CN112510759B - 共直流母线级联型光伏逆变器的功率不平衡控制方法 - Google Patents

共直流母线级联型光伏逆变器的功率不平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共直流母线级联型光伏逆变器功率不平衡控制方法，属于电气工程领域的光伏发电技术领域。目的是为了解决共直流母线级联型光伏逆变器的功率不平衡问题。步骤如下：对三相级联H桥逆变器中各直流母线电压进行控制，使各公共直流母线对应的光伏阵列工作于最大功率点，并得到并网电流有功分量参考值
Figure DDA0002820241430000011
根据有功分量参考值
Figure DDA0002820241430000012
和无功分量参考值
Figure DDA0002820241430000013
进行并网电流控制；根据上一步骤得到的三相调制电压进行三次谐波补偿，并根据补偿三次谐波后的调制电压进行每个H桥变换器的工作模式计算。相比于现有技术，进一步扩大了共直流母线级联型光伏逆变器的线性调制范围，提高了共直流母线级联型光伏逆变器应对功率不平衡的能力。

Description

共直流母线级联型光伏逆变器的功率不平衡控制方法
技术领域
本发明属于电气工程领域的光伏发电技术，具体涉及一种共直流母线级联型光伏逆变器的功率不平衡控制方法。
背景技术
受半导体开关器件的限制，传统集中式逆变器在高压大功率光伏系统中已难以进一步提升额定功率。同时，为实现中压并网，传统集中式逆变器需要笨重的工频变压器，增加了逆变器体积。级联型光伏逆变器采用模块化设计，可通过众多模块的级联来实现高压输出，在不需要工频变压器的条件下实现高压并网；同时，级联型逆变器中的隔离DC/DC电路可实现整个系统的电气隔离。因此，级联型光伏逆变器在高压大功率光伏应用中具有广阔的市场前景。
将共直流母线级联型光伏逆变器将每一相的第i个模块的输入端连接在一起，并与对应光伏阵列的输出端相连，这样可以保证在平衡电网情况下每一相传输的功率相同，从而避免了相间功率不平衡问题。然而，如果由于遮挡、损坏等因素造成部分光伏阵列输出功率下降，输出功率较大的光伏阵列所连接的H桥变换器便极有可能出现过调制，进而导致共直流母线级联型光伏逆变器并网电流性能变差，甚至可能造成逆变器无法正常运行。
文献“A.Eskandari，V.Javadian，H.Iman-Eini and M.Yadollahi.Stableoperation of grid connected Cascaded H-Bridge inverter under unbalancedinsolation conditions.3rd International Conference on Electric Power andEnergy Conversion Systems，Istanbul，2013.，pp.1-6.”(A.Eskandari，V.Javadian，H.Iman-Eini and M.Yadollahi，并网级联H桥逆变器在不平衡光照条件下的稳定运行，2013年伊斯坦布尔第三届国际电力系统转换大会，第1页到第6页)提出了一种改进的MPPT算法，使得输出功率较高的光伏组件退出MPPT运行，以平衡输出功率，但这会减少整个系统的能量收集。
文献“Tao Zhao，Xing Zhang，Wang Mao，Fusheng Wang，Jun Xu，Yilei Gu，andXinyu Wang.An optimized third harmonic compensation strategy for single-phasecascaded H-bridge photovoltaic inverter.IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.65，no.11，pp.8635-8645，Nov.2018.”(Tao Zhao，Xing Zhang，Wang Mao，Fusheng Wang，JunXu，Yilei Gu，and Xinyu Wang，一种单相级联H桥光伏逆变器的优化三次谐波补偿策略，IEEE工业电子杂志，2018年11月第65卷第11期，第8635页到8645页)在单相级联型光伏逆变器中通过补偿三次谐波将H桥变换器的线性调制范围扩大到1.155，其能确保系统工作于单位功率因数且不会造成H桥变换器直流侧电容电压波动过大。然而，其应对功率不平衡的能力较弱，无法应对某些功率严重不平衡的情况。
文献“赵涛，张兴，毛旺，徐君，顾亦磊，赵德勇，江才.基于无功补偿的级联H桥光伏逆变器功率不平衡控制策略.中国电机工程学报，2017，37(17)：5076-5085.”(《中国电机工程学报》2017年第37卷第17期第5076-5085页)提出了一种无功功率补偿方法，其利用功率因数作为一个自由度来稳定逆变器运行，此方法可以在H桥变换器功率严重不平衡的条件下正常运行，但会降低系统的功率因数。
文献“Yuhua Hu，Xing Zhang，Wang Mao，Tao Zhao，Fusheng Wang，and ZhiqiangDai.An Optimized Third Harmonic Injection Method for Reducing DC-Link VoltageFluctuation and Alleviating Power Imbalance of Three-Phase Cascaded H-BridgePhotovoltaic Inverter.IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.67，no.4，pp.2488-2498，April2020.”(Yuhua Hu，Xing Zhang，Wang Mao，Tao Zhao，Fusheng Wang，and Zhiqiang Dai，降低三相级联H桥光伏逆变器直流侧电压波动和功率不平衡的优化三次谐波注入方法，IEEE工业电子杂志，2020年4月第67卷第4期，第2488页到第2498页)提出了针对三相级联型光伏逆变器的三次谐波补偿策略，与单相级联型光伏逆变器的方法类似，其同样将H桥变换器的线性调制范围提升至1.155，应对功率不平衡的能力并未得到提升。
综上所述，现有的扩大级联H桥光伏逆变器运行范围的方法还存在如下缺点：
1)、改进的MPPT算法可以有效解决H桥功率不平衡问题，但会大大降低逆变器效率。
2)、无功补偿策略可以应对严重的功率不平衡情况，但此方法会降低系统功率因数。
3)、三次谐波补偿策略提升了H桥变换器的线性调制范围至1.155，但其应对功率不平衡的能力仍然较弱，无法应对更严重的功率不平衡情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服上述方案的局限性，提出一种共直流母线级联型光伏逆变器的功率不平衡控制方法，当共直流母线级联型光伏逆变器处于严重功率不平衡时，依然可保持系统正常运作。相比于现有的控制策略，此方法可进一步扩大共直流母线级联型光伏逆变器的运行范围。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：
1.一种共直流母线级联型光伏逆变器的功率不平衡控制方法，所述的共直流母线级联型光伏逆变器是三相并网逆变器，由A相、B相和C相组成；A相、B相和C相均包含N个相同的模块，N为大于1的整数，其中，每个模块均由一个三电平DAB变换器串联一个H桥变换器构成；A相、B相和C相中各自设置且彼此对应的第i个模块的输入端口并联在一起形成一条公共直流母线，i＝1，2，...，N，对于每相均包含N个模块的级联H桥光伏并网逆变器，总共形成N条公共直流母线，每条公共直流母线均并联一个光伏阵列；A相、B相和C相中所有模块的交流输出端互相串联，形成三个模块串，这三个模块串的一端连接在一起形成一个公共点，另一端均分别通过网侧滤波电感连接到三相星型连接的电网；
所述的控制方法包括N条公共直流母线电压控制、并网电流控制、三相所有H桥变换器工作模式计算和三电平DAB变换器输出电压控制，步骤如下：
步骤1，N条公共直流母线电压控制
步骤1.1，分别对N个公共直流母线电压和N个光伏阵列输出电流进行采样，得到N个公共直流母线电压采样值Vdci和N个光伏阵列输出电流采样值IPVi，i＝1，2，...，N；
步骤1.2，对N个公共直流母线电压采样值Vdci和N个光伏阵列输出电流采样值IPVi进行最大功率点跟踪运算，得到N个最大功率点参考电压
Figure BDA0002820241410000041
Figure BDA0002820241410000042
步骤1.3，使用频率为2fg Hz的陷波器对步骤1.1所得的N个公共直流母线电压采样值Vdci进行滤波，fg为电网电压频率，得到N个滤波后的公共直流母线电压采样值Vdcfi，i＝1，2，...，N；
步骤1.4，使用电压调节器将N条公共直流母线电压之和控制为N个光伏组件的最大功率点电压之和，电压调节器的输出为并网电流有功分量参考值
Figure BDA0002820241410000043
其计算式为：
Figure BDA0002820241410000044
其中，KvP为电压调节器的比例系数，KvI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；
步骤2，并网电流控制
步骤2.1，分别对三相电网电压和三相并网电流进行采样，得到三相电网电压采样值vgA，vgB，vgC和三相并网电流采样值igA，igB，igC；
步骤2.2，使用数字锁相环对三相电网电压采样值vgA，vgB，vgC进行锁相，得到电网电压相位角ωt、角频率ω以及电网相电压的幅值Vg；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中采样得到的三相电网电压vgA，vgB，vgC转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中得到的三相并网电流的采样值igA，igB，igC转换成旋转坐标系下的并网电流有功分量id和并网电流无功分量iq；
电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq的计算式为：
Figure BDA0002820241410000051
并网电流有功分量id和并网电流无功分量iq的计算式为：
Figure BDA0002820241410000052
步骤2.3，为了使系统能够单位功率因数运行，将并网电流无功分量参考值
Figure BDA0002820241410000053
直接设定为0，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器将id和iq控制为
Figure BDA0002820241410000054
和
Figure BDA0002820241410000055
计算得到有功电流调节器的输出值Δvd和无功电流调节器的输出值Δvq，其计算式分别为：
Figure BDA0002820241410000061
其中，KiP为有功电流调节器、无功电流调节器的比例系数，KiI为有功电流调节器、无功电流调节器的积分系数；
