CN112994090B - 适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法。它针对光伏中压级联逆变器各功率变换模块间不同的输入有功功率，通过控制最小所需的无功功率来提高对有功功率不平衡的适应能力。该方法通过控制有功功率最大的模块只输出有功，同时对除有功功率最大模块以外的所有功率模块的有功功率进行排序，使得有功功率最小的模块首先输出无功，并且按模块的有功功率排序依次输出所需的无功；当以上控制方案失效时，则采取使所有功率变换模块视在功率相等的方法进行控制。本发明在增强变换器对功率不平衡的适应能力的同时可使所需输出的无功功率尽可能小。

Description

适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法
技术领域
本发明涉及中压光伏发电功率变换技术领域，尤其涉及一种适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法。
背景技术
光伏发电应用中的一个关键指标是发电效率。传统的大型光伏电站变换器的解决方案主要是集中式发电架构。集中式发电是通过高压直流汇流后再集中进行逆变的变换器架构，这种架构的示意图如图1所示。在集中式架构的光伏电站中，为了实现升压和电气隔离，需要笨重的工频交流升压变压器，而这个变压器存在空载损耗高等问题，降低了中压光伏系统的效率。
级联型隔离变换器可以避免使用传统方案中的工频变压器，同时，模块化的设计可以有效降低生产制造成本，提升系统可靠性和可拓展性。级联型隔离变换器的结构示意图如图2所示。现有的光伏中压级联变换系统存在着功率不平衡的问题，随着光照强度、使用时间等的变化，光伏电池板的输出功率、电压大小也在发生改变，从而可能导致各个模块输出功率不平衡，并且可能导致模块输出过调制，进而导致光伏变换器故障停机。为了获得尽可能长的发电时间，需要级联变换器在功率不平衡情况下也能正常工作。在传统的架构中，所有光伏电池板都连接到同一直流母线，功率可以在各模块间流动，不存在功率不平衡导致的过调制问题。而针对没有公共直流母线的两级式架构，需要通过控制策略来避免过调制问题[2]。目前常见的思路是通过使级联变换器输出或吸收无功功率来拓宽级联变换器耐受功率不平衡的范围。目前已发表的文献中，比较有代表性的两种控制策略是无功功率均分(Reactive Power Sharing,RPS)[3]和视在功率均分(Apparent Power Sharing,APS)策略[4]。RPS策略是使各个模块输出的无功功率相同，APS策略则是使各个模块输出的视在功率相同。
上述控制方法对功率不平衡的应用范围有一定的限制，并且所需较大的无功功率。无功功率的增加会导致并网电流的增加，从而会导致各个模块功率损耗的增加。本发明的目的在于，尽可能提升变换器对功率不平衡耐受能力的同时，尽量减小无功功率的大小。
参考文献：
[1]G.Liu,Y.Jang,M.M.Jovanovi,and J.Q.Zhang,“Implementation of a 3.3-kW DC–DC Converter for EV On-Board Charger Employing the Series-ResonantConverter With Reduced-Frequency-Range Control,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.32,no.6,pp.4168–4184,Jun.2017,doi:10.1109/TPEL.2016.2598173.
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[3]L.Liu,H.Li,and Y.Xue,“A coordinated active and reactive powercontrol strategy for grid-connected cascaded photovoltaic(PV)system in highvoltage high power applications,”in 2013Twenty-Eighth Annual IEEE AppliedPower Electronics Conference and Exposition(APEC),Long Beach,CA,USA,Mar.2013,pp.1301–1308.
[4]L.Liu,H.Li,Y.Xue,and W.Liu,“Reactive Power Compensation andOptimization Strategy for Grid-Interactive Cascaded Photovoltaic Systems,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.30,no.1,pp.188–202,Jan.2015.
