CN114172402B - 扩大级联h桥光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩大级联H桥光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制策略，属于光伏发电领域。主要步骤如下：(1)对所有H桥单元直流母线电压进行控制，使各H桥单元对应光伏组件工作于最大功率点；(2)对并网电流进行控制；(3)当H桥单元调制度大于1时，采取谐波补偿控制策略，生成每个H桥单元的调制波。相比现有技术，本发明进一步扩大了级联H桥光伏逆变器运行范围，提高了级联H桥光伏逆变器应对各H桥单元光伏功率不平衡的能力。

Description

扩大级联H桥光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制策略

技术领域

本发明属于电气工程领域的光伏发电技术，具体涉及一种扩大级联H桥光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制策略。

背景技术

级联H桥拓扑具有模块化的结构，易于扩展、冗余性好，且能输出多电平阶梯波，谐波含量少，节约了滤波器的成本和体积，因此在光伏逆变器领域具有十分重要的研究价值。

然而实际中级联H桥型光伏逆变器中部分光伏板会因老化损坏或者局部遮挡，造成输出功率骤降，导致其他正常输出的光伏组件对应模块出现过调制，进而使输出电流质量变差，甚至失稳。

目前针对这个问题已有相关研究，文献“A.Eskandari，V.Javadian，H.Iman-Einiand M.Yadollahi，″Stable operation of grid connected Cascaded H-Bridgeinverter under unbalanced insolation conditions，″20133rd InternationalConference on Electric Power and Energy Conversion Systems，Istanbul，Turkey，2013，pp.1-6，doi：10.1109/EPECS.2013.6713006.”(A.Eskandari，V.Javadian，H.ImanEini and M.Yadollahi，“不平衡日照条件下并网级联H桥逆变器的稳定运行”，2013年第三届电力和能量转换系统国际会议，土耳其伊斯坦布尔，2013年，第1-6页，doi：10.1109/EPECS.2013.6713006)提出一种改进的MPPT算法，让过调制模块退出MPPT运行，从而在源头上均衡功率，但这种方法降低了光伏发电量。

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[J].中国电机工程学报，2017，37(17)：5076-5085+5227.”提出无功补偿控制策略，通过补偿功率因数角，降低调制波幅值，从而解决过调制问题，但这种方法无法使逆变器工作在单位功率因数，向系统注入无功电流显然也不符合并网要求。

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，提出了一种三次谐波补偿方法，不仅避免了光伏功率降额输出，而且没有向电网注入无功电流，但这种方法只适用于光伏功率不平衡程度不大的场合，它的线性调制范围只能达到1.155，对于过调制单元调制度超过1.155的情况将无法应对。

综上所述，现有方案还存在以下缺点：

1)当某些H桥单元出现过调制时，改进MPPT算法虽然能在较大范围内解决过调制问题，但是以牺牲发电量为代价的，光伏利用率不高；

2)无功补偿控制策略虽然能让所有H桥单元均不过调制，但系统无法工作在单位功率因数，会向电网注入无功功率，不满足并网要求；

3)虽然三次谐波补偿方法规避了上述两种方法存在的问题，但其能应对的光伏功率不均衡程度不大。

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，提出一种扩大级联H桥光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制策略，当各H桥单元出现功率不均衡时，不仅避免了光伏功率降额输出，而且没有向电网注入无功电流，且相对三次谐波补偿方案，进一步扩大了H桥的线性调制范围，适用于光伏功率不均衡程度较大的场合。

为解决本发明的技术问题，本发明提供了一种扩大级联H桥光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制策略，所述级联H桥光伏逆变器为单相逆变器，该单相逆变器包含N个相同的H桥单元，将N个H桥单元中的任一个H桥单元记为H桥单元i，i＝1，2...N，N为大于1的正整数；在每个H桥单元i的前端均并联一个直流母线电容C_i，每个直流母线电容C_i都分别与一块光伏组件PV_i并联，N个H桥单元i的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感L_s与电网并连；