步骤2.4，根据步骤2.2得到的电网电压有功分量ed、电网电压无功分量eq、电网电流有功分量id、电网电流无功分量iq、电网电压角频率ω以及步骤2.3中得到的有功电流调节器的输出值Δvd和无功电流调节器的输出值Δvq，计算得到有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq，如下式所示：
Figure BDA0002820241410000062
其中，Lf为网侧滤波电感；
步骤2.5，将步骤2.4所得的有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq从同步旋转坐标系转移到三相静止坐标系上，分别得到A相、B相和C相的调制电压va，vb和vc，计算式为：
Figure BDA0002820241410000063
步骤2.6，根据步骤2.4得到的有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq，计算出逆变器的交流输出基波电压与电网电压的夹角α，其计算式为：
α＝arctan(vq/vd)
其中，arctan(vq/vd)表示vq/vd的反正切值；
步骤3，三相所有H桥变换器工作模式计算
步骤3.1，对每个H桥变换器的直流侧电容电压进行采样，得到以下数据：N个A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi，N个B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi和N个C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi；
步骤3.2，使用频率为2fg Hz的陷波器对步骤4.1所得的数据进行滤波，得到以下数据：N个滤波后的A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi_A，N个滤波后的B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi_A和N个滤波后的C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi_A；
步骤3.3，通过补偿三次谐波降低调制电压的幅值，补偿三次谐波后A相、B相和C相的调制电压分别为
Figure BDA0002820241410000071
和
Figure BDA0002820241410000072
其计算式为：
Figure BDA0002820241410000073
步骤3.4，分别计算N个滤波后的公共直流母线电压采样值Vdcfi与其对应的光伏阵列的最大功率点参考电压
Figure BDA0002820241410000074
的差值VEi，其计算式为：
Figure BDA0002820241410000075
步骤3.5，首先以固定时间TF为周期，对差值VEi按从小到大的顺序进行排序，将排序后的值按从小到大的顺序依次记为VEPi，i＝1，2，...，N，并将按从小到大的顺序排列的VEpi，i＝1，2，...，N，对应的公共直流母线电压的采样值Vdcfi，i＝1，2，...，N，记为正排序的公共直流母线电压采样值Vi，i＝1，2，...，N；其次将A相、B相和C相的调制电压
Figure BDA0002820241410000076
和
Figure BDA0002820241410000077
分成N个电压区间，然后计算出A相调制电压
Figure BDA0002820241410000078
所处的区间KA，B相调制电压
Figure BDA0002820241410000079
所处的区间KB和C相调制电压
Figure BDA00028202414100000710
所处的区间KC，其计算式分别为：
Figure BDA0002820241410000081
Figure BDA0002820241410000082
Figure BDA0002820241410000083
步骤3.6，定义第一A相变量XA1、第二A相变量XA2、第三A相变量XA3和第四A相变量XAS，表达式分别如下：
Figure BDA0002820241410000084
Figure BDA0002820241410000085
Figure BDA0002820241410000086
XAS＝4XA1+2XA2+XA3
定义：A相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcAi_A，A相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，A相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcAi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四A相XAS的值确定A相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XAS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000087
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000088
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000089
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XAS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000810
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000091
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000092
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XAS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000093
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000094
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000095
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XAS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000096
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000097
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000098
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XAS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000099
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000910
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000911
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XAS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000912
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000913
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000914
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XAS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000915
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000916
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100000917
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XAS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000101
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000102
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000103
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤3.7，定义第一B相变量XB1、第二B相变量XB2、第三B相变量XB3和第四B相变量XBS，表达式分别如下：
Figure BDA0002820241410000104
Figure BDA0002820241410000105
Figure BDA0002820241410000106
XBS＝4XB1+2XB2+XB3
定义：B相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcBi_A，B相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，B相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcBi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四B相变量XBS的值确定B相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XBS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000107
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000108
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000109
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XBS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001010
