CN114825442B - 基于低频次谐波补偿的单相级联h桥光伏逆变器控制策略 - Google Patents

基于低频次谐波补偿的单相级联h桥光伏逆变器控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低频次谐波补偿的单相级联H桥光伏逆变器控制策略，属于电气工程领域。本发明的目的是解决由于单相级联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。步骤包括：控制所有H桥单元的直流电压，使之跟踪光伏组件的最大功率点；控制并网电流；当H桥单元过调制时，过调制单元采取低频次谐波补偿控制，其他单元进行相应次谐波抑制控制。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1，231，提高了级联H桥光伏逆变器应对光伏功率不平衡的能力，并考虑电网背景谐波的影响，通过谐波抑制控制改善了并网电流质量。

Description

基于低频次谐波补偿的单相级联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，具体涉及一种基于低频次谐波补偿的单相级联H桥光伏逆变器控制策略。
背景技术
随着电压等级的抬升和系统扩容，多电平逆变器逐步发展，相比传统两电平逆变器，其输出电压的谐波含量更低，能节约滤波成本。在输出电平数相同的条件下，级联型拓扑所用的功率器件最少，无需额外的钳位电容和二极管，在一众多电平逆变器拓扑中具有一定的优势。此外，级联H桥光伏逆变器具有易于生产和维护的模块化结构，扩展性和冗余性好，且具有独立直流侧，能实现组件级MPPT，提高了光伏利用率，在光伏发电系统中适应性好，具有重要的研究意义。然而，受光照强度影响，级联H桥光伏逆变器各H桥单元独立直流侧的光伏组件可能存在功率差异，功率较大的H桥单元易发生过调制，影响并网电流质量。
针对这个问题已有相关研究，文献“A.Eskandari，V.Javadian，H.Iman-Eini andM.Yadollahi，″Stable operation of grid connected Cascaded H-Bridge inverterunder unbalanced insolation conditions，″2013 3rd International Conference onElectric Power and Energy Conversion Systems，Istanbul，Turkey，2013，pp.1-6，doi：10.1109/EPECS.2013.6713006.”(A.Eskandari，V.Javadian，H.Iman Eini andM.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法，让过调制H桥单元退出MPPT运行，从而在源头上解决由于组件功率不均衡引起的过调制问题，但这种方法是以牺牲发电量为代价的，不利于提高光伏利用率。
文献“C.Wang，K.Zhang，J.Xiong，Y.Xue and W.Liu，″A CoordinatedCompensation Strategy for Module Mismatch of CHB-PV Systems Based on ImprovedLS-PWM and Reactive Power Injection，″in IEEE Transactions on IndustrialElectronics，vol.66，no.4，pp.2825-2836，April 2019，doi：10.1109/TIE.2018.2842789.”(C.Wang，K.Zhang，J.Xiong，Y.Xue and W.Liu，“基于改进LS-PWM和无功注入的光伏级联系统模块失配协调补偿策略”，载于IEEE Transactions on IndustrialElectronics，第66卷，第4期，第2825-2836页，2019年4月，doi：10.1109/TIE。2018.2842789.)提出一种基于无功补偿的功率均衡控制策略，通过向系统补偿无功角，减小总输出电压幅值，从而降低发生过调制的风险，但这种方法向系统注入了无功功率，无法实现单位功率因数并网。