所述谐波补偿控制策略包括各单元直流侧电压控制、电流环控制及调制波生成，步骤如下：

步骤1，各单元直流侧电压控制

步骤1.1，采样H桥单元i所对应的直流母线电容C_i处的电压，并记为直流母线电压V_dci，i＝1，2，...，N，采样H桥单元i所连接的光伏组件PV_i的输出电流，并记为输出电流I_PVi，i＝1，2，...，N；

计算H桥单元i的光伏发电功率P_pvi，P_pvi＝V_dciI_pvi，i＝1，2，...，N，然后对H桥单元i的光伏发电功率P_pvi进行最大功率点追踪控制，得到H桥单元i的最大功率点电压，并记为最大功率点电压

将最大功率点电压作为H桥单元i的直流侧电压参考值，i＝1，2，…，N；

步骤1.2，将直流母线电压V_dci经过频率为2f_g的陷波器陷波后得到不含二倍频分量的直流侧电压，并记为直流侧电压V_{dci_fil}，i＝1，2，…，N，其中f_g为电网频率；

步骤1.3，将直流侧电压V_{dci_fil}和直流侧电压参考值通过电压调节器进行控制，得到电压调节器输出I_i，i＝1，2，…，N，

其中，k_vP为电压调节器的比例系数，k_vI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤1.4，计算H桥单元i的输出功率P_i，i＝1，2，…，N，

P_i＝V_{dci_fi1}I_i

步骤1.5，计算单相逆变器的总功率P_T，

步骤2，电流环控制

步骤2.1，对电网电压v_g和并网电流i_g进行采样，并对电网电压v_g进行锁相，得到电网电压幅值V_gM和电网电压相位角θ；

步骤2.2，对并网电流i_g进行SOGI运算，得到并网电流α轴分量i_α和并网电流β轴分量i_β，再将并网电流α轴分量i_α和并网电流β轴分量i_β从静止垂直坐标系变换到同步旋转坐标系中，得到并网电流d轴分量I_d和并网电流q轴分量I_q，计算公式如下：

其中，sinθ和cosθ分别表示电网电压相位角θ的正弦值和余弦值；

步骤2.3，令并网电流q轴分量参考值为0，计算并网电流d轴分量参考值/>

步骤2.4，将并网电流d轴分量参考值和并网电流d轴分量I_d经过电流调节器，并将电网电压幅值V_gM前馈后，得到逆变器的d轴调制电压U_d；将并网电流q轴分量参考值/>和并网电流q轴分量I_q经过电流调节器，得到逆变器的q轴调制电压U_q，具体公式如下

其中，k_iP为电流调节器的比例系数，k_iI为电流调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2.5，根据d轴调制电压U_d和q轴调制电压U_q，计算逆变器的总调制电压幅值V_r、计算总调制电压与电网电压的夹角θ_r，

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值；

步骤2.6，计算H桥单元i的单元调制度M_i，i＝1，2，…，N，

步骤3，调制波生成

在N个H桥单元中，M_i＞1的H桥单元i为过调制单元，过调制单元均进入步骤3.1，M_i≤1的H桥单元i为非过调制单元，非过调制单元均进入步骤3.2；将H桥单元i的调制电压记为v_ri；

步骤3.1，过调制单元调制电压及补偿总谐波计算

按下式分别反解出过调制单元中的H桥单元i的触发角

计算过调制单元中的H桥单元i的调制电压v_ri，

计算补偿给调制单元中的H桥单元i的谐波，并记为补偿谐波hf_i，i＝1，2，…，N，

hf_i＝v_ri-M_icos(θ+θ_r)

令所有未进入步骤3.1的H桥单元i的补偿谐波hf_i均为0，计算所有过调制单元补偿的总谐波电压v_hf，

步骤3.2，非过调制单元调制电压计算

计算非过调制单元中的H桥单元i的注入反向谐波的裕度V_hoimax，i＝1，2，…，N，

V_hoimax＝(1-Mi)V_{dci_fil}

令所有未进入步骤_3.2的H桥单元i的注入反向谐波的裕度V_hoimax均为0，计算补偿给非过调制单元中的H桥单元i的谐波，并记为反向补偿谐波ho_i，i＝1，2，…，N，