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001011
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000111
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XBS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000112
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000113
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000114
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XBS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000115
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000116
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000117
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XBS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000118
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000119
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001110
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XBS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001111
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001112
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001113
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XBS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001114
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001115
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001116
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XBS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001117
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000121
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000122
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤3.8，定义第一C相变量XC1、第二C相变量XC2、第三C相变量XC3和第四C相变量XCS，表达式分别如下：
Figure BDA0002820241410000123
Figure BDA0002820241410000124
Figure BDA0002820241410000125
XCS＝4XC1+2XC2+XC3
定义：C相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcCi_A，C相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，C相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcCi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四C相变量XCS的值确定C相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XCS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000126
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000127
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000128
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XCS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000129
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001210
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000131
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XCS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000132
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000133
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000134
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XCS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000135
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000136
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000137
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XCS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000138
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000139
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001310
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XCS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001311
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001312
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001313
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XCS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001314
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001315
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001316
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XCS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001317
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100001318
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000141
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤4，三电平DAB变换器输出电压控制
使用DAB电压控制器将步骤3.2得到的N个滤波后的A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi_A、N个滤波后的B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi_A、N个滤波后的C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi_A均控制为Vdcfi/ND，得到N个A相三电平DAB变换器的移相角δAi、N个B相三电平DAB变换器的开关频率δBi和N个C相三电平DAB变换器的开关频率δCi，其计算式分别如下：
Figure BDA0002820241410000142
Figure BDA0002820241410000143
Figure BDA0002820241410000144
其中，ND是三电平DAB变换器中高频变压器的原边与副边的匝比，KDP为DAB电压控制器的比例系数，KDI为DAB电压控制器的积分系数。
本发明相对现有技术的有益效果是：
1、相比于现有文献所提出的三次谐波补偿策略，本方法能够进一步共直流母线级联型光伏逆变器的线性调制范围，使其能够应对更严重的功率不平衡情况；
2、本方法能够在功率严重不平衡时，保证共直流母线级联型光伏逆变器稳定运行，并保证所有光伏阵列均工作在最大功率点，且不会影响系统功率因数。
附图说明
图1是本发明实施的三相级联H桥逆变器的主电路拓扑结构。
图2是本发明实施的三相级联H桥逆变器中单个模块的结构图。
图3是本发明实施的共直流母线级联型光伏逆变器的总体控制框图。
图4是图3中N个公共直流母线电压控制的详细控制框图。
图5是图3中并网电流控制和工作模式计算的详细控制框图。
图6是图3中三电平DAB变换器输出电压控制的详细控制框图。
图7是功率严重不平衡情况下，不采用额外控制策略时的B相电网电压采样值vgB和B相并网电流采样值igB的波形。
图8是功率严重不平衡情况下，采用本专利所提功率不平衡控制方法时B相电网电压采样值vgB和B相并网电流采样值igB的波形。
