一种级联光伏固态变压器的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种级联光伏固态变压器的控制方法，其目的是为了解决系统补偿三次谐波电压后，前级两电平全桥LLC变换器谐振电流的四倍工频包络纹波电流问题。主要步骤如下：对所有H桥变换器的直流侧电容电压的平均值进行控制，并得到有功电流指令值；对电网电流进行控制以及计算三次谐波电压并补偿给系统；对两电平全桥LLC变换器的输出电压进行控制以及谐振电流四倍工频包络纹波进行抑制；通过控制Boost变换器的输入母线电压实现前级光伏阵列的最大功率点追踪控制。相比于现有技术，不需要添加任何硬件装置即可实现前级两电平全桥LLC变换器四倍工频包络纹波的抑制，改善系统的性能。

A Control Method of Cascaded Photovoltaic Solid State Transformer

【技术实现步骤摘要】
一种级联光伏固态变压器的控制方法
本专利技术属于电气工程领域的光伏发电技术，具体涉及一种级联光伏固态变压器中两电平全桥LLC变换器谐振电流的四倍工频包络纹波抑制方法。
技术介绍
由于半导体开关器件的限制，将传统的集中式逆变器的额定功率提高到大于1WM以上具有实际挑战性和不经济性。方法之一可以采用基于级联H桥多电平变换器的三相固态变压器拓扑。模块化的结构可以使用市场上常见的低压器件把整个系统扩展到较高的电压和功率等级，从而使得仅用单个变换器把整个电站连接到中压电网成为可能。由于隔离型DC/DC变换器中的高频变压器能够提供电气隔离，笨重的工频变压器将不再需要。因此，基于级联H桥的三相光伏固态变压器结构能够提高光伏逆变器的效率和功率密度，降低光伏逆变器的重量和体积，具有较为广阔的应用前景。对于三相逆变器，当电网电压突然升高时，为了使逆变器正常运行，通常采用给三相调制电压补偿三次谐波电压的方法提高直流侧电压的利用率。级联光伏固态变压也可以使用类似的方法，提高直流侧电压利用率。然而，注入三次谐波电压后，级联光伏固态变压器中H桥变换器的直流侧电容上会有四倍工频的电压波动。H桥变换器的直流侧电容电压的四倍工频波动会使前级的两电平全桥LLC变换器的谐振电流出现四倍工频包络纹波，四倍工频包纹波有如下危害：(1)增大两电平全桥LLC变换器中所有开关管和二极管的电流应力；(2)增大两电平全桥LLC变换器中所有开关管和二极管的导通损耗，降低变换器的效率；(3)使全桥LLC变换器的高频变压器以及谐振电感的磁通摆幅增大，可能会引起磁饱和；(4)在谐振电流包络纹波的波谷处，两电平全桥LLC变换器的开关管的零电压开通可能无法实现，增加系统的开关损耗，进一步降低变换器的效率。因此，有必要对两电平全桥LLC变换器的四倍工频包络纹波电流进行抑制。文献“X.Ma,X.Yang,F.Zhang,L.Huang,Z.Li,andH.Song,AcontrolschemeofthreephasesolidstatetransformerforPVgenerationbasedonimprovedvoltage-trackingmethodofDC-links,inAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,Tampa,FL,USA,Mar.26-30,2017.(X.Ma,X.Yang,F.Zhang,L.Huang,Z.Li,andH.Song，基于改进直流母线电压跟踪方法的三相光伏固态变压器的控制方法，应用电力电子会议与博览会，2017年5月26-30日)”提出一种光伏固态变压器的控制方法，但该文献并未考虑补偿三次谐波电压后隔离型DC/DC变换器的四倍工频包络纹波问题。文献“H.Li,H.K.Zhang,H.Zhao,S.Fan,andJ.Xiong,Activepowerdecouplingforhigh-powersingle-phasePWMrectifiers,IEEETrans.Power.Electron.,vol.28,no.3,pp.1308-1319,Mar.2013.(H.Li,H.K.Zhang,H.Zhao,S.Fan和J.Xiong，大功率单相PWM整流器的有功功率解耦，IEEE电力电子杂志，2013年第28卷3期，第1308页到1319页)”提出了一种单相PWM整流器的直流侧电容电压二倍工频纹波抑制方法，但所提出的方法需要添加额外的装置，这不但不利于系统的成本和体积，且增加了系统的复杂性并降低其可靠性。文献“C.Liu,andJ.SLai,Lowfrequencycurrentripplereductiontechniquewithactivecontrolinafuelcellpowersystemwithinverterload,”IEEETrans.Power.Electron.,vol.22,no.4,pp.1429-1436,Jul.2007.(C.Liu和J.SLai，负载型燃料电池电力系统中有源控制的低频电流脉动抑制技术，IEEE电力电子杂志，2007年7月第22卷4期，第1429页到1436页)”对单相两级式变换器的二倍频波动问题进行研究。然而，该方法主要是为了抑制输入电流脉动，提高燃料电池的使用寿命，与所述问题不同。