并网逆变器拓扑图；
图2为前级BOOST升压电路拓扑图；
图3为后级H桥逆变电路拓扑图；
图4为两级式三相级联光伏并网逆变器总控制结构图；
图5为电网电压锁相环控制和电网电流Park变换结构图；
图6为H桥功率单元稳压控制结构图；
图7为H桥功率单元实现MPPT控制结构图；
图8为H桥功率单元载波移相控制结构图；
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
本发明下面结合附图，对本发明进行详细说明：
步骤1，H桥功率单元控制，主要有如下目的：BOOST升压、稳定直流母线电压、实现独立的MPPT控制。
步骤1.1，分别采集A、B、C三相每个H桥功率单元光伏电池板输出电压和输出电流，以及每个H桥单元直流母线电压，并经过100Hz陷波器滤波后得到每个H桥光伏电池板的输出电压VPVAi、VPVBi、VPVCi、输出电流IPVAi、IPVBi、IPVCi和直流母线电压VdcAi、VdcBi、VdcCi，其中i＝1～n，n为每相的H桥功率单元个数；
步骤1.2，如图7所示，经过独立的MPPT算法控制器，得到三相H桥功率单元光伏电池板的直流参考电压
Figure GDA0002965883660000061
其中i＝1～n，n为每相的H桥功率单元个数；
步骤1.3，如图7所示，将光伏电池板的直流参考电压与实际的光伏电池板输出电压作差，因为是直流量，所以可以直接使用PI调节器实现无静差调节，PI调节器的输出就是前级BOOST升压电路开关管的调制信号，与三角载波比较后得到开关管的PWM控制信号，调节BOOST升压电路开关管占空比，就可以实现独立的MPPT控制。
步骤1.4，如图6所示，直流母线电压稳压控制。
步骤1.4.1，根据光伏逆变器的最大额定功率PNmax，计算得到单位功率因素下每相的最大额定电流INmax，公式如下
Figure GDA0002965883660000071
其中，VN为并网点电网的额定电压。
步骤1.4.2，计算H桥单元调制比为1时的直流母线电压。计算公式如下：
Figure GDA0002965883660000072
其中，Lg为并网滤波电感，n为每相单元个数。
步骤1.4.3，直流母线电压参考值
Figure GDA0002965883660000073
计算。考虑到调制比应该小于1，所以应对步骤1.4.2的计算结果进行修正，计算公式如下：
Figure GDA0002965883660000074
其中，p应根据实际情况选取，取值范围为0.5～0.9。
步骤1.4.4，根据计算得到的
Figure GDA0002965883660000075
设计一个典型的Boost稳压调节器，采用PI调节器就可以由前级BOOST升压电路开关管实现直流母线电压稳压控制。
步骤1.5，如图4所示，分别计算每个H桥功率单元的有功功率参考值，得到H桥功率单元有功功率指令值。将步骤1.2经过MPPT算法后得到的电池板电压参考值与步骤1.1得到的电池板实际电压作差，再经过电压调节器计算后得到每一个H桥功率单元的有功功率参考值，公式如下：
Figure GDA0002965883660000076
其中，KvP和KvI分别为电压调节器的比例和积分系数，显然电压调节器是一个PI调节器，s为拉普拉斯算子；
步骤1.6，三相有功功率指令计算，只要将步骤1.5计算的每个H桥功率单元的有功功率指令加起来，公式如下：
Figure GDA0002965883660000081
步骤2，并网控制，主要有如下目的：电网电压锁相环控制、电压环控制和电流环控制。
步骤2.1，如图5所示，锁相环控制，主要是为了跟踪电网电压相位，利用三相数字锁相环进行锁相，得到电网电压相位角。
步骤2.1.1，采集三相电网电压电流实际值，得到电网电压实际值VgA、VgB、VgC和电网电流实际值IgA、IgB、IgC；
步骤2.1.2，计算相位角。根据电网电压定向的结果，进行锁相，得到电网电压频率ω、相位角θ，以及三相电压合成向量V；
步骤2.1.3，对三相电网电压VgA、VgB、VgC进行Park变换，得到同步旋转坐标下电网电压的有功分量Vd和无功分量Vq；当按照电网电压合成矢量定向时，在三相电网电压定向的同步旋转坐标系中，Vd＝|V|，Vq＝0；
步骤2.1.4，如图5所示，对三相电网电流IgA、IgB、IgC进行Park变换，得到同步旋转坐标下电网电流的有功分量Id和无功分量Iq；
步骤2.2，电压环控制，在并网前，整个光伏逆变器输出电压应跟踪电网电压的幅值和相位，因此要在并网前先进行输出电压控制，产生跟踪电网电压的调制波。
步骤2.3，电流环控制，在并网后，就需要采取电流控制，直接控制并网处的电流，实现功率控制。具体步骤如下：
步骤2.3.1，根据瞬时功率理论，三相系统的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q分别为
Figure GDA0002965883660000082
由于按照电网电压定向，所以vq＝0，上式可以简化为
Figure GDA0002965883660000091
上式表明当电网电压不变时，可分别控制电网电流有功分量Id和无功分量Iq控制并网逆变器的有功、无功功率。
步骤2.3.2，计算有功电流分量
Figure GDA0002965883660000092
在步骤1.5中已经得到了三相有功功率参考值