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，对本发明做进一步清楚、完整地描述。
图1是本发明实施的共直流母线级联型光伏逆变器的主电路拓扑结构，由图1可见，所述的共直流母线级联型光伏逆变器是三相并网逆变器，由A相、B相和C相组成。A相、B相和C相均包含N个相同的模块，N为大于1的整数，其中，每个模块均由一个三电平DAB变换器串联一个H桥变换器构成。A相、B相和C相中各自设置且彼此对应的第i个模块的输入端口并联在一起形成一条公共直流母线，i＝1，2，...，N，对于每相均包含N个模块的级联H桥光伏并网逆变器，总共形成N条公共直流母线，每条公共直流母线均并联一个光伏阵列。A相、B相和C相中所有模块的交流输出端互相串联，形成三个模块串，这三个模块串的一端连接在一起形成一个公共点，另一端均分别通过滤波电感连接到三相星型连接的电网。
在图中，Vdci和IPVi分别为第i个公共直流母线电压和其对应光伏组件的输出电流，i＝1，2，...，N；vgA，vgB，vgC分别为A相、B相和C相的电网相电压；igA，igB，igC分别为A相、B相和C相的并网电流；Lf表示网侧滤波电感；VcAi表示A相第i个模块的H桥变换器的直流侧电容电压，i＝1，2，...，N；VcBj表示B相第j个模块的H桥变换器的直流侧电容电压，j＝1，2，...，N；VcCk表示C相第k个模块的H桥变换器的直流侧电容电压，k＝1，2，...，N。
图2是本发明实施的三相级联H桥逆变器中单个模块的结构图，它由一个三电平双有源桥DC-DC变换器和一个H桥变换器串联组成。其中，三电平双有源桥DC-DC变换器由输入输出端分压电容(C1，C2，C3，C4)、变压器一次侧三电平全桥、变压器二次侧三电平全桥、传输电感Lr、隔直电容Cb1、Cb2以及高频变压器组成；全控型开关器件Q1～Q8及其体二极管和结电容、飞跨电容Cf1，Cf2和二极管D1～D4共同组成了变压器一次侧三电平全桥；全控型开关器件Q9～Q16及其体二极管和结电容、飞跨电容Cf3，Cf4和二极管D5～D8共同组成了变压器二次侧三电平全桥；Tr表示高频变压器，且变为为NL：1。四个全控型开关器件T1、T2、T3和T4及它们的体二极管组成了H桥变换器；Udci表示模块的输入电压。
图3是本发明实施的共直流母线级联型光伏逆变器的总体控制框图，包括N个公共直流母线电压控制模块、并网电流控制模块、工作模式计算模块和三电平DAB变换器输出电压控制模块。
图4是图3中N个公共直流母线电压控制的详细控制框图，该控制对N个公共直流母线电压采样值Vdci，i＝1，2，...，N进行滤波，得到N个滤波后的公共直流母线电压采样值Vdcfi，i＝1，2，...，N，并通过最大功率点跟踪计算得到N个最大功率点参考电压
Figure BDA0002820241410000163
然后使用电压调节器将N条公共直流母线电压之和控制为N个光伏组件的最大功率点电压之和，最终输出为并网电流有功分量参考值
Figure BDA0002820241410000164
图5是图3中并网电流控制和工作模式计算的详细控制框图。并网电流控制使用数字锁相环对三相电网电压采样值vgA，vgB，vgC进行锁相，得到电网电压相位角ωt，并通过坐标变换得到电网电压有功分量ed、电网电压无功分量eq、并网电流有功分量id和并网电流无功分量iq，再通过有功电流调节器和无功电流调节器将id和iq控制为
Figure BDA0002820241410000161
和
Figure BDA0002820241410000162
有功电流调节器和无功电流调节器的输出值叠加上电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq后经坐标变换得到A相、B相和C相的调制电压va，vb和vc，并同时计算出逆变器的交流输出基波电压与电网电压的夹角α；工作模式计算模块对va，vb，vc注入三次谐波，得到补偿三次谐波后A相、B相和C相的调制电压
Figure BDA0002820241410000171
和
Figure BDA0002820241410000172
再根据工作模式计算步骤得到每个H桥的工作模式。
图6是图3中三电平DAB变换器输出电压控制的详细控制框图，该控制将N个滤波后的A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi_A、N个滤波后的B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi_A、N个滤波后的C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi_A均控制为Vdcfi/ND，控制输出为N个A相三电平DAB变换器的移相角δAi、N个B相三电平DAB变换器的开关频率δBi和N个C相三电平DAB变换器的开关频率δCi。
参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明所述的控制方法包括N条公共直流母线电压控制、并网电流控制、三相所有H桥变换器工作模式计算和三电平DAB变换器输出电压控制，步骤如下：
步骤1，N条公共直流母线电压控制
步骤1.1，分别对N个公共直流母线电压和N个光伏阵列输出电流进行采样，得到N个公共直流母线电压采样值Vdci和N个光伏阵列输出电流采样值IPVi，i＝1，2，...，N；
步骤1.2，对N个公共直流母线电压采样值Vdci和N个光伏阵列输出电流采样值IPVi进行最大功率点跟踪运算，得到N个最大功率点参考电压
Figure BDA0002820241410000173
Figure BDA0002820241410000174
步骤1.3，使用频率为2fg Hz的陷波器对步骤1.1所得的N个公共直流母线电压采样值Vdci进行滤波，fg为电网电压频率，得到N个滤波后的公共直流母线电压采样值Vdcfi，i＝1，2，...，N；
步骤1.4，使用电压调节器将N条公共直流母线电压之和控制为N个光伏组件的最大功率点电压之和，电压调节器的输出为并网电流有功分量参考值
Figure BDA0002820241410000175
其计算式为：
Figure BDA0002820241410000181
其中，KvP为电压调节器的比例系数，KvI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子。在本实施例中，KvP＝5，KvI＝250。
步骤2，并网电流控制
步骤2.1，分别对三相电网电压和三相并网电流进行采样，得到三相电网电压采样值vgA，vgB，vgC和三相并网电流采样值igA，igB，igC；
步骤2.2，使用数字锁相环对三相电网电压采样值vgA，vgB，vgC进行锁相，得到电网电压相位角ωt、角频率ω以及电网相电压的幅值Vg；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中采样得到的三相电网电压vgA，vgB，vgC转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中得到的三相并网电流的采样值igA，igB，igC转换成旋转坐标系下的并网电流有功分量id和并网电流无功分量iq；
电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq的计算式为：
Figure BDA0002820241410000182
并网电流有功分量id和并网电流无功分量iq的计算式为：
Figure BDA0002820241410000183
步骤2.3，为了使系统能够单位功率因数运行，将并网电流无功分量参考值
Figure BDA0002820241410000184
直接设定为0，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器将id和iq控制为
Figure BDA0002820241410000185
和
Figure BDA0002820241410000191
计算得到有功电流调节器的输出值Δvd和无功电流调节器的输出值Δvq，其计算式分别为：
Figure BDA0002820241410000192
其中，KiP为有功电流调节器、无功电流调节器的比例系数，KiI为有功电流调节器、无功电流调节器的积分系数。在本实施例中，KiP＝1.8，KiI＝200。
步骤2.4，根据步骤2.2得到的电网电压有功分量ed、电网电压无功分量eq、电网电流有功分量id、电网电流无功分量iq、电网电压角频率ω以及步骤2.3中得到的有功电流调节器的输出值Δvd和无功电流调节器的输出值Δvq，计算得到有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq，如下式所示：
Figure BDA0002820241410000193
其中，Lf为网侧滤波电感；
步骤2.5，将步骤2.4所得的有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq从同步旋转坐标系转移到三相静止坐标系上，分别得到A相、B相和C相的调制电压va，vb和vc，计算式为：
Figure BDA0002820241410000194
步骤2.6，根据步骤2.4得到的有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq，计算出逆变器的交流输出基波电压与电网电压的夹角α，其计算式为：
α＝arctan(vq/vd)
其中，arctan(vq/vd)表示vq/vd的反正切值；
步骤3，三相所有H桥变换器工作模式计算
步骤3.1，对每个H桥变换器的直流侧电容电压进行采样，得到以下数据：N个A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi，N个B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi和N个C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi；
步骤3.2，使用频率为2fg Hz的陷波器对步骤4.1所得的数据进行滤波，得到以下数据：N个滤波后的A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi_A，N个滤波后的B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi_A和N个滤波后的C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi_A；
步骤3.3，通过补偿三次谐波降低调制电压的幅值，补偿三次谐波后A相、B相和C相的调制电压分别为
Figure BDA0002820241410000201
和
Figure BDA0002820241410000202
其计算式为：
Figure BDA0002820241410000203
步骤3.4，分别计算N个滤波后的公共直流母线电压采样值Vdcfi与其对应的光伏阵列的最大功率点参考电压
Figure BDA0002820241410000204
的差值VEi，其计算式为：
