CN116054206B - 级联h桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法 - Google Patents

级联h桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法 Download PDF

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CN116054206B CN202310300430.4A CN202310300430A CN116054206B CN 116054206 B CN116054206 B CN 116054206B CN 202310300430 A CN202310300430 A CN 202310300430A CN 116054206 B CN116054206 B CN 116054206B
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Abstract

本发明公开了一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法，包括以下步骤：S1、判断电网发生短路的两相；S2、通过自适应零序电压补偿策略，计算A相的自适应零序电压，其中，A相指电网三相中未发生短路的一相；S3、补偿自适应零序电压后，计算A相调制电压的幅值，依据A相调制电压的幅值计算A相的调制电压；S4、依据A相的调制电压将A相调制电压扩展为对称的三相电压；S5、通过最大最小值谐波零序电压补偿策略，计算谐波零序电压；S6、基于自适应零序电压和谐波零序电压，得出三相调制电压，实现抑制有功功率回流。本发明能够明显地减少有功功率回流区域，更适用于电压跌落深度更深、系统输出功率更低的情况。

Description

级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法。
背景技术
随着大量的光伏电站接入电力系统，国内外均要求中型和大型光伏并网逆变器具有低电压穿越(LowVoltage Ride Through， LVRT)能力，即在电网电压跌落期间，光伏电站需注入与电压跌落成一定比例的无功电流以支撑电网电压，剩余容量则以有功功率的形式发出，以防止电网出现大的有功缺额而影响系统的频率稳定。传统的工频变压器，其体积重量大，而且具有夜间空载损耗高、无功功率损耗大等缺点，同时LCL滤波器固有的谐振现象会对光伏发电系统的鲁棒运行造成严重影响，尤其是随着高比例、大容量新能源变换器接入电网，公共耦合点处存在的电网阻抗以及串并联谐振等现象更加影响并网逆变器的稳定运行。
解决这些问题的方法之一可采用基于级联H桥(CascadedH-bridge，CHB)拓扑的三相隔离型中压直挂式的光伏并网逆变器，其模块化的结构可使用低压器件把系统扩展到较高的电压和功率等级，仅用单台甚至少量的变换器就能够把整个光伏电站连接至中压电网，由于前级的高频变压器已经提供了电气隔离，因此笨重的工频变压器将不再需要。此外，在复杂电网条件下，相比于LCL滤波器，多电平输出电压允许H桥以较低的开关频率工作，有助于提高效率且使用较小的滤波器即可获得高质量的并网电流，使系统的稳定性更好。因此，这种基于CHB拓扑的三相隔离型的中压直挂式的光伏并网逆变器具有很大的发展前景和市场潜力。然而，不同于传统的三相逆变器，CHB光伏逆变器的拓扑结构相对特殊，LVRT期间变换器存在特有的有功功率回流问题，且以三相电网电压不对称故障为前提。具体表现为，变换器的某一相从电网吸收有功功率(其余两相向电网发出有功功率)，导致系统在故障期间无平衡运行点，H桥(H-bridge,，HB)直流母线电压持续升高，逆变器最终因过压故障而停机脱网。因此，有必要在电网跌落期间对三相CHB光伏逆变器的有功功率回流进行抑制，这是实现LVRT的必要条件。
当前，已经有很多文献对于三相CHB光伏并网逆变器的LVRT控制策略进行研究。文献“T.Zhao, and D. Chen, ‘Analysis and suppression of activepower backflow ofthree-phase common dc-bus cascaded H-bridge PV grid-connectedinverter duringLVRT, ’IEEE Journal of Emerging andSelected Topics in Power Electronics, vol.10, no. 1, pp. 745-759, Feb. 2022.”提出了LVRT期间三相隔离型CHB所存在固有的问题，即有功功率回流的机理，同时推导了在不同故障条件以及不同电压跌落深度下有功电流与无功电流的关系，并且提出了一种有功电流注入策略。但是，在阴天、雨天、傍晚、清晨等阳光强度比较低的情况下，逆变器向电网输送的有功电流不足，依然存在有功功率回流问题。