综上所述，现有的级联光伏固态变压器中前级LLC变换器的四倍工频纹波抑制方法还存在如下缺点：1)、目前主要研究的是单相逆变器的直流侧电容电压的二倍工频纹波抑制问题，而且需要添加额外的辅助装置，这会增加系统的成本和复杂性，降低系统的可靠性。2)、现有文献很少提及级联光伏固态变压器的四倍工频包络波问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就是克服上述各种方案的局限性，提出一种级联光伏固态变压器中两电平全桥LLC变换器谐振电流的四倍工频包络纹波抑制方法，不需增加任何额外装置就能使四倍工频纹波电流得到较好地抑制，改善系统的性能。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种级联光伏固态变压器的控制方法，应用该控制方法的级联光伏固态变压器是三相光伏变换器，由A相、B相和C相组成；其中A相、B相和C相均包含包含N个模块，A相、B相和C相中的模块结构完全相同，且N是大于1的正整数；A相、B相和C相中的每一个模块都是由一个两电平全桥LLC变换器串联一个H桥变换器组成，H桥变换器的交流输出端并联一个旁路开关，所述旁路开关就是一个开关状态可控的继电器；A相、B相和C相中所有模块的交流输出端互相串联，形成三个模块串，这三个模块串的一端连接在一起形成一个公共点，另一端均分别通过电感连接到三相星型连接的电网；A相、B相和C相的所有模块的输入端口并联形成公共直流母线；此外，公共直流母线上还连接了M个两电平Boost变换器，M是大于1的正整数；其中，两电平Boost变换器的输出正母线与公共直流母线的正电压母线连接，两电平Boost变换器的输出负母线与公共直流母线的负电压母线连接；M个两电平Boost变换器的输入端口各自并联一个光伏阵列；其特征在于，所述的控制方法包括H桥变换器直流侧电容电压的平均值控制、电网电流控制、两电平全桥LLC变换器的控制，以及光伏阵列的最大功率点追踪控制，步骤如下：步骤1，H桥直流侧电容电压的平均值控制步骤1.1，分别对A相、B相和C相的所有H桥变换器的直流侧电容电压进行采样，得到以下数据：N个A相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为A相直流侧电容电压VHAk，k＝1,2,...,N；N个B相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为B相直流侧电容电压VHBk，k＝1,2,...,N；N个C相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为C相直流侧电容电压VHCk，k＝1,2,...,N；步骤1.2，计算所有H桥变换器的直流侧电容电压的平均值，并记为直流侧电容电压平均值VHaver，其计算式为：步骤1.3，使用电压调节器对直流侧电容电压平均值VHaver进行控制，可以得到有功电流指令值其计算式为：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，Vref为H桥变换器直流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种级联光伏固态变压器的控制方法，应用该控制方法的级联光伏固态变压器是三相光伏变换器，由A相、B相和C相组成；其中A相、B相和C相均包含N个模块，A相、B相和C相中的模块结构完全相同，且N是大于1的正整数；A相、B相和C相中的每一个模块都是由一个两电平全桥LLC变换器串联一个H桥变换器组成，H桥变换器的交流输出端并联一个旁路开关，所述旁路开关就是一个开关状态可控的继电器；A相、B相和C相中所有模块的交流输出端互相串联，形成三个模块串，这三个模块串的一端连接在一起形成一个公共点，另一端均分别通过电感连接到三相星型连接的电网；A相、B相和C相的所有模块的输入端口并联形成公共直流母线；此外，公共直流母线上还连接了M个两电平Boost变换器，M是大于1的正整数；其中，两电平Boost变换器的输出正母线与公共直流母线的正电压母线连接，两电平Boost变换器的输出负母线与公共直流母线的负电压母线连接；M个两电平Boost变换器的输入端口各自并联一个光伏阵列；其特征在于，所述的控制方法包括H桥变换器直流侧电容电压的平均值控制、电网电流控制、两电平全桥LLC变换器的控制，以及光伏阵列的最大功率点追踪控制，步骤如下：步骤1，H桥直流侧电容电压的平均值控制步骤1.1，分别对A相、B相和C相的所有H桥变换器的直流侧电容电压进行采样，得到以下数据：N个A相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为A相直流侧电容电压VHAk，k＝1,2,...,N；N个B相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为B相直流侧电容电压VHBk，k＝1,2,...,N；N个C相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为C相直流侧电容电压VHCk，k＝1,2,...,N；步骤1.2，计算所有H桥变换器的直流侧电容电压的平均值，并记为直流侧电容电压平均值VHaver，其计算式为：...