计算非过调制单元中的H桥单元i的调制电压v_ri，

v_ri＝M_icos(θ+θ_r)+ho_i。

本发明相对现有技术的有益效果是：

1、当各H桥单元光伏功率不均衡时，系统能在光伏功率不降额的条件下，运行在单位功率因数；

2、相比于现有文献提及的三次谐波补偿方案，本发明继承其全部优点，并进一步扩大了H桥的线性调制范围，能应对光伏功率不均衡程度较大的场合。

附图说明

图1是本发明实施例中的单相级联H桥光伏并网逆变器主电路拓扑结构。

图2是本发明实施例中的单相级联H桥光伏并网逆变器控制框图。

图3是H桥功率不均衡时，过调制单元原有调制波形、补偿谐波后波形及谐波波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

图1是本发明实施例中的单相级联H桥光伏并网逆变器主电路拓扑结构。由该图可见，所述级联H桥光伏逆变器为单相逆变器，该单相逆变器包含N个相同的H桥单元，将N个H桥单元中的任一个H桥单元记为H桥单元i，i＝1，2...N，N为大于1的正整数；在每个H桥单元i的前端均并联一个直流母线电容C_i，每个直流母线电容C_i都分别与一块光伏组件PV_i并联，N个H桥单元i的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感L_s与电网并连。

具体的，每个H桥单元i包括4个具有反向并联二极管的开关管，分别记为开关管S_i1，开关管S_i2，开关管S_i3和开关管S_i4，其中开关管S_i1的发射极与开关管S_i2的集电极串联组成第i个H桥单元的左桥臂，且开关管s_i1发射极和开关管S_i2集电极的接点记为第i个H桥单元左桥臂中点l_i，开关管S_i3的发射极与开关管S_i4的集电极串联组成第i个H桥单元的右桥臂，且开关管S_i3发射极和开关管S_i4集电极的接点记为第i个H桥单元右桥臂中点r_i。第1个H桥单元左桥臂中点l₁与滤波电感串联后并到单相电网；第i个H桥单元左桥臂中点l_i与第(i-1)个H桥单元右桥臂中点r_i-1串联，第i个H桥单元右桥臂中点r_i与第(i+1)个H桥单元左桥臂中点l_i+1串联，i＝2，3，...，N-1；第N个H桥单元右桥臂中点r_N接电网地端。

图2是本发明实施的单相级联H桥光伏并网逆变器控制框图，包括各单元的直流侧电压控制模块、电流环控制模块及调制波生成模块。由图2可见，本发明扩大级联H桥光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制策略包括各单元直流侧电压控制、电流环控制及调制波生成，步骤如下：

步骤1，各单元直流侧电压控制

步骤1.1，采样H桥单元i所对应的直流母线电容C_i处的电压，并记为直流母线电压V_dci，i＝1，2，...，N，采样H桥单元i所连接的光伏组件PV_i的输出电流，并记为输出电流I_PVi，i＝1，2，...，N；

计算H桥单元i的光伏发电功率P_pvi，P_pvi＝V_dciI_pvi，i＝1，2，...，N，然后对H桥单元i的光伏发电功率P_pvi进行最大功率点追踪控制，得到H桥单元i的最大功率点电压，并记为最大功率点电压

将最大功率点电压作为H桥单元i的直流侧电压参考值，i＝1，2，…，N；

步骤1.2，将直流母线电压V_dci经过频率为2f_g的陷波器陷波后得到不含二倍频分量的直流侧电压，并记为直流侧电压V_{dci_fil}，i＝1，2，…，N，其中f_g为电网频率；

步骤1.3，将直流侧电压V_{dci_fil}和直流侧电压参考值通过电压调节器进行控制，得到电压调节器输出I_i，i＝1，2，…，N，

其中，k_vP为电压调节器的比例系数，k_vI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤1.4，计算H桥单元i的输出功率P_i，i＝1，2，…，N，