文献“Y.Ko，M.Andresen，G.Buticchi and M.Liserre，″Power Routing forCascaded H-Bridge Converters，″in IEEE Transactions on Power Electronics，vol.32，no.12，pp.9435-9446，Dec.2017”(Y.Ko，M.Andresen，G.Buticchi and M.Liserre，“级联H桥转换器的功率路由”，载于IEEE Transactions on Power Electronics，第32卷，第12期，第9435-9446页，2017年12月)提出一种基于三次谐波补偿的功率均衡控制策略，通过向过调制H桥单元调制波中注入三次谐波以降低其幅值，从而解决过调制问题，既避免了光伏发电降额，又能实现单位功率因数并网，但补偿三次谐波仅能让H桥单元线性调制范围至1.155，且现有方法均未考虑电网背景谐波对并网电流质量的影响。
综上所述，现有技术还存在以下问题：
1)采用改进的MPPT法不利于提高光伏利用率；
2)采用基于无功补偿的功率均衡控制策略无法实现单位功率因数并网；
3)采用基于三次谐波补偿的功率均衡控制策略仅能让H桥单元线性调制范围至1.155，当光伏功率不均衡程度进一步扩大时将无法应对；
4)现有方法均未考虑电网背景谐波对并网电流质量的影响。
发明内容
为克服上述方案的局限性，本发明提出一种基于低频次谐波补偿的单相级联H桥光伏逆变器控制策略，当出现光伏功率不均衡时，一不会降低光伏发电量，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，四避免了电网背景谐波对并网电流质量的影响。
为解决本发明的技术问题，本发明提供了一种基于低频次谐波补偿的单相级联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HBi，i＝1，2，...，N，N为大于1的正整数；在每个H桥单元HBi的直流侧均并联一个电容Ci和一块光伏组件PVi，N个H桥单元HBi的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感Ls并入电网；
所述控制策略包括直流电压MPPT控制、并网电流控制和低频次谐波补偿及抑制控制，步骤如下：
步骤1，直流电压MPPT控制
所述直流电压MPPT控制为直流电压最大功率点跟踪控制：
步骤1.1，对光伏组件PVi的两端电压进行采样，并记为直流电压Vdci，对光伏组件PVi的输出电流进行采样，并记为输出电流Ipvi，i＝1，2，...，N，计算H桥单元HBi的光伏发电功率Ppvi，Ppvi＝VdciIpvi，i＝1，2，...，N，然后对H桥单元HBi的光伏发电功率Ppvi进行MPPT控制，得到H桥单元HBi的最大功率点电压，将该H桥单元HBi的最大功率点电压作为H桥单元HBi的直流电压的参考值，并记作直流电压参考值
步骤1.2，将直流电压Vdci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Ii，i＝1，2，...，N，其表达式如下：
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；
记H桥单元HBi的控制输出功率为Pi，Pi＝VdciIi，i＝1，2，...，N，则单相级联H桥光伏逆变器的控制输出总功率PT的计算式如下：
步骤2，并网电流控制
步骤2.1，采样电网电压vg，并将该电网电压vg经过锁相PLL环节得到电网电压幅值VM和电网电压相位角θ；采样并网电流ig，并对该并网电流ig进行SOGI运算得到并网电流α轴分量iα和并网电流β轴分量iβ，再经过park变换得到并网电流d轴分量Id和并网电流q轴分量Iq，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2.2，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Id通过电流调节器控制，并将电网电压幅值VM前馈后，得到逆变器的d轴调制电压Ud；将并网电流q轴分量参考值/>和并网电流q轴分量Iq通过电流调节器控制，得到逆变器的q轴调制电压Uq，具体表达式分别如下：
其中，kiP为电流调节器的比例系数，kiI为电流调节器的积分系数；
步骤2.3，根据d轴调制电压Ud和q轴调制电压Uq，计算逆变器的总调制电压幅值Vr及其与电网电压的夹角δ，其计算式分别如下：
其中，arctan(Uq/Ud)表示Uq/Ud的反正切值；
记H桥单元HBi的调制度为Mi，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
步骤3，低频次谐波补偿及抑制控制
在N个H桥单元中，Mi＞1的H桥单元HBi为过调制单元，过调制单元均进入步骤3.1，Mi≤1的H桥单元HBi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HBi的调制电压记为mi，i＝1，2，...，N；
步骤3.1，过调制单元补偿低频次谐波含量计算
计算补偿给过调制单元中的H桥单元HBi的低频次谐波含量Δvri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