发明内容
本发明的目的针对现有技术的不足，提出一种适合功率变换模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法，来提升光伏发电系统对功率不平衡的适应性，同时系统的无功功率尽可能小。
本发明的一种适合功率变换模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法,是针对光伏中压级联逆变器各功率变换模块间不同的输入有功功率，通过控制有功功率最大的模块只输出有功，同时对除有功功率最大的模块以外的所有功率模块的有功功率进行排序，使得有功功率最小的模块首先输出无功，并且按模块的有功功率由小到大排序依次输出所需的无功；当以上控制方案失效时，则采取使所有功率变换模块视在功率相等的方法进行控制。
所述控制方法可以由如下控制系统实现，包括：直流电压控制模块，无功功率计算模块，电流控制模块，电压分量计算模块，调制模块，有功功率排序模块，重排序模块。直流电压控制模块的输入是各个功率变换模块的直流电压Vdci(i＝1,2,...,N)，输出是各个功率变换模块的有功功率指令值Pi(i＝1,2,...,N)。各个模块的有功功率Pi(i＝1,2,...,N)相加后得到总有功功率Pg。无功功率计算模块的输入是经过有功功率排序模块排序后的各个模块的有功功率指令值Pki(i＝1,2,...,N)，Pki∈Pi(i＝1,2,...,N)且Pk1≤Pk2≤…≤PkN，，输出是系统总的无功功率指令值Qg和各ki模块的无功功率指令值Qki。重排序模块按照ki与i的对应关系对无功功率指令值Qki重排得到Qi(i＝1,2,...,N),电流控制模块的输入是由总有功功率Pg和总无功功率Qg与电网电压相除得到的d轴和q轴电流指令值idref和iqref，输出是系统输出电压vs在d'轴和q'轴上的分量大小vsd'和vsq'。电压分量计算模块的输入是vsd',vsq',Pg,Qg,Pi(i＝1,2,...,N)，以及Qi(i＝1,2,...,N),输出是各个功率变换模块的电压瞬时值Vsi(i＝1,2,...,N)，Vsi经过调制模块转化为脉冲PWM信号发送给各功率变换模块的开关管。
d-q坐标系指d轴与电网电压相量平齐，q轴超前d轴90°的坐标系；d'-q'坐标系指d'轴与并网电流相量平齐，q'轴超前d'轴90°的坐标系。dq0和d'q'0坐标轴与系统中各相量关系的示意图如图4所示。
可选地，无功功率计算模块根据以下方式确定系统所需的总无功功率：
Figure GDA0003534865340000031
其中N为功率变换模块数，Vmax为各个模块允许输出的最大电压，Vg为电网电压，Sref是以下方程的解：
Figure GDA0003534865340000041
k1,k2,...,kN为按照有功功率由小到大进行排序后的各模块下标，Pkj(j＝1,2,...,N)代表下标为kj的模块的有功功率，即：
Pk1≤Pk2≤…≤PkN
可选地，所述无功功率计算模块根据以下方式确定系统中各个模块所需的无功功率：
Figure GDA0003534865340000042
其中，Qkj代表模块kj的无功功率。公式的第一行表示此时模块km无需承担无功功率，因此Qkm＝0。公式的第二行表示当前未分配的无功功率没有超过在模块km不发生过调制的前提下所容许输出的限值：
Figure GDA0003534865340000043
因此将目前未分配的所有无功功率全部分配给模块km：
Figure GDA0003534865340000044
公式的第三行表示当前未分配的无功功率超过模块km的限值，因此令模块km输出在不发生过调制的前提下所容许的最大无功功率：
Figure GDA0003534865340000045
公式的第四行表示功率不平衡较为严重，若模块kN不输出无功功率已无法满足功率变换模块不发生过调制的要求，因此模块kN也输出无功功率，并使得所有模块的视在功率Sref相等。
可选地，所述无功功率计算模块也可以根据以下方式确定各模块的无功功率：
Figure GDA0003534865340000051
其中Sref1代表模块k1,k2,...,kN-1的视在功率，公式的第一行表示此时模块km无需承担无功功率，因此Qkm＝0。公式的第二行表示当前未分配的无功功率没有超过在模块km不发生过调制的前提下所容许输出的限值：
Figure GDA0003534865340000052
因此将目前未分配的所有无功功率全部分配给模块km：
Figure GDA0003534865340000053
公式的第三行表示当前未分配的无功功率超过模块km的限值，因此令模块km输出在不发生过调制的前提下所容许的最大无功功率：
Figure GDA0003534865340000054
公式的第四行表示此时可以控制模块k1,k2,...,kN-1的视在功率相等，设模块k1,k2,...,kN-1的视在功率为Sref1，则Sref1按下式获得：
Figure GDA0003534865340000055
公式的第五行表示功率不平衡较为严重，若模块kN不输出无功功率已无法满足功率变换模块不发生过调制的要求，因此模块kN也输出无功功率，并使得所有模块的视在功率Sref相等。
本发明通过合理地设置和分配各个模块的无功功率大小，使系统在因光照、温度等变化导致光伏电池板输出功率波动，各个模块有功功率Pi不平衡的情况下仍能保持稳定工作。
附图说明
图1是现有的集中式光伏电站的结构示意图。