Figure BDA0002820241410000205
步骤3.5，首先以固定时间TF为周期，对差值VEi按从小到大的顺序进行排序，将排序后的值按从小到大的顺序依次记为VEPi，i＝1，2，...，N，并将按从小到大的顺序排列的VEpi，i＝1，2，...，N，对应的公共直流母线电压的采样值Vdcfi，i＝1，2，...，N，记为正排序的公共直流母线电压采样值Vi，i＝1，2，...，N；其次将A相、B相和C相的调制电压
Figure BDA0002820241410000206
和
Figure BDA0002820241410000207
分成N个电压区间，然后计算出A相调制电压
Figure BDA0002820241410000208
所处的区间KA，B相调制电压
Figure BDA0002820241410000209
所处的区间KB和C相调制电压
Figure BDA00028202414100002010
所处的区间KC，其计算式分别为：
Figure BDA0002820241410000211
Figure BDA0002820241410000212
Figure BDA0002820241410000213
步骤3.6，定义第一A相变量XA1、第二A相变量XA2、第三A相变量XA3和第四A相变量XAS，表达式分别如下：
Figure BDA0002820241410000214
Figure BDA0002820241410000215
Figure BDA0002820241410000216
XAS＝4XA1+2XA2+XA3
定义：A相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcAi_A，A相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，A相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcAi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四A相XAS的值确定A相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XAS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000217
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000218
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000219
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XAS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000221
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000222
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000223
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XAS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000224
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000225
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000226
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XAS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000227
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000228
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000229
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XAS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002210
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002211
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002212
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XAS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002213
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002214
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002215
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XAS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002216
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002217
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000231
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XAS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000232
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000233
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000234
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤3.7，定义第一B相变量XB1、第二B相变量XB2、第三B相变量XB3和第四B相变量XBS，表达式分别如下：
Figure BDA0002820241410000235
Figure BDA0002820241410000236
Figure BDA0002820241410000237
XBS＝4XB1+2XB2+XB3
定义：B相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcBi_A，B相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，B相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcBi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四B相变量XBS的值确定B相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XBS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000238
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000239
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002310
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XBS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002311
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000241
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000242
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XBS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000243
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000244
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000245
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XBS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000246
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000247
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000248
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XBS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000249
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002410
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002411
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XBS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002412
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002413
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002414
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XBS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002415
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002416
