CN114679079B - 基于梯形波调制的单相级联h桥光伏逆变器控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于梯形波调制的单相级联H桥光伏逆变器控制策略，属于电气工程领域的光伏发电技术。本发明针对由于单相级联H桥光伏逆变器各H桥单元光伏组件功率不均导致的部分单元过调制问题，提出一种基于梯形波调制的单相级联H桥光伏逆变器控制策略，主要步骤如下：(1)对相关电压电流进行采样；(2)控制所有H桥单元的直流母线电压，使各光伏组件运行于最大功率点；(3)控制并网电流；(4)当H桥单元过调制时，过调制单元采取梯形波调制，其他单元调制波补偿反向谐波。相比现有技术，本发明扩大了级联H桥光伏逆变器中H桥单元的线性调制范围至1.273，进一步提高了级联H桥光伏逆变器应对光伏功率不平衡的能力。

Description

基于梯形波调制的单相级联H桥光伏逆变器控制策略

技术领域

本发明属于电气工程领域的光伏发电技术，具体涉及一种基于梯形波调制的单相级联H桥光伏逆变器控制策略。

背景技术

随着户用型光伏产业发展，级联H桥光伏逆变器因其多电平输出，可实现组件级关断和组件级MPPT，在户用型应用场合优势明显，具有十分重要的研究价值。然而，由于级联H桥光伏逆变器单元化的结构，每个H桥单元直流侧均独立连接一块光伏组件，当各组件光照强度不同时，发电功率也存在差异。若不采用功率均衡控制策略，各H桥单元将按照功率占比分配总调制波，则功率较大的H桥单元易发生过调制，影响并网电流质量，甚至难以维持系统稳定运行。

针对这个问题已有相关研究，文献“毛旺，张兴，王付胜，杨国志.一种改进型级联H桥光伏逆变器混合调制策略[J].电力电子技术，2018，52(08)：94-97.”提出混合调制策略，通过改进调制来提高直流电压利用率，从而避免过调制的发生，但混合调制策略只能间接控制直流母线电压，直流母线电压值波动较大，不利于系统稳定运行。

文献“袁义生，吕森.一种可有效扩宽级联型光伏逆变器稳定域范围的控制策略[J].高电压技术，2021，47(03)：972-982.”提出无功补偿控制策略，通过补偿功率因数角，降低总调制电压幅值，从而避免发生过调制，但级联H桥光伏逆变器采用无功补偿控制策略难以工作在单位功率因数，不符合并网要求。

文献“王明达，张兴，赵涛，胡玉华，毛旺，李明，徐君.一种优化的单相级联H桥逆变器三次谐波补偿策略[J].中国电机工程学报，2020，40(04)：1073-1081+1400.”提出一种三次谐波补偿方法，不仅避免了直流母线电压大幅波动，而且可以运行于单位功率因数，有效解决了部分H桥单元过调制的问题，但采用三次谐波补偿方法时，H桥单元的线性调制范围最高达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问题：

1)采用混合调制策略会加剧直流母线电压波动，不利于系统稳定运行；

2)采用无功补偿控制策略时难以工作在单位功率因数，不满足并网要求；

3)采用三次谐波补偿方法，H桥单元的线性调制范围受限于1.155，当光伏功率不均衡程度进一步扩大时将无法应对。

发明内容

为克服上述方案的局限性，本发明提出一种基于梯形波调制的单相级联H桥光伏逆变器控制策略，当出现光伏功率不均衡时，一不会加剧直流母线电压波动，二不会偏离单位功率因数运行，三进一步扩大了H桥单元的线性调制范围至1.273，能适应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，本发明提供了一种基于梯形波调制的单相级联H桥光伏逆变器控制策略，所述单相级联H桥光伏逆变器包含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HB_i，i＝1，2...N，N为大于1的正整数；在每个H桥单元HB_i的直流侧均并联一个电容C_i和一块光伏组件PV_i，N个H桥单元HB_i的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感L_s并入电网；

所述控制策略包括电压电流采样、各H桥单元直流侧电压控制、并网电流控制和梯形调制波生成，步骤如下：

步骤1，采样

对电容C_i的两端电压采样，并记为直流电压V_dci，i＝1，2，...，N，对光伏组件PV_i的输出电流采样，并记为输出电流I_pvi，i＝1，2，...，N，对电网电压进行采样，并记为电网电压v_g，对并网电流进行采样，并记为并网电流i_g；

步骤2，各H桥单元直流侧电压控制

步骤2.1，计算H桥单元HB_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HB_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HB_i的最大功率点电压，并记为最大功率点电压i＝1，2，...，N；将最大功率点电压/>作为H桥单元HB_i的直流电压参考值，i＝1，2，...，N；

步骤2.2，记电网频率为f_g，将直流电压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电压，并记为陷波直流电压V_{dci_fil}，i＝1，2，...，N；

将陷波直流电压V_{dci_fil}和直流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，其表达式如下：