Δvri＝k3Misin(3θ+3δ)+k5Misin(5θ+5δ)+k7Misin(7θ+7δ)
其中，k3＝0.265，k5＝0.100，k7＝0.029；
则H桥单元HBi的调制电压mi的计算式如下：
mi＝Misin(θ+δ)+Δvri
步骤3.2，非过调制单元谐波抑制控制
记电网角频率为ωg，谐波次数为h，h＝3，5，7，则第h次谐波角频率ωh的计算式如下，
ωh＝hωg
令并网电流参考值为0，并网电流ig作为反馈量，两者做差后经过低频次谐波抑制的准PR控制环节，得到补偿谐波电压vPR，其计算式如下：
其中，khP为准PR调节器第h次谐波的比例系数，khI为准PR调节器第h次谐波的增益系数，ωc为准PR调节器的截止频率，h＝3，5，7；
计算非过调制单元中的H桥单元HBi的注入反向谐波的裕度Vhoimax，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
Vhoimax＝1-Mi
令所有未进入步骤3.2的H桥单元HBi的注入反向谐波的裕度Vhoimax均为0，计算补偿给非过调制单元中的H桥单元HBi的低频次谐波含量Δvri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
计算非过调制单元中的H桥单元HBi的调制电压mi，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
mi＝Misin(θ+δ)+Δvri。
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，系统能在不降低光伏发电量的条件下，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1.231，能应对光伏功率不均衡程度较大的场合；
3、本发明考虑了网侧背景谐波的影响，通过谐波抑制保障了并网电流质量。
附图说明
图1是本发明实施例中的单相级联H桥光伏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桥光伏逆变器的系统控制框图。
图3是本发明实施例中的单相级联H桥光伏逆变器的系统控制框图中谐波补偿和谐波抑制子模块。
图4是H桥功率不均衡时，过调制单元调制波基波、补偿谐波后的调制波及3、5、7次谐波分量在一个电网电压基波周期内的仿真波形。
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HBi，i＝1，2，...，N，N为大于1的正整数。在每个H桥单元HBi的直流侧均并联一个电容Ci和一块光伏组件PVi，N个H桥单元HBi的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感Ls并入电网。
具体的，每个H桥单元HBi包括4个具有反向并联二极管的开关管，分别记为开关管si1，开关管si2，开关管Si3和开关管Si4，其中开关管Si1的发射极与开关管Si2的集电极串联组成HBi的左桥臂，且开关管Si1发射极和开关管Si2集电极的接点记为左桥臂中点li，开关管Si3的发射极与开关管si4的集电极串联组成H桥单元HBi的右桥臂，且开关管Si3发射极和开关管Si4集电极的接点记为H桥单元HBi右桥臂中点ri。H桥单元HB1左桥臂中点11与滤波电感串联后并到单相电网；H桥单元HBi左桥臂中点li与H桥单元HBi-1右桥臂中点ri-1串联，H桥单元HBi右桥臂中点ri与H桥单元HBi+1左桥臂中点li+1串联，i＝2，3，...，N-1；H桥单元HBN右桥臂中点rN接电网地端。
图2是本发明实施例中的单相级联H桥光伏逆变器的系统控制框图。图3是本发明实施例中的单相级联H桥光伏逆变器的系统控制框图中谐波补偿和谐波抑制子模块。包括直流电压MPPT控制模块、并网电流控制模块和低频次谐波补偿及抑制控制模块。由图2、图3可见，本发明所述控制策略包括直流电压MPPT控制、并网电流控制和低频次谐波补偿及抑制控制，步骤如下：
步骤1，直流电压MPPT控制
所述直流电压MPPT控制为直流电压最大功率点跟踪控制：
步骤1.1，对光伏组件PVi的两端电压进行采样，并记为直流电压Vdci，对光伏组件PVi的输出电流进行采样，并记为输出电流Ipvi，i＝1，2，...，N，计算H桥单元HBi的光伏发电功率Ppvi，Ppvi＝VdciIpvi，i＝1，2，...，N，然后对H桥单元HBi的光伏发电功率Ppvi进行MPPT控制，得到H桥单元HBi的最大功率点电压，将该H桥单元HBi的最大功率点电压作为H桥单元HBi的直流电压的参考值，并记作直流电压参考值