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002417
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XBS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000251
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000252
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000253
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤3.8，定义第一C相变量XC1、第二C相变量XC2、第三C相变量XC3和第四C相变量XCS，表达式分别如下：
Figure BDA0002820241410000254
Figure BDA0002820241410000255
Figure BDA0002820241410000256
XCS＝4XC1+2XC2+XC3
定义：C相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcCi_A，C相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，C相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcCi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四C相变量XCS的值确定C相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XCS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000257
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000258
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000259
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XCS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002510
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002511
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000261
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XCS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000262
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000263
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000264
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XCS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000265
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000266
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000267
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XCS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000268
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000269
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002610
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XCS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002611
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002612
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002613
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XCS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002614
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002615
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002616
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XCS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA00028202414100002617
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000271
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure BDA0002820241410000272
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤4，三电平DAB变换器输出电压控制
使用DAB电压控制器将步骤3.2得到的N个滤波后的A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi_A、N个滤波后的B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi_A、N个滤波后的C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi_A均控制为Vdcfi/ND，得到N个A相三电平DAB变换器的移相角δAi、N个B相三电平DAB变换器的开关频率δBi和N个C相三电平DAB变换器的开关频率δCi，其计算式分别如下：
Figure BDA0002820241410000273
Figure BDA0002820241410000274
Figure BDA0002820241410000275
其中，ND是三电平DAB变换器中高频变压器的原边与副边的匝比，KDP为DAB电压控制器的比例系数，KDI为DAB电压控制器的积分系数。在本实施例中，KDP＝0.8，KDI＝100。
图7是功率严重不平衡情况下，未采用额外控制策略时的B相电网电压采样值vgB和B相并网电流采样值igB的波形。其中，四个H桥变换器前级光伏组件光照强度分别为1000W/m2、1000W/m2、450W/m2、400W/m2和350W/m2，温度均为25℃。本实施例中，当光照强度为1000W/m2，温度为25℃时，光伏组件最大输出功率为160W，显然，光伏组件的输出功率存在严重的不平衡，由于第一个H桥变换器和第二个H桥变换器输出功率较大，会过调制，从而导致并网电流波形中谐波含量较高，波形产生畸变。
图8是功率严重不平衡情况下，采用本专利所提方法时B相电网电压采样值vgB和B相并网电流采样值igB的波形。由图5可见，在相同条件下，采用本专利所提方法后，逆变器并网电流波形质量较好，谐波含量较低。

Claims (1)

1.一种共直流母线级联型光伏逆变器的功率不平衡控制方法，所述的共直流母线级联型光伏逆变器是三相并网逆变器，由A相、B相和C相组成；A相、B相和C相均包含N个相同的模块，N为大于1的整数，其中，每个模块均由一个三电平DAB变换器串联一个H桥变换器构成；A相、B相和C相中各自设置且彼此对应的第i个模块的输入端口并联在一起形成一条公共直流母线，i＝1，2，...，N，对于每相均包含N个模块的级联H桥光伏并网逆变器，总共形成N条公共直流母线，每条公共直流母线均并联一个光伏阵列；A相、B相和C相中所有模块的交流输出端互相串联，形成三个模块串，这三个模块串的一端连接在一起形成一个公共点，另一端均分别通过网侧滤波电感连接到三相星型连接的电网；
其特征在于，所述的控制方法包括N条公共直流母线电压控制、并网电流控制、三相所有H桥变换器工作模式计算和三电平DAB变换器输出电压控制，步骤如下：
步骤1，N条公共直流母线电压控制
步骤1.1，分别对N个公共直流母线电压和N个光伏阵列输出电流进行采样，得到N个公共直流母线电压采样值Vdci和N个光伏阵列输出电流采样值IPVi，i＝1，2，...，N；
步骤1.2，对N个公共直流母线电压采样值Vdci和N个光伏阵列输出电流采样值IPVi进行最大功率点跟踪运算，得到N个最大功率点参考电压
Figure FDA0002820241400000011
Figure FDA0002820241400000012
步骤1.3，使用频率为2fgHz的陷波器对步骤1.1所得的N个公共直流母线电压采样值Vdci进行滤波，fg为电网电压频率，得到N个滤波后的公共直流母线电压采样值Vdcfi，i＝1，2，...，N；
步骤1.4，使用电压调节器将N条公共直流母线电压之和控制为N个光伏组件的最大功率点电压之和，电压调节器的输出为并网电流有功分量参考值
Figure FDA0002820241400000021
其计算式为：
Figure FDA0002820241400000022
其中，KvP为电压调节器的比例系数，KvI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；
步骤2，并网电流控制
步骤2.1，分别对三相电网电压和三相并网电流进行采样，得到三相电网电压采样值vgA，vgB，vgC和三相并网电流采样值igA，igB，igC；
步骤2.2，使用数字锁相环对三相电网电压采样值vgA，vgB，vgC进行锁相，得到电网电压相位角ωt、角频率ω以及电网相电压的幅值Vg；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中采样得到的三相电网电压vgA，vgB，vgC转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中得到的三相并网电流的采样值igA，igB，igC转换成旋转坐标系下的并网电流有功分量id和并网电流无功分量iq；