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；

记H桥单元HB_i的输出功率为P_i，P_i＝V_{dci_fil}I_i，则单相级联H桥光伏逆变器的总功率P_T的计算式如下：

步骤3，并网电流控制

步骤3.1，首先对电网电压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；然后对并网电流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表示电网电压相位角θ的正弦值，cosθ表示电网电压相位角θ的余弦值；

步骤3.2，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/>其计算式如下：

将并网电流d轴分量参考值和并网电流d轴分量I_d通过电流调节器控制，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通过电流调节器控制，得到逆变器的q轴调制电压U_q，具体表达式分别如下：

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；

步骤3.3，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，并计算总调制电压V_r与电网电压的夹角θ_r，其计算式分别如下：

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值；

记H桥单元HB_i的调制度为M_i，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

步骤4，梯形调制波生成

在N个H桥单元中，M_i＞1的H桥单元HB_i为过调制单元，过调制单元均进入步骤4.1，M_i≤1的H桥单元HB_i为非过调制单元，非过调制单元均进入步骤4.2；将H桥单元HB_i的调制电压记为v_ri，i＝1，2，...，N；

步骤4.1，过调制单元梯形调制波及补偿总谐波计算

按下式分别反解出过调制单元中的H桥单元HB_i的触发角i＝1，2，...，N；

计算过调制单元中的H桥单元HB_i的梯形调制波v_ri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

计算补偿给调制单元中的H桥单元HB_i的谐波，并记为补偿谐波hf_i，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

hf_i＝v_ri-M_icos(θ+θ_r)

令所有未进入步骤4.1的H桥单元HB_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，其计算式如下：

步骤4.2，非过调制单元调制波计算

计算非过调制单元中的H桥单元HB_i的注入反向谐波的裕度V_hoimax，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

V_hoimax＝(1-M_i)V_{dci_fil}

令所有未进入步骤4.2的H桥单元HB_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HB_i的谐波，并记为反向补偿谐波ho_i，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

计算非过调制单元中的H桥单元HB_i的调制波v_ri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

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、当出现H桥单元的光伏功率不均衡时，系统能在不加剧直流母线电压波动的条件下，仍运行于单位功率因数；

2、本发明进一步扩大了H桥的线性调制范围至1.273，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的H桥控制器部分。

图3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的总控制器第一部分。

图4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的总控制器第二部分。

图5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，所述单相级联H桥光伏逆变器包含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HB_i，i＝1，2...N，N为大于1的正整数；在每个H桥单元HB_i的直流侧均并联一个电容C_i和一块光伏组件PV_i，N个H桥单元HB_i的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感L_s并入电网。

具体的，每个H桥单元HB_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HB_i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H桥单元HB_i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H桥单元HB_i右桥臂中点r_i。H桥单元HB₁左桥臂中点l₁与滤波电感串联后并到单相电网；H桥单元HB_i左桥臂中点l_i与H桥单元HB_i-1右桥臂中点r_i-1串联，H桥单元HB_i右桥臂中点r_i与H桥单元HB_i+1左桥臂中点1_i+1串联，i＝2，3，...，N-1；H桥单元HB_N右桥臂中点r_N接电网地端。

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的H桥控制器部分。图3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的总控制器第一部分。图4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的总控制器第二部分。包括各H桥单元HB_i直流电压控制模块、并网电流控制模块及梯形调制波生成模块，i＝1，2...N。由图2、图3、图4可见，本发明所述控制策略包括电压电流采样、各H桥单元直流侧电压控制、并网电流控制和梯形调制波生成，步骤如下：

步骤1，采样

对电容C_i的两端电压采样，并记为直流电压V_dci，i＝1，2，...，N，对光伏组件PV_i的输出电流采样，并记为输出电流I_pvi，i＝1，2，...，N，对电网电压进行采样，并记为电网电压v_g，对并网电流进行采样，并记为并网电流i_g。

步骤2，各H桥单元直流侧电压控制

步骤2.1，计算H桥单元HB_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HB_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HB_i的最大功率点电压，并记为最大功率点电压i＝1，2，...，N；将最大功率点电压/>作为H桥单元HB_i的直流电压参考值，i＝1，2，...，N。

步骤2.2，记电网频率为f_g，将直流电压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电压，并记为陷波直流电压V_{dci_fil}，i＝1，2，...，N。

将陷波直流电压V_{dci_fil}和直流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，其表达式如下：

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；

记H桥单元HB_i的输出功率为P_i，P_i＝V_{dci_fil}I_i，则单相级联H桥光伏逆变器的总功率P_T的计算式如下：

步骤3，并网电流控制

步骤3.1，首先对电网电压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；然后对并网电流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表示电网电压相位角θ的正弦值，cosθ表示电网电压相位角θ的余弦值。

步骤3.2，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/>其计算式如下：

将并网电流d轴分量参考值和并网电流d轴分量I_d通过电流调节器控制，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通过电流调节器控制，得到逆变器的q轴调制电压U_q，具体表达式分别如下：