步骤1.2，将直流电压Vdci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Ii，i＝1，2，...，N，其表达式如下：
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；
记H桥单元HBi的控制输出功率为Pi，Pi＝VdciIi，i＝1，2，...，N，则单相级联H桥光伏逆变器的控制输出总功率PT的计算式如下：
步骤2，并网电流控制
步骤2.1，采样电网电压vg，并将该电网电压vg经过锁相PLL环节得到电网电压幅值VM和电网电压相位角θ；采样并网电流ig，并对该并网电流ig进行SOGI运算得到并网电流α轴分量iα和并网电流β轴分量iβ，再经过park变换得到并网电流d轴分量Id和并网电流q轴分量Iq，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2.2，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Id通过电流调节器控制，并将电网电压幅值Vm前馈后，得到逆变器的d轴调制电压Ud；将并网电流q轴分量参考值/>和并网电流q轴分量Iq通过电流调节器控制，得到逆变器的q轴调制电压Uq，具体表达式分别如下：
其中，kiP为电流调节器的比例系数，kiI为电流调节器的积分系数；
步骤2.3，根据d轴调制电压Ud和q轴调制电压Uq，计算逆变器的总调制电压幅值Vr及其与电网电压的夹角δ，其计算式分别如下：
其中，arctan(Uq/Ud)表示Uq/Ud的反正切值；
记H桥单元HBi的调制度为Mi，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
步骤3，低频次谐波补偿及抑制控制
在N个H桥单元中，Mi＞1的H桥单元HBi为过调制单元，过调制单元均进入步骤3.1，Mi≤1的H桥单元HBi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HBi的调制电压记为mi，i＝1，2，...，N；
步骤3.1，过调制单元补偿低频次谐波含量计算
计算补偿给过调制单元中的H桥单元HBi的低频次谐波含量Δvri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
Δvri＝k2Misin(3θ+3δ)+k5Misin(5θ+5δ)+k7Misin(7θ+7δ)
其中，k3＝0.265，k5＝0.100，k7＝0.029；
则H桥单元HBi的调制电压mi的计算式如下：
mi＝Misin(θ+δ)+Δvri
步骤3.2，非过调制单元谐波抑制控制
记电网角频率为ωg，谐波次数为h，h＝3，5，7，则第h次谐波角频率ωh的计算式如下，
ωh＝hωg
令并网电流参考值为0，并网电流ig作为反馈量，两者做差后经过低频次谐波抑制的准PR控制环节，得到补偿谐波电压vPR，其计算式如下：
其中，khP为准PR调节器第h次谐波的比例系数，khI为准PR调节器第h次谐波的增益系数，ωc为准PR调节器的截止频率，h＝3，5，7；
计算非过调制单元中的H桥单元HBi的注入反向谐波的裕度Vhoimax，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
Vhoimax＝1-Mi
令所有未进入步骤3.2的H桥单元HBi的注入反向谐波的裕度Vhoimax均为0，计算补偿给非过调制单元中的H桥单元HBi的低频次谐波含量Δvri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
计算非过调制单元中的H桥单元HBi的调制电压mi，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
mi＝Misin(θ+δ)+Δvri。
在本实施例中，取kvP＝5，kvI＝100，kiP＝1，kiI＝50，khP＝1，khI＝2.5，ωc＝3.14。
为了佐证本发明的有益效果，对本发明进行了仿真，图4给出了H桥功率不均衡时，过调制单元调制波基波、补偿谐波后的调制波及3、5、7次谐波分量在一个电网电压基波周期内的仿真波形。其中T为电网电压基波周期。由该图可见，利用本发明后，对于调制波基波幅值达1.231的过调制单元，能够通过补偿3、5、7频次谐波限制补偿谐波后的调制波幅值到1，避免过调制的发生，该发明有效扩大了H桥的线性调制范围至1.231，能应对光伏功率不均衡程度较大的场合。

Claims (1)

1.一种基于低频次谐波补偿的单相级联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HBi，i＝1，2，...，N，N为大于1的正整数；在每个H桥单元HBi的直流侧均并联一个电容Ci和一块光伏组件PVi，N个H桥单元HBi的交流侧输出相互串联后，通过滤波电感Ls并入电网；