Figure GDA0002965883660000093
可以计算得到
Figure GDA0002965883660000094
步骤2.3.3，当单位功率因素控制时，电网电流无功分量参考值
Figure GDA0002965883660000095
分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，可以分别得到d轴电压调节值Ed和q轴电压调节值Eq，因为在同步旋转坐标系下，
Figure GDA0002965883660000096
和
Figure GDA0002965883660000097
都为直流量，电流调节器使用PI调节器，计算公式如下：
Figure GDA0002965883660000098
其中，KiP为调节器比例系数，KiI为调节器积分系数，s为拉普拉斯算子。
步骤2.3.4，根据前馈解耦电流控制，分别计算d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq，计算公式如下：
Figure GDA0002965883660000099
其中，Lg为滤波电感；
步骤2.3.5，将得到的d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq经过反Park变换，得到三相静止坐标系下的每相调制波VrA、VrB、VrC，计算公式为：
Figure GDA0002965883660000101
步骤3，载波移相控制：如图8所示，在得到三相静止坐标系下的每相调制波VrA、VrB、VrC后，每相的n个功率单元需要进行载波移相，输出叠加的正弦电压，减少电压谐波。
步骤3.1，采用单位功率因数控制，因为每一相所有H桥功率单元的电流都为电网电流，所以每个H桥功率单元的电压分量Vrmk和传递的有功功率
Figure GDA0002965883660000102
成正比，并且
Figure GDA0002965883660000103
且
Figure GDA0002965883660000104
当调制的三角载波采用单位化后，即幅值为1的三角载波时，可以得到每个H桥功率单元的调制波
Figure GDA0002965883660000105
计算公式为
Figure GDA0002965883660000106
其中m＝A，B，C；k＝1～n；n为每相H桥功率单元个数；
步骤3.2，采用单极性水平载波移相调制策略，步骤3.1得到的每个H桥功率单元的调制波
Figure GDA0002965883660000107
应依次滞后2π/n，这样载波移相得到的电压质量更好，谐波更低。
计算算例：
参数如下：额定功率3kW，并网线电压380V，额定频率50Hz，额定电流4.5A，功率因素1。
步骤1.4.1，
Figure GDA0002965883660000108
步骤1.4.2，n＝6,Lg＝1mH，
Figure GDA0002965883660000111
步骤1.4.3，取p＝0.7，
Figure GDA0002965883660000112

Claims (1)

1.一种两级式三相级联光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1，H桥功率单元控制，包括BOOST升压、稳定直流母线电压、实现独立的MPPT控制，实现步骤为：
步骤1.1，分别采集A、B、C三相每个H桥功率单元光伏电池板输出电压和输出电流，以及每个H桥单元直流母线电压，并经过100Hz陷波器滤波后得到每个H桥光伏电池板的输出电压VPVAi、VPVBi、VPVCi、输出电流IPVAi、IPVBi、IPVCi和直流母线电压VdcAi、VdcBi、VdcCi，其中i＝1～n，n为每相的H桥功率单元个数；
步骤1.2，经过独立的MPPT算法控制器，得到三相H桥功率单元光伏电池板的直流参考电压
Figure FDA0002965883650000011
步骤1.3，将光伏电池板的直流参考电压与实际的光伏电池板输出电压作差，因为是直流量，所以可以直接使用PI调节器实现无静差调节，PI调节器的输出就是前级BOOST升压电路开关管的调制信号，与三角载波比较后得到开关管的PWM控制信号，调节BOOST升压电路开关管占空比，就可以实现独立的MPPT控制；
步骤1.4，直流母线电压稳压控制，实现步骤为：
步骤1.4.1，根据光伏逆变器的最大额定功率PNmax和公式
Figure FDA0002965883650000012
计算得到单位功率因素下每相的最大额定电流INmax，其中，VN为并网点电网的额定电压；
步骤1.4.2，计算H桥单元调制比为1时的直流母线电压，计算公式如下，
Figure FDA0002965883650000013
其中，Lg为并网滤波电感，n为每相单元个数；
步骤1.4.3，计算直流母线电压参考值
Figure FDA0002965883650000014
此时H桥单元调制比应该小于1，所以应对步骤1.4.2的计算结果进行修正，计算公式如下，
Figure FDA0002965883650000015
其中，p应根据实际情况选取，取值范围为0.5～0.9；
步骤1.4.4，根据计算得到的
Figure FDA0002965883650000021
设计一个典型的Boost稳压调节器，采用PI调节器就可以由前级BOOST升压电路开关管实现直流母线电压稳压控制；