P_i＝V_{dci_fil}I_i

步骤1.5，计算单相逆变器的总功率P_T，

步骤2，电流环控制

步骤2.1，对电网电压v_g和并网电流i_g进行采样，并对电网电压v_g进行锁相，得到电网电压幅值V_gM和电网电压相位角θ；

步骤2.2，对并网电流i_g进行SOGI运算，得到并网电流α轴分量i_α和并网电流β轴分量i_β，再将并网电流α轴分量i_α和并网电流β轴分量i_β从静止垂直坐标系变换到同步旋转坐标系中，得到并网电流d轴分量I_d和并网电流q轴分量I_q，计算公式如下：

其中，sinθ和cosθ分别表示电网电压相位角θ的正弦值和余弦值；

步骤2.3，令并网电流q轴分量参考值为0，计算并网电流d轴分量参考值/>

步骤2.4，将并网电流d轴分量参考值和并网电流d轴分量I_d经过电流调节器，并将电网电压幅值V_gM前馈后，得到逆变器的d轴调制电压U_d；将并网电流q轴分量参考值/>和并网电流q轴分量I_q经过电流调节器，得到逆变器的q轴调制电压U_q，具体公式如下

其中，k_iP为电流调节器的比例系数，k_iI为电流调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2.5，根据d轴调制电压U_d和q轴调制电压U_q，计算逆变器的总调制电压幅值V_r、计算总调制电压与电网电压的夹角θ_r，

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值；

步骤2.6，计算H桥单元i的单元调制度M_i，i＝1，2，…，N，

步骤3，调制波生成

在N个H桥单元中，M_i＞1的H桥单元i为过调制单元，过调制单元均进入步骤3.1，M_i≤1的H桥单元i为非过调制单元，非过调制单元均进入步骤3.2；将H桥单元i的调制电压记为v_ri；

步骤3.1，过调制单元调制电压及补偿总谐波计算

按下式分别反解出过调制单元中的H桥单元i的触发角

计算过调制单元中的H桥单元i的调制电压v_ri，

计算补偿给调制单元中的H桥单元i的谐波，并记为补偿谐波hf_i，i＝1，2，…，N，

hf_i＝v_ri-M_icos(θ+θ_r)

令所有未进入步骤3.1的H桥单元i的补偿谐波h_fi均为0，计算所有过调制单元补偿的总谐波电压v_hf，

步骤3.2，非过调制单元调制电压计算

计算非过调制单元中的H桥单元i的注入反向谐波的裕度V_hoimax，i＝1，2，…，N，

V_hoimax＝(1-Mi)V_{dci_fil}

令所有未进入步骤3.2的H桥单元i的注入反向谐波的裕度V_hoimax均为0，计算补偿给非过调制单元中的H桥单元i的谐波，并记为反向补偿谐波ho_i，i＝1，2，…，N，

计算非过调制单元中的H桥单元i的调制电压v_ri，

v_ri＝M_icos(θ+θ_r)+ho_i。

在本实施例中，取k_vP＝5，k_vI＝100，k_iP＝1，k_iI＝50。

图3是本发明实施例中谐波补偿方法在H桥功率不均衡时，某个过调制的H桥单元原有调制波形、补偿谐波后的调制波形及其补偿的谐波波形。其中f(x)为其原有调制波形，幅值为该过调制单元对应调制度M，g(x)为其补偿谐波后的调制波形，触发角为h(x)为其补偿的谐波波形。

Claims (1)

1.一种扩大级联H桥光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制策略，所述级联H桥光伏逆变器为单相逆变器，该单相逆变器包含N个相同的H桥单元，将N个H桥单元中的任一个H桥单元记为H桥单元i，i＝1，2...N，N为大于1的正整数；在每个H桥单元i的前端均并联一个直流母线电容C_i，每个直流母线电容C_i都分别与一块光伏组件PV_i并联，N个H桥单元i的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感L_s与电网并连；

其特征在于，所述谐波补偿控制策略包括各单元直流侧电压控制、电流环控制及调制波生成，步骤如下：

步骤1，各单元直流侧电压控制

步骤1.1，采样H桥单元i所对应的直流母线电容C_i处的电压，并记为直流母线电压V_dci，i＝1，2，...，N，采样H桥单元i所连接的光伏组件PV_i的输出电流，并记为输出电流I_PVi，i＝1，2，...，N；