文献“T. Zhao, and D. Chen, ‘Activepower backflow control strategy forcascaded photovoltaic solid-statetransformer during low voltage ridethrough’, IEEE Trans.Ind. Electron., vol. 69, no. 1, pp. 440-451, Jan. 2022.”提出一种基于零序电压补偿的级联光伏固态变压器的LVRT控制策略，通过补偿合适的零序电压抵消负序电压对三相变换器有功功率在相间的分配，进而抑制有功功率回流补偿零序电压虽然对有功电流没有要求，但是当系统发生单相短路或者两相相间短路时，补偿零序电压会导致过调制的问题，会削弱零序电压的补偿效果。所以使系统仍然存在有功功率回流的风险，遗憾的是该文献未对其进行详细论述。
文献“T. Zhao, Z. Feng, M. Wang, M. Wu, and D.Chen,‘Anoptimized LVRTcontrol strategy of cascaded modular medium-voltage inverter forlarge-scalePV power plant’, IEEE Journal ofEmerging and Selected Topics in PowerElectronics, early access, 2022.”提出了有功电流注入法与零序电压补偿法联合调制的方法和原理，该方法在单相短路故障和两相短路故障时可以完全抑制有功功率回流，对于两相相间短路，提出了自适应零序电压补偿策略,但仍然存在着较大的失控范围。
中国专利文献CN115360920A公开了一种级联型变换器的正负序最大最小值谐波零序电压注入方法，需要分别计算自适应基频零序电压和正负序最大最小值谐波零序电压的大小后，同时注入到逆变器当中，该技术方案步骤繁琐且并不适用于电压跌落深度深、系统输出功率低的情况。
综上所述，现有对抑制三相公共直流母线CHB在低电压穿越条件下有功功率回流的控制方法仍然存在问题：当电网发生两相相间短路故障时，现有的有功电流注入策略和自适应零序电压补偿策略均不能够有效地抑制有功功率回流，必须采取其它额外的控制方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法。在电网发生两相相间短路时，进一步减小三相隔离型公共直流母线CHB直挂式光伏并网逆变器有功功率回流范围，使变流器在较低的输出功率和较小的跌落深度下稳定运行，从而提高光伏发电系统的LVRT能力。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法，包括以下步骤：
S1、判断电网发生短路的两相；
S2、通过自适应零序电压补偿策略，计算A相的自适应零序电压u 0FA，其中，所述A相是指电网三相中未发生短路的一相，另外两相为B相和C相，所述B相和C相发生相间短路；
S3、补偿自适应零序电压u 0FA后，计算A相调制电压的幅值，依据所述A相调制电压的幅值计算A相的调制电压；
S4、依据所述A相的调制电压，将所述A相的调制电压扩展为对称的三相电压；
S5、通过最大最小值谐波零序电压补偿策略，计算谐波零序电压u0HA；
S6、基于所述自适应零序电压u0FA和所述谐波零序电压u0HA，得出三相调制电压
Figure SMS_1
、/>
Figure SMS_2
和/>
Figure SMS_3
，实现抑制有功功率回流。
进一步地，计算所述A相的自适应零序电压u 0FA的具体计算公式为：
Figure SMS_4
，
其中，q表示自适应补偿系数，D表示电网电压的跌落深度，Ug表示电网相电压的额定幅值，
Figure SMS_5
表示LVRT期间逆变器的功率因数角，ω表示电网电压的角频率，t表示时间。
进一步地，所述A相调制电压的幅值的具体计算公式为：
Figure SMS_6
，
其中，UcAM为A相调制电压的幅值。
进一步地，计算所述A相调制电压，具体计算公式为：
Figure SMS_7
，其中/>
Figure SMS_8
表示A相调制电压，αA为补偿自适应零序电压后A相调制电压相量UcA*与A相调制前电压的相量UgA的夹角α。
进一步地，所述α的计算公式为：
Figure SMS_9
，
其中，U0FM表示自适应零序电压u0FA的幅值，
Figure SMS_10
。
进一步地，实现所述A相调制电压扩展为对称的三相电压的计算公式为：
Figure SMS_11
。
进一步地，所述计算谐波零序电压u0HA的计算公式为：
Figure SMS_12
，
其中，
Figure SMS_13
表示/>
Figure SMS_14
的最大值，/>
Figure SMS_15
表示
Figure SMS_16
的最小值。
进一步地，所述三相调制电压
Figure SMS_17