步骤1.5，分别计算每个H桥功率单元的有功功率参考值，得到H桥功率单元有功功率指令值；将步骤1.2经过MPPT算法后得到的电池板电压参考值与步骤1.1得到的电池板实际电压作差，再经过电压调节器计算后得到每一个H桥功率单元的有功功率参考值，公式如下，
Figure FDA0002965883650000022
其中，KvP和KvI分别为电压调节器的比例和积分系数，电压调节器是一个PI调节器，s为拉普拉斯算子；
步骤1.6，三相有功功率指令计算，将步骤1.5计算的每个H桥功率单元的有功功率指令加起来，公式如下，
Figure FDA0002965883650000023
步骤2，并网控制，包括电网电压锁相环控制、电压环控制和电流环控制；
步骤2.1，锁相环控制，用于跟踪电网电压相位，利用三相数字锁相环进行锁相，得到电网电压相位角，实现步骤为：
步骤2.1.1，采集三相电网电压电流实际值，得到电网电压实际值VgA、VgB、VgC和电网电流实际值IgA、IgB、IgC；
步骤2.1.2，计算相位角；根据电网电压定向的结果，进行锁相，得到电网电压频率ω、相位角θ，以及三相电压合成向量V；
步骤2.1.3，对三相电网电压VgA、VgB、VgC进行Park变换，得到同步旋转坐标下电网电压的有功分量Vd和无功分量Vq；当按照电网电压合成矢量定向时，在三相电网电压定向的同步旋转坐标系中，Vd＝|V|，Vq＝0；
步骤2.1.4，对三相电网电流IgA、IgB、IgC进行Park变换，得到同步旋转坐标下电网电流的有功分量Id和无功分量Iq；
步骤2.2，电压环控制，在并网前，整个光伏逆变器输出电压应跟踪电网电压的幅值和相位，因此要在并网前先进行输出电压控制，产生跟踪电网电压的调制波；
步骤2.3，电流环控制，在并网后，就需要采取电流控制，直接控制并网处的电流，实现功率控制；具体步骤如下：
步骤2.3.1，根据瞬时功率理论，三相系统的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q分别为
Figure FDA0002965883650000031
由于按照电网电压定向，所以vq＝0，上式可以简化为
Figure FDA0002965883650000032
上式表明当电网电压不变时，可分别控制电网电流有功分量Id和无功分量Iq控制并网逆变器的有功、无功功率；
步骤2.3.2，计算有功电流分量
Figure FDA0002965883650000033
在步骤1.5中已经得到了三相有功功率参考值
Figure FDA0002965883650000034
可以计算得到
Figure FDA0002965883650000035
步骤2.3.3，当单位功率因素控制时，电网电流无功分量参考值
Figure FDA0002965883650000036
分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，可以分别得到d轴电压调节值Ed和q轴电压调节值Eq，因为在同步旋转坐标系下，
Figure FDA0002965883650000037
和
Figure FDA0002965883650000038
都为直流量，电流调节器使用PI调节器，计算公式如下，
Figure FDA0002965883650000041
其中，KiP为调节器比例系数，KiI为调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；
步骤2.3.4，根据前馈解耦电流控制，分别计算d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq，计算公式如下，
Figure FDA0002965883650000042
其中，Lg为滤波电感；
步骤2.3.5，将得到的d轴电压控制值Ud和q轴电压控制值Uq经过反Park变换，得到三相静止坐标系下的每相调制波VrA、VrB、VrC，计算公式为，
Figure FDA0002965883650000043
步骤3，载波移相控制，在得到三相静止坐标系下的每相调制波VrA、VrB、VrC后，每相的n个功率单元需要进行载波移相，输出叠加的正弦电压，减少电压谐波，实现步骤为：
步骤3.1，采用单位功率因数控制，因为每一相所有H桥功率单元的电流都为电网电流，所以每个H桥功率单元的电压分量Vrmk和传递的有功功率
Figure FDA0002965883650000044
成正比，并且
Figure FDA0002965883650000045
且
Figure FDA0002965883650000046
当调制的三角载波采用单位化后，即幅值为1的三角载波时，可以得到每个H桥功率单元的调制波
Figure FDA0002965883650000047
计算公式为
Figure FDA0002965883650000051
其中m＝A，B，C；k＝1～n；
步骤3.2，采用单极性水平载波移相调制策略，步骤3.1得到的每个H桥功率单元的调制波
Figure FDA0002965883650000052
应依次滞后2π/n，这样载波移相得到的电压质量更好，谐波更低。
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