电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq的计算式为：
Figure FDA0002820241400000023
并网电流有功分量id和并网电流无功分量iq的计算式为：
Figure FDA0002820241400000031
步骤2.3，为了使系统能够单位功率因数运行，将并网电流无功分量参考值
Figure FDA0002820241400000032
直接设定为0，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器将id和iq控制为
Figure FDA0002820241400000033
和
Figure FDA0002820241400000034
计算得到有功电流调节器的输出值Δvd和无功电流调节器的输出值Δvq，其计算式分别为：
Figure FDA0002820241400000035
其中，KiP为有功电流调节器、无功电流调节器的比例系数，KiI为有功电流调节器、无功电流调节器的积分系数；
步骤2.4，根据步骤2.2得到的电网电压有功分量ed、电网电压无功分量eq、电网电流有功分量id、电网电流无功分量iq、电网电压角频率ω以及步骤2.3中得到的有功电流调节器的输出值Δvd和无功电流调节器的输出值Δvq，计算得到有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq，如下式所示：
Figure FDA0002820241400000036
其中，Lf为网侧滤波电感；
步骤2.5，将步骤2.4所得的有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq从同步旋转坐标系转移到三相静止坐标系上，分别得到A相、B相和C相的调制电压va，vb和vc，计算式为：
Figure FDA0002820241400000041
步骤2.6，根据步骤2.4得到的有功调制电压幅值vd和无功调制电压幅值vq，计算出逆变器的交流输出基波电压与电网电压的夹角α，其计算式为：
α＝arctan(vq/vd)
其中，arctan(vq/vd)表示vq/vd的反正切值；
步骤3，三相所有H桥变换器工作模式计算
步骤3.1，对每个H桥变换器的直流侧电容电压进行采样，得到以下数据：N个A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi，N个B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi和N个C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi；
步骤3.2，使用频率为2fgHz的陷波器对步骤4.1所得的数据进行滤波，得到以下数据：N个滤波后的A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi_A，N个滤波后的B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi_A和N个滤波后的C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi_A；
步骤3.3，通过补偿三次谐波降低调制电压的幅值，补偿三次谐波后A相、B相和C相的调制电压分别为
Figure FDA0002820241400000042
和
Figure FDA0002820241400000043
其计算式为：
Figure FDA0002820241400000044
步骤3.4，分别计算N个滤波后的公共直流母线电压采样值Vdcfi与其对应的光伏阵列的最大功率点参考电压
Figure FDA0002820241400000045
的差值VEi，其计算式为：
Figure FDA0002820241400000051
步骤3.5，首先以固定时间TF为周期，对差值VEi按从小到大的顺序进行排序，将排序后的值按从小到大的顺序依次记为VEPi，i＝1，2，...，N，并将按从小到大的顺序排列的VEpi，i＝1，2，...，N，对应的公共直流母线电压的采样值Vdcfi，i＝1，2，...，N，记为正排序的公共直流母线电压采样值Vi，i＝1，2，...，N；其次将A相、B相和C相的调制电压
Figure FDA0002820241400000052
和
Figure FDA0002820241400000053
分成N个电压区间，然后计算出A相调制电压
Figure FDA0002820241400000054
所处的区间KA，B相调制电压
Figure FDA0002820241400000055
所处的区间KB和C相调制电压
Figure FDA0002820241400000056
所处的区间KC，其计算式分别为：
Figure FDA0002820241400000057
Figure FDA0002820241400000058
Figure FDA0002820241400000059
步骤3.6，定义第一A相变量XA1、第二A相变量XA2、第三A相变量XA3和第四A相变量XAS，表达式分别如下：
Figure FDA00028202414000000510
Figure FDA00028202414000000511
Figure FDA00028202414000000512
XAS＝4XA1+2XA2+XA3
定义：A相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcAi_A，A相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，A相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcAi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四A相XAS的值确定A相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XAS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000061
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000062
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000063
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XAS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000064
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000065
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000066
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XAS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000067
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000068
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000615
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XAS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000610
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000611
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000612
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XAS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000613
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000614
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000071
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XAS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000072
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000073
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000074
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XAS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000075
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000076
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000077
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XAS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000078
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000079
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000710
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤3.7，定义第一B相变量XB1、第二B相变量XB2、第三B相变量XB3和第四B相变量XBS，表达式分别如下：
Figure FDA00028202414000000711
Figure FDA00028202414000000712
Figure FDA00028202414000000713
XBS＝4XB1+2XB2+XB3