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。

步骤3.3，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，并计算总调制电压V_r与电网电压的夹角θ_r，其计算式分别如下：

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值。

记H桥单元HB_i的调制度为M_i，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

步骤4，梯形调制波生成

在N个H桥单元中，M_i＞1的H桥单元HB_i为过调制单元，过调制单元均进入步骤4.1，M_i≤1的H桥单元HB_i为非过调制单元，非过调制单元均进入步骤4.2；将H桥单元HB_i的调制电压记为v_ri，i＝1，2，...，N。

步骤4.1，过调制单元梯形调制波及补偿总谐波计算

按下式分别反解出过调制单元中的H桥单元HB_i的触发角i＝1，2，...，N；

计算过调制单元中的H桥单元HB_i的梯形调制波v_ri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

计算补偿给调制单元中的H桥单元HB_i的谐波，并记为补偿谐波hf_i，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

hf_i＝v_ri-M_icos(θ+θ_r)

令所有未进入步骤4.1的H桥单元HB_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，其计算式如下：

步骤4.2，非过调制单元调制波计算

计算非过调制单元中的H桥单元HB_i的注入反向谐波的裕度V_hoimax，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

V_hoimax＝(1-M_i)V_{dci_fil}

令所有未进入步骤4.2的H桥单元HB_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HB_i的谐波，并记为反向补偿谐波ho_i，i＝1，2，...，N，其计算式如下：

计算非过调制单元中的H桥单元HB_i的调制波v_rii＝1，2，...，N，其计算式如下：

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5是本发明实施例中基于梯形波调制方法在H桥单元光伏发电功率不均衡时，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)

1.一种基于梯形波调制的单相级联H桥光伏逆变器控制策略，所述单相级联H桥光伏逆变器包含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HB_i，i＝1，2...N，N为大于1的正整数；在每个H桥单元HB_i的直流侧均并联一个电容C_i和一块光伏组件PV_i，N个H桥单元HB_i的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感L_s并入电网；

其特征在于，所述控制策略包括电压电流采样、各H桥单元直流侧电压控制、并网电流控制和梯形调制波生成，步骤如下：

步骤1，采样

对电容C_i的两端电压采样，并记为直流电压V_dci，i＝1，2，...，N，对光伏组件PV_i的输出电流采样，并记为输出电流I_pvi，i＝1，2，...，N，对电网电压进行采样，并记为电网电压v_g，对并网电流进行采样，并记为并网电流i_g；

步骤2，各H桥单元直流侧电压控制

步骤2.1，计算H桥单元HB_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HB_i的光伏发电功率I_pvi进行最大功率点追踪控制，得到H桥单元HB_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HB_i的直流电压参考值，i＝1，2，…，N；

步骤2.2，记电网频率为f_g，将直流电压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电压，并记为陷波直流电压V_{dci_fil}，i＝1，2，…，N；

将陷波直流电压V_{dci_fil}和直流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，其表达式如下：

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；

记H桥单元HB_i的输出功率为P_i，P_i＝V_{dci_fil}I_i，则单相级联H桥光伏逆变器的总功率P_T的计算式如下：

步骤3，并网电流控制

步骤3.1，首先对电网电压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；然后对并网电流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表示电网电压相位角θ的正弦值，cosθ表示电网电压相位角θ的余弦值；

步骤3.2，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/>其计算式如下：

将并网电流d轴分量参考值和并网电流d轴分量I_d通过电流调节器控制，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通过电流调节器控制，得到逆变器的q轴调制电压U_q，具体表达式分别如下：

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；

步骤3.3，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，并计算总调制电压V_r与电网电压的夹角θ_r，其计算式分别如下：

其中，arctan(U_q/U_d)表示U_q/U_d的反正切值；

记H桥单元HB_i的调制度为M_i，i＝1，2，…，N，其计算式如下：

步骤4，梯形调制波生成

在N个H桥单元中，M_i＞1的H桥单元HB_i为过调制单元，过调制单元均进入步骤4.1，M_i≤1的H桥单元HB_i为非过调制单元，非过调制单元均进入步骤4.2；将H桥单元HB_i的调制电压记为v_ri，i＝1，2，…，N；

步骤4.1，过调制单元梯形调制波及补偿总谐波计算

按下式分别反解出过调制单元中的H桥单元HB_i的触发角

计算过调制单元中的H桥单元HB_i的梯形调制波v_ri，i＝1，2，…，N，其计算式如下：

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

hf_i＝v_ri-M_icos(θ+θ_r)

令所有未进入步骤4.1的H桥单元HB_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，其计算式如下：

步骤4.2，非过调制单元调制波计算

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

V_hoimax＝(1-M_i)V_{dci_fil}

令所有未进入步骤4.2的H桥单元HB_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HB_i的谐波，并记为反向补偿谐波ho_i，i＝1，2，…，N，其计算式如下：

计算非过调制单元中的H桥单元HB_i的调制波v_ri，i＝1，2，…，N，其计算式如下：

v_ri＝M_icos(θ+θ_r)+ho_i。