图2是级联型变换器的结构示意图。
图3是本发明的适合模块间功率不平衡的光伏中压级联级联变换器控制系统示意图。
图4是dq0和d'q'0坐标轴与系统中各相量关系的示意图。
具体实施方式
图2是本发明所述功率变换模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器的示意图。为了避免功率不平衡导致的过调制，延长发电时间，级联变换器控制系统需要采用一定的控制策略。常见的思路是通过使级联变换器输出或吸收无功功率来拓宽级联变换器耐受功率不平衡的范围。本发明提出一种适合所述变换器的控制方法，所述控制方法的一种具体控制系统如图3所示，由直流电压控制模块101，无功功率计算模块102，输出电流控制模块103，电压分量计算模块104，调制模块105，有功功率排序模块106，重排序模块107组成。直流电压控制模块101的输入是各个模块的直流电压Vdci(i＝1,2,...,N)，输出是各个模块的有功功率指令值Pi(i＝1,2,...,N)。各个模块的有功功率Pi(i＝1,2,...,N)相加后得到总有功功率Pg。无功功率计算模块102的输入是经过有功功率排序模块106排序后的各个模块的有功功率指令值Pki(i＝1,2,...,N)，Pki∈Pi(i＝1,2,...,N)且Pk1≤Pk2≤…≤PkN，，输出是系统总的无功功率指令值Qg和各个模块的无功功率指令值Qki。电流控制模块103的输入是由总有功功率Pg和总无功功率Qg与电网电压相除得到的d轴和q轴电流指令值idref和iqref，输出是系统输出电压vs在d'轴和q'轴上的分量大小vsd'和vsq'。电压分量计算模块的输入是vsd',vsq',Pg,Qg,Pi(i＝1,2,...,N)，以及经过重排序模块107按照ki与i的对应关系重排序后的Qi(i＝1,2,...,N),输出是各个模块的电压瞬时值Vsi(i＝1,2,...,N)。Vsi经过调制模块105转化为脉冲PWM信号发送给各开关管。所述直流电压控制模块101、输出电流控制模块103可参见参考文献[3]、[4]实现，电压分量计算模块104、调制模块105均为现有技术，本领域技术人员依据其功能即可获得，不再赘述。
所述的d-q坐标系指d轴与电网电压相量平齐，q轴超前d轴90°的坐标系；d'-q'坐标系指d'轴与并网电流相量平齐，q'轴超前d'轴90°的坐标系，如图4。
可选地，所述无功功率计算模块102根据以下公式计算系统所需的总无功功率：
Figure GDA0003534865340000071
其中N为功率模块数，Vmax为各个模块允许输出的最大电压，Vg为电网电压，Sref是以下方程的解：
Figure GDA0003534865340000072
k1,k2,...,kN为按照有功功率大小排序后的各模块下标，Pkj(j＝1,2,...,N)代表下标为kj的模块的有功功率，即：
Pk1≤Pk2≤…≤PkN (3)
本发明针对模块间不同的有功功率分布情况，采用不同的方式进行无功控制。
当判别式
Figure GDA0003534865340000073
满足时，表明此时系统无需进行无功控制，因此所需无功功率为0。
当判别式
Figure GDA0003534865340000081
满足时，表明此时系统需要进行无功控制才能在不发生过调制的情况下运行，在有功功率最大的模块kN不输出无功功率，即QkN＝0，且模块kN的输出电压为Vmax，即VkN＝Vmax时，所需无功功率可以取得最小值，最小值根据以下公式计算：
Figure GDA0003534865340000082
为了避免功率模块过调制，同时尽量减小无功功率，在判别式(5)满足时，所需无功功率Qg按式(6)计算。
当判别式
Figure GDA0003534865340000083
满足时，表明此时若模块kN不输出无功功率，仅依靠余下N-1个模块输出无功功率，已无法适应系统的有功功率不平衡。因此需要进一步增大系统的无功输出能力。在增大无功的同时，还需要保证各个模块的电压不超过Vmax。此时控制各个模块的视在功率Si相同，根据公式
Figure GDA0003534865340000084
可知，当各个模块视在功率Si相同时，各个模块的电压Vi也相同。假设各个模块的视在功率大小为Sref，将所有模块的电压都控制在Vmax，可以得到以下方程：
Figure GDA0003534865340000085
在判别式(7)满足时，根据式(9)计算Sref，并控制各个模块的视在功率为Sref。
可选地，所述无功功率计算模块102根据以下公式计算系统中各个模块所需的无功功率：
Figure GDA0003534865340000091
首先，若判别式(4)满足，表明此时系统无需注入无功也可不发生过调制，则各个模块视在功率为0。
当判别式(5)满足时，表明系统发生过调制，此时有功功率最大的模块kN不输出无功功率，即QkN＝0，且模块kN的输出电压为Vmax，即VkN＝Vmax。所需无功功率大小根据式(6)计算。将无功功率Qg按照有功功率从小到大的顺序依次分配给各个模块，即分配Qg的顺序是k1,k2,...,kN-1，并控制各个模块的视在功率不超过有功功率的最大值PkN。
以第km个模块为例，当分配到第km个模块时，还未分配的无功大小为：
Figure GDA0003534865340000092
若Qgkm满足以下公式：
Figure GDA0003534865340000093