、/>
Figure SMS_18
和/>
Figure SMS_19
的计算公式为：
Figure SMS_20
，
其中，ucA、ucB、ucC表示补偿自适应零序电压前的三相调制电压。
本发明的有益效果在于：
本发明克服现有技术方案的局限性，提出一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法。所提出的控制策略是针对电网发生两相相间短路时有功功率回流的情况，通过自适应零序电压补偿策略和最大最小值谐波零序电压补偿策略的组合使电网在发生两相相间短路时的有功功率回流范围进一步减小。相比现有技术文献，提出来的自适应零序电压补偿策略，有功功率回流范围可以降低约75%，能够明显地减少有功功率回流区域，本发明更适用于短路情况下电压跌落深度更深、系统输出功率更低的情况。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明三相隔离型公共直流母线CHB中压直挂式光伏并网逆变器的结构图；
图2是本发明逆变器的B相与C相相间短路故障补偿自适应零序电压后相量图；
图3是采用本发明一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法时的各相电压输出波形；
图4是现有的自适应零序电压补偿策略和本发明的有功功率回流范围对比图；
图5是现有的级联型变换器的正负序最大最小值谐波零序电压注入方法和本发明的有功功率回流范围对比图；
图6是本发明的零序电压补偿流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书及上述附图中的术语“第一”、"第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括“和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程，方法，系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明所指的逆变器为三相隔离型公共直流母线CHB直挂式光伏并网逆变器，如图1所示，由A相、B相和C相组成，A相、B相和C相均由n个模块组成，n为正整数，所有模块的电路结构均相同。每个模块均由一个单路输入四路输出的三电平LLC变换器连接四个HB组成，以简化系统的通讯设计、提高功率密度和效率。所有的模块输入端并联形成公共直流母线，公共直流母线连接多个Boost变换器实现光伏阵列的多路最大功率点追踪(MPPT)。A相、B相和C相中所有模块的交流输出端级联后，一端连接在一起形成公共点N1，另一端均通过滤波电感Lf连接至星型连接的电网。这种模块化的结构可以使用市场上常见的低压器件(1200V)把整个光伏电站连接至中压电网(35kV)，从而省去笨重的工频升压变压器。此外，多电平的输出电压允许HB以较低的开关频率工作，不仅有助于提高转换效率，而且使用较小的滤波电感即可获得高质量的并网电流。
图1中，ugA,ugB, ugC表示公共耦合点的相电压；igA, igB,igC表示逆变器的输出电流，也是流入公共耦合点的三相电流；Ucom表示公共直流母线电压；UHAij代表A相的第i个模块的j个HB直流母线电容电压。
上述结构的特征是当电网发生不对称故障时，会造成有功功率的回流，而LLC变换器只允许功率单相流动，这会导致H桥直流侧母线电压持续升高，最终逆变器会因为过压退网保护。由于现有的文献在相间短路故障条件下不能够有效地抑制有功功率回流，因此本发明重点分析电网发生两相相间短路的情况。
实施例一，以B相和C相相间短路故障为例：
B、C两相发生相间短路故障时仅有A相有过调制的风险，因此对A相进行重点分析。
依据自适应零序电压补偿策略，逆变器的B相与C相相间短路故障补偿自适应零序电压后的相量图，如图2所示。
其中，UgA, UgB, UgC分别表示ugA,ugB, ugC的相量形式，IgA,IgB,IgC分别表示igA, igB,igC的相量形式，UcA,UcB, UcC分别表示补偿自适应零序电压前调制电压ucA,ucB, ucC的相量形式，UcA*, UcB*,UcC*分别表示补偿自适应零序电压后调制电压ucA*,ucB*, ucC*的相量形式，U0FA表示自适应零序电压u0FA的相量形式，D表示电网电压的跌落深度，Lf表示滤波电感，ω表示电网电压的角频率。
通过自适应零序电压补偿策略和最大最小值谐波零序电压补偿策略的组合，使电网在发生B相与C相相间短路时的有功功率回流范围进一步减小，具体方法如下：
对A相补偿所需要的自适应基频零序电压u0FA，所需要补偿的自适应零序电压u0FA的表达式为：
Figure SMS_21
(1)
其中，q表示自适应补偿系数，Ug表示电网相电压的额定幅值，
Figure SMS_22
表示LVRT期间逆变器的功率因数角。
在此基础上，A相调制电压的幅值UcAM、相量UcA*与相量UgA的夹角α可以近似计算为：