定义：B相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcBi_A，B相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，B相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcBi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四B相变量XBS的值确定B相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XBS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000081
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000082
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000083
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XBS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000084
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000085
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000086
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XBS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000087
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000088
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000089
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XBS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000810
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000811
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000812
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XBS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000813
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000814
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000091
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XBS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000092
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000093
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000094
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XBS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000095
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000096
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000097
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XBS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000098
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000099
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000000910
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤3.8，定义第一C相变量XC1、第二C相变量XC2、第三C相变量XC3和第四C相变量XCS，表达式分别如下：
Figure FDA00028202414000000911
Figure FDA00028202414000000912
Figure FDA00028202414000000913
XCS＝4XC1+2XC2+XC3
定义：C相第i个H桥变换器运行于“+1”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为VcCi_A，C相第i个H桥变换器运行于“PWM”模式表示该H桥变换器交流侧输出电压为PWM波，C相第i个H桥变换器运行于“-1”模式表示该H桥单元交流侧输出电压为-VcCi_A，i＝1，2，...，N；
根据第四C相变量XCS的值确定C相N个H桥变换器的运行模式：
(1)当XCS＝0时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000101
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000102
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000103
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(2)当XCS＝1时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000104
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000105
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000106
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(3)当XCS＝2时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000107
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000108
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000109
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(4)当XCS＝3时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000001010
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000001011
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000001012
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(5)当XCS＝4时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000001013
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000001014
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000111
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(6)当XCS＝5时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000112
的H桥变换器运行于“-1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000113
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000114
VN的H桥变换器运行于“+1”模式；
(7)当XCS＝6时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000115
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000116
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000117
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
(8)当XCS＝7时，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000118
的H桥变换器运行于“+1”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA0002820241400000119
的H桥变换器运行于“PWM”模式，正排序的公共直流母线电压采样值为
Figure FDA00028202414000001110
VN的H桥变换器运行于“-1”模式；
步骤4，三电平DAB变换器输出电压控制
使用DAB电压控制器将步骤3.2得到的N个滤波后的A相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcAi_A、N个滤波后的B相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcBi_A、N个滤波后的C相H桥变换器直流侧电容电压采样值VcCi_A均控制为Vdcfi/ND，得到N个A相三电平DAB变换器的移相角δAi、N个B相三电平DAB变换器的开关频率δBi和N个C相三电平DAB变换器的开关频率δCi，其计算式分别如下：
Figure FDA0002820241400000121
Figure FDA0002820241400000122
Figure FDA0002820241400000123
其中，ND是三电平DAB变换器中高频变压器的原边与副边的匝比，KDP为DAB电压控制器的比例系数，KDI为DAB电压控制器的积分系数。
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