其特征在于，所述控制策略包括直流电压MPPT控制、并网电流控制和低频次谐波补偿及抑制控制，步骤如下：
步骤1，直流电压MPPT控制
所述直流电压MPPT控制为直流电压最大功率点跟踪控制：
步骤1.1，对光伏组件PVi的两端电压进行采样，并记为直流电压Vdci，对光伏组件PVi的输出电流进行采样，并记为输出电流Ipvi，i＝1，2，...，N，计算H桥单元HBi的光伏发电功率Ppvi，Ppvi＝VdciIpvi，i＝1，2，...，N，然后对H桥单元HBi的光伏发电功率Ppvi进行MPPT控制，得到H桥单元HBi的最大功率点电压，将该H桥单元HBi的最大功率点电压作为H桥单元HBi的直流电压的参考值，并记作直流电压参考值
步骤1.2，将直流电压Vdci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Ii，i＝1，2，...，N，其表达式如下：
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；
记H桥单元HBi的控制输出功率为Pi，Pi＝VdciIi，i＝1，2，...，N，则单相级联H桥光伏逆变器的控制输出总功率PT的计算式如下：
步骤2，并网电流控制
步骤2.1，采样电网电压vg，并将该电网电压vg经过锁相PLL环节得到电网电压幅值VM和电网电压相位角θ；采样并网电流ig，并对该并网电流ig进行SOGI运算得到并网电流α轴分量iα和并网电流β轴分量iβ，再经过park变换得到并网电流d轴分量Id和并网电流q轴分量Iq，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2.2，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Id通过电流调节器控制，并将电网电压幅值VM前馈后，得到逆变器的d轴调制电压Ud；将并网电流q轴分量参考值/>和并网电流q轴分量Iq通过电流调节器控制，得到逆变器的q轴调制电压Uq，具体表达式分别如下：
其中，kiP为电流调节器的比例系数，kiI为电流调节器的积分系数；
步骤2.3，根据d轴调制电压Ud和q轴调制电压Uq，计算逆变器的总调制电压幅值Vr及其与电网电压的夹角δ，其计算式分别如下：
其中，arctan(Uq/Ud)表示Uq/Ud的反正切值；
记H桥单元HBi的调制度为Mi，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
步骤3，低频次谐波补偿及抑制控制
在N个H桥单元中，Mi＞1的H桥单元HBi为过调制单元，过调制单元均进入步骤3.1，Mi≤1的H桥单元HBi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HBi的调制电压记为mi，i＝1，2，...，N；
步骤3.1，过调制单元补偿低频次谐波含量计算
计算补偿给过调制单元中的H桥单元HBi的低频次谐波含量Δvri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
Δvri＝k2Misin(3θ+3δ)+k5Misin(5θ+5δ)+k7Misin(7θ+7δ)
其中，k3＝0.265，k5＝0.100，k7＝0.029；
则H桥单元HBi的调制电压mi的计算式如下：
mi＝Misin(θ+δ)+Δvri
步骤3.2，非过调制单元谐波抑制控制
记电网角频率为ωg，谐波次数为h，h＝3，5，7，则第h次谐波角频率ωh的计算式如下，
ωh＝hωg
令并网电流参考值为0，并网电流ig作为反馈量，两者做差后经过低频次谐波抑制的准PR控制环节，得到补偿谐波电压vPR，其计算式如下：
其中，khP为准PR调节器第h次谐波的比例系数，khI为准PR调节器第h次谐波的增益系数，ωc为准PR调节器的截止频率，h＝3，5，7；
计算非过调制单元中的H桥单元HBi的注入反向谐波的裕度Vhoimax，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
Vhoimax＝1-Mi
令所有未进入步骤3.2的H桥单元HBi的注入反向谐波的裕度Vhoimax均为0，计算补偿给非过调制单元中的H桥单元HBi的低频次谐波含量Δvri，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
计算非过调制单元中的H桥单元HBi的调制电压mi，i＝1，2，...，N，其计算式如下：
mi＝Misin(θ+δ)+Δvri。
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