Figure SMS_23
(2)
Figure SMS_24
(3)
其中，U0FM表示自适应零序电压u0FA的幅值，其表达式为：
Figure SMS_25
(4)
因此，补偿自适应零序电压u0FA后，A相的调制电压的表达式为：
Figure SMS_26
(5)
由于补偿自适应零序电压后，仅A相调制电压的幅值明显增大，存在过调制风险。因此，将A相调制电压扩展为对称的三相电压。
具体为，将补偿自适应零序电压后的A相作为一个新的状态，并在这个基础上重构三相电压(即在补偿后A相调制电压的基础上，相位角±2/3，得到重构的三相电压)，重构后的三相调制电压如下所示：
Figure SMS_27
(6)
为了降低A相调制电压的幅值，将重构的三相电压作为整体(包括补偿前的电压和自适应零序电压)分解为正负序分量并找到其最大最小值作为谐波零序电压再次补偿，所需补偿的谐波零序电压表达式如下：
Figure SMS_28
(7）
其中，
Figure SMS_29
表示/>
Figure SMS_30
的最大值，/>
Figure SMS_31
表示
Figure SMS_32
的最小值。
综上，当B相和C相发生相间短路故障时，所提出的控制方法不仅补偿自适应零序电压u0FA，而且补偿零序电压u0HA。同时补偿基频的自适应零序电压u0FA和谐波零序电压u0HA可进一步降低A相调制电压的幅值，进而缩小有功功率回流范围。采用本发明所提出的控制方法，当B相和C相发生相间短路故障时，最终三相调制电压
Figure SMS_33
、/>
Figure SMS_34
和/>
Figure SMS_35
的表达式为：
Figure SMS_36
(8）
以跌落深度D=0.2为例，跌落后三相电网电压ugA、ugB和ugC的波形以及所需补偿的自适应基频零序电压u0FA，如图3(a)所示。值得注意的是，图3中所有变量均匀标幺值表示，也就是实际值除以电网电压的额定值Ug。在该场景下，补偿自适应零序电压u0FA后，三相调制电压的ucA*、ucB*和ucC*的波形如图3(b)所示。可见，A相调制电压ucA*的幅值明显增大。为降低ucA1*的幅值，补偿如图3(b)所示的谐波零序电压u0H。给ucA*、ucB*和ucC*补偿u0HA后，三相调制电压分别记为ucAH*、ucBH*和ucCH*。可以看出，ucAH*的幅值明显低于ucA*。
实施例二，
根据三相的轮换对称性，如果A和C相发生相间短路故障，所需注入的自适应零序电压u0FB为：
Figure SMS_37
(9)
在这种工作场景下，补偿自适应零序电压u0FB后，B相的调制电压为：
Figure SMS_38
(10)
将B相调制电压扩展为对称的三相电压，如下：
Figure SMS_39
(11)
为了降低B相调制电压的幅值，所需补偿的谐波零序电压可以计算为：
Figure SMS_40
(12)
综上，当A相和C相发生相间短路故障时，所提出的控制方法不仅补偿自适应零序电压u0FB，而且补偿零序电压u0HB。采用本发明所提出的控制方法，当A相和C相发生相间短路故障时，最终三相调制电压
Figure SMS_41
、/>
Figure SMS_42
和/>
Figure SMS_43
的表达式为：
Figure SMS_44
(13)
实施例三，
根据三相的轮换对称性，如果A相和B相发生相间短路故障，所需注入的自适应零序电压u0FC为：
Figure SMS_45
(14)
在这种工作场景下，补偿自适应零序电压u0FC后，C相的调制电压为：
Figure SMS_46
(15)
将C相调制电压扩展为对称的三相电压，如下：
Figure SMS_47
(16)
为了降低C相调制电压的幅值，所需补偿的谐波零序电压可以计算为：
Figure SMS_48
(17)
综上，当A相和B相发生相间短路故障时，所提出的控制方法不仅补偿自适应零序电压u0FC，而且补偿零序电压u0HC。采用本发明所提出的控制方法，当A相和B相发生相间短路故障时，最终三相调制电压
Figure SMS_49
、/>
Figure SMS_50
和/>
Figure SMS_51
的表达式为：
Figure SMS_52
(18)
本发明通过采用自适应零序电压补偿策略和最大最小值谐波零序电压补偿策略的组合最大最小值谐波零序电压补偿策略的组合，使电网在发生两相相间短路时的有功功率回流范围进一步减小，在一定条件下可认为完全可以抑制有功功率的回流，从而使逆变器能够满足并网导则中低电压穿越的要求，在电网出现非对称性故障时能够稳定运行，防止逆变器在电网非对称性故障时因有功功率回流而触发过压保护而停机脱网。
如图4所示，曲线W2与坐标轴RP和D所包围的区域是采用现有的自适应零序电压补偿策略时有功功率回流范围，曲线W1与坐标轴RP和D所包围的区域是采用本发明的控制策略时有功功率回流范围。相比现有文献提出来的自适应零序电压补偿策略，本发明的控制方法能够将有功功率回流范围可以降低约75%。