表明此时仅依靠模块km即可输出剩余的Qgkm，同时模块km的视在功率不会超过PkN，因此模块km的无功功率为：
Figure GDA0003534865340000094
若Qgkm满足以下公式：
Figure GDA0003534865340000101
表明此时仅靠模块km无法在输出剩余的Qgkm的同时保证视在功率不超过PkN，则将模块km视在功率限制为PkN，其无功功率为：
Figure GDA0003534865340000102
当判别式(7)满足时，各个模块的视在功率均为由式(9)计算得到的Sref，则模块km的无功功率为：
Figure GDA0003534865340000103
可选地，所述无功功率计算模块102也可以根据以下公式：
Figure GDA0003534865340000104
来计算系统中各个模块所需的无功功率。其中Sref1代表模块k1,k2,...,kN-1的视在功率，Sref1是以下方程的解：
Figure GDA0003534865340000105
式(17)与式(10)的主要区别在于，当条件
Figure GDA0003534865340000106
满足时，使模块k1,k2,...,kN-1输出的视在功率相等，各个模块的视在功率Sref1是方程(18)的解，采用这种方法可以更好的提升各个模块的功率分布均衡性。
本发明的方法可以在增强变换器对功率不平衡的适应能力的同时使得无功功率尽可能小。

Claims (5)

1.一种适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法，其特征在于，针对光伏中压级联逆变器各功率变换模块间不同的输入有功功率，通过控制有功功率最大的模块只输出有功，同时对除有功功率最大的模块以外的所有功率模块的有功功率进行排序，使得有功功率最小的模块首先输出无功，并且按模块的有功功率由小到大排序依次输出所需的无功；当以上控制方案失效时，则采取使所有功率变换模块视在功率相等的方法进行控制。
2.根据权利要求1所述的适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法，其特征在于，所述控制方法基于如下控制系统实现：
所述控制系统包括直流电压控制模块(101)，无功功率计算模块(102)，输出电流控制模块(103)，电压分量计算模块(104)，调制模块(105)，有功功率排序模块(106)，重排序模块(107)；各功率变换模块的直流电压Vdci(i＝1,2,...,N)输入所述直流电压控制模块(101)，经处理后输出各功率变换模块的有功功率指令值Pi(i＝1,2,...,N)，相加总和为总有功功率Pg；有功功率排序模块(106)将所述各功率变换模块的有功功率指令值由小到大进行排序得到排序后的有功功率指令值Pki(i＝1,2,...,N)，Pki∈Pi(i＝1,2,...,N)且Pk1≤Pk2≤…≤PkN，输入至无功功率计算模块(102)，无功功率计算模块(102)输出系统总的无功功率指令值Qg和各ki功率变换模块的无功功率指令值Qki；重排序模块(107)按照ki与i的对应关系对无功功率指令值Qki重排得到Qi(i＝1,2,...,N),将总有功功率Pg、总无功功率Qg与电网电压相除得到的d轴和q轴电流指令值idref和iqref输入所述输出电流控制模块(103)得到系统输出电压vs在d'轴和q'轴上的分量大小vsd'和vsq'，再将vsd',vsq',Pg,Qg,Pi(i＝1,2,...,N)，以及Qi(i＝1,2,...,N)输入至电压分量计算模块(104)获得各个功率变换模块的电压瞬时值Vsi(i＝1,2,...,N)，经过调制模块(105)转化为脉冲PWM信号发送给各功率变换模块中的开关管；所述d轴为与电网电压相量平齐，q轴超前d轴90°；所述d'轴为与并网电流相量平齐，q'轴超前d'轴90°。
3.根据权利要求2所述的适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法，其特征在于，所述无功功率计算模块(102)根据以下公式确定系统所需的总无功功率Qg：
Figure FDA0003534865330000021
其中N为功率变换模块数，Vmax为各个功率变换模块允许输出的最大电压，Vg为电网电压，Sref表示各功率变换模块的视在功率均相同，由下式求得：
Figure FDA0003534865330000022
4.根据权利要求3所述的适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法，其特征在于，所述无功功率计算模块(102)采用如下方法确定各功率变换模块的无功功率指令值：
Figure FDA0003534865330000023
其中，Qkj代表功率变换模块kj的无功功率。
5.根据权利要求3所述的适合模块间功率不平衡的光伏中压级联型变换器控制方法，其特征在于，所述无功功率计算模块(102)按照如下方式确定系统中各个功率变换模块所需的无功功率：
Figure FDA0003534865330000031
其中，其中，Qkj代表功率变换模块kj的无功功率；功率变换模块k1,k2,...,kN-1的视在功率均相等，为Sref1；
Sref1按下式获得：
Figure FDA0003534865330000032
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