计算H桥单元i的光伏发电功率P_pvi，P_pvi＝V_dciI_pvi，i＝1，2，...，N，然后对H桥单元i的光伏发电功率P_pvi进行最大功率点追踪控制，得到H桥单元i的最大功率点电压，并记为最大功率点电压

将最大功率点电压作为H桥单元i的直流侧电压参考值，i＝1，2，…，N；

步骤1.2，将直流母线电压V_dci经过频率为2f_g的陷波器陷波后得到不含二倍频分量的直流侧电压，并记为直流侧电压V_{dci_fil}，i＝1，2，…，N，其中f_g为电网频率；

步骤1.3，将直流侧电压V_{dci_fil}和直流侧电压参考值通过电压调节器进行控制，得到电压调节器输出I_i，i＝1，2，…，N，

其中，k_vP为电压调节器的比例系数，k_vI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤1.4，计算H桥单元i的输出功率P_i，i＝1，2，…，N，

P_i＝V_{dci_fil}I_i

步骤1.5，计算单相逆变器的总功率P_T，

步骤2，电流环控制

步骤2.1，对电网电压v_g和并网电流i_g进行采样，并对电网电压v_g进行锁相，得到电网电压幅值V_gM和电网电压相位角θ；

步骤2.2，对并网电流i_g进行SOGI运算，得到并网电流α轴分量i_α和并网电流β轴分量i_β，再将并网电流α轴分量i_α和并网电流β轴分量i_β从静止垂直坐标系变换到同步旋转坐标系中，得到并网电流d轴分量I_d和并网电流q轴分量I_q，计算公式如下：

其中，sinθ和cosθ分别表示电网电压相位角θ的正弦值和余弦值；

步骤2.3，令并网电流q轴分量参考值为0，计算并网电流d轴分量参考值/>

步骤2.4，将并网电流d轴分量参考值和并网电流d轴分量I_d经过电流调节器，并将电网电压幅值V_gM前馈后，得到逆变器的d轴调制电压U_d；将并网电流q轴分量参考值/>和并网电流q轴分量I_q经过电流调节器，得到逆变器的q轴调制电压U_q，具体公式如下

其中，k_iP为电流调节器的比例系数，k_iI为电流调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2.5，根据d轴调制电压U_d和q轴调制电压U_q，计算逆变器的总调制电压幅值V_r、计算总调制电压与电网电压的夹角θ_r，

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值；

步骤2.6，计算H桥单元i的单元调制度M_i，i＝1，2，…，N，

步骤3，调制波生成

在N个H桥单元中，M_i＞1的H桥单元i为过调制单元，过调制单元均进入步骤3.1，M_i≤1的H桥单元i为非过调制单元，非过调制单元均进入步骤3.2；将H桥单元i的调制电压记为v_ri；

步骤3.1，过调制单元调制电压及补偿总谐波计算

按下式分别反解出过调制单元中的H桥单元i的触发角

计算过调制单元中的H桥单元i的调制电压v_ri，

计算补偿给调制单元中的H桥单元i的谐波，并记为补偿谐波hf_i，i＝1，2，…，N，

hf_i＝v_ri-M_icos(θ+θ_r)

令所有未进入步骤3.1的H桥单元i的补偿谐波hf_i均为0，计算所有过调制单元补偿的总谐波电压v_hf，

步骤3.2，非过调制单元调制电压计算

计算非过调制单元中的H桥单元i的注入反向谐波的裕度V_hoimax，i＝1，2，…，N，

V_hoimax＝(1-M_i)V_{dci_fil}

令所有未进入步骤3.2的H桥单元i的注入反向谐波的裕度V_hoimax均为0，计算补偿给非过调制单元中的H桥单元i的谐波，并记为反向补偿谐波ho_i，i＝1，2，…，N，

计算非过调制单元中的H桥单元i的调制电压v_ri，

v_ri＝M_icos(θ+θ_r)+ho_i。