如图5所示，曲线W3与坐标轴RP和D所包围的区域是采用现有的一种级联型变换器的正负序最大最小值谐波零序电压注入方法时有功功率回流范围，曲线W1与坐标轴RP和D所包围的区域是采用本发明的控制策略时有功功率回流范围。相比现有文献提出来的补偿策略，尽管两者都注入了自适应基频零序电压和正负序最大最小值谐波零序电压，但两种策略注入自适应基频零序电压的时机以及正负序最大最小值谐波零序电压的计算方式具有很大的不同。现有技术的这种组合补偿策略并非先向逆变器中补偿自适应基频零序电压，也不是对三相调制电压进行重构，而是分别计算自适应基频零序电压和正负序最大最小值谐波零序电压的大小后，同时注入到逆变器当中，步骤繁琐。本发明的控制方法更为简单，处理效率高，且能够明显地减少有功功率回流区域，更适用于电压跌落深度更深、系统输出功率更低的情况。
综上本发明零序电压补偿流程如图6所示，具体流程为：
判断相间短路故障类型；若B相和C相短路故障，则先基于式(1)计算自适应零序电压u0FA，再基于式（7）计算谐波零序电压u0HA；若A相和C相短路故障，则先基于式(9)计算自适应零序电压u0FB，再基于式（12）计算谐波零序电压u0HA；若B相和A相短路故障，则先基于式(14)计算自适应零序电压u0FA，再基于式（17）计算谐波零序电压u0HA；最终所需补偿的零序电压计算为u0FX+u0HX，X=A或B或C。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、判断电网发生短路的两相；
S2、通过自适应零序电压补偿策略，计算A相的自适应零序电压u 0FA，其中，所述A相是指电网三相中未发生短路的一相，另外两相为B相和C相，所述B相和C相发生相间短路；
S3、补偿自适应零序电压u 0FA 后，计算A相调制电压的幅值，依据所述A相调制电压的幅值计算A相的调制电压；
S4、依据所述A相的调制电压，将所述A相的调制电压扩展为对称的三相电压；
将所述A相调制电压扩展为对称的三相电压的计算公式为：
Figure QLYQS_1
其中，q表示自适应补偿系数，D表示电网电压的跌落深度，Ug表示电网相电压的额定幅值，
Figure QLYQS_2
表示LVRT期间逆变器的功率因数角，ω表示电网电压的角频率，t表示时间，α为补偿自适应零序电压后A相调制电压相量UcA*与A相电压的相量UgA的夹角；
S5、基于扩展后的三相电压通过最大最小值谐波零序电压补偿策略，计算谐波零序电压u0HA；
所述谐波零序电压u0HA的计算公式为：
Figure QLYQS_3
，
其中，
Figure QLYQS_4
表示/>
Figure QLYQS_5
的最大值，/>
Figure QLYQS_6
表示/>
Figure QLYQS_7
的最小值；
S6、基于所述自适应零序电压u0FA和所述谐波零序电压u0HA，得出三相调制电压
Figure QLYQS_8
、
Figure QLYQS_9
和/>
Figure QLYQS_10
，实现抑制有功功率回流；
所述三相调制电压
Figure QLYQS_11
、/>
Figure QLYQS_12
和/>
Figure QLYQS_13
的计算公式为：
Figure QLYQS_14
，
其中，ucA、ucB、ucC表示补偿自适应零序电压前的三相调制电压。
2.根据权利要求1所述的一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法，其特征在于，所述A相的自适应零序电压u 0FA的具体计算公式为：
Figure QLYQS_15
，
其中，q表示自适应补偿系数，D表示电网电压的跌落深度，Ug表示电网相电压的额定幅值，
Figure QLYQS_16
表示LVRT期间逆变器的功率因数角，ω表示电网电压的角频率，t表示时间。
3.根据权利要求2所述的一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法，其特征在于，所述A相调制电压的幅值的具体计算公式为：
Figure QLYQS_17
，
其中，UcAM为A相调制电压的幅值。
4.根据权利要求3所述的一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法，其特征在于，计算所述A相调制电压，具体计算公式为：
Figure QLYQS_18
，
其中
Figure QLYQS_19
表示A相调制电压，αA为补偿自适应零序电压后A相调制电压相量UcA*与A相电压的相量UgA的夹角α。
5.根据权利要求4所述的一种级联H桥中压直挂式光伏逆变器的控制方法，其特征在于，所述α的计算公式为：
Figure QLYQS_20
，
其中，U0FM表示自适应零序电压u0FA的幅值，
Figure QLYQS_21
。
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