【技术特征摘要】
1.一种级联光伏固态变压器的控制方法，应用该控制方法的级联光伏固态变压器是三相光伏变换器，由A相、B相和C相组成；其中A相、B相和C相均包含N个模块，A相、B相和C相中的模块结构完全相同，且N是大于1的正整数；A相、B相和C相中的每一个模块都是由一个两电平全桥LLC变换器串联一个H桥变换器组成，H桥变换器的交流输出端并联一个旁路开关，所述旁路开关就是一个开关状态可控的继电器；A相、B相和C相中所有模块的交流输出端互相串联，形成三个模块串，这三个模块串的一端连接在一起形成一个公共点，另一端均分别通过电感连接到三相星型连接的电网；A相、B相和C相的所有模块的输入端口并联形成公共直流母线；此外，公共直流母线上还连接了M个两电平Boost变换器，M是大于1的正整数；其中，两电平Boost变换器的输出正母线与公共直流母线的正电压母线连接，两电平Boost变换器的输出负母线与公共直流母线的负电压母线连接；M个两电平Boost变换器的输入端口各自并联一个光伏阵列；其特征在于，所述的控制方法包括H桥变换器直流侧电容电压的平均值控制、电网电流控制、两电平全桥LLC变换器的控制，以及光伏阵列的最大功率点追踪控制，步骤如下：步骤1，H桥直流侧电容电压的平均值控制步骤1.1，分别对A相、B相和C相的所有H桥变换器的直流侧电容电压进行采样，得到以下数据：N个A相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为A相直流侧电容电压VHAk，k＝1,2,...,N；N个B相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为B相直流侧电容电压VHBk，k＝1,2,...,N；N个C相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为C相直流侧电容电压VHCk，k＝1,2,...,N；步骤1.2，计算所有H桥变换器的直流侧电容电压的平均值，并记为直流侧电容电压平均值VHaver，其计算式为：步骤1.3，使用电压调节器对直流侧电容电压平均值VHaver进行控制，可以得到有功电流指令值其计算式为：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，Vref为H桥变换器直流侧电容电压的平均值的参考电压；步骤2，电网电流控制步骤2.1，分别对三相电网电压和三相电网电流进行采样，得到三相电网电压的采样值vga，vgb，vgc和三相电网电流的采样值iga，igb，igc；步骤2.2，使用解耦双同步坐标系锁相环对步骤2.1得到的三相电网电压的采样值vga，vgb，vgc进行锁相，得到电网电压的相位角ωt、角频率ω以及电网相电压的幅值Vg；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中采样得到的三相电网电压vga，vgb，vgc转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中得到的三相电网电流的采样值iga，igb，igc转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量id和电网电流无功分量iq；电网电压有功分量ed和电网电压无功分量eq的计算式为：电网电流有功分量id和电网电流无功分量iq的计算式为：步骤2.3，设逆变器的无功电流指令值给定为0，根据步骤1.3得到的有功电流指令值和步骤2.2得到的电网电流有功分量id和电网电流无功分量iq，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到有功电流调节器的输出值Δvd和无功电流调节器的输出值Δvq，其计算式分别为：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2.4，根据步骤2.2得到的电网电压有功分量ed、电网电压无功分量eq、电网电流有功分量id、电网电流无功分量iq、电网电压角频率ω以及步骤2.3中得到的有功电流调节器的输出值Δvd和无功电流调节器的输出值Δvq，计算得到有功电压幅值vd和无功电压幅值vq，如下式所示：其中，其中Lf为网侧滤波电感；步骤2.5，将步骤2.4得到的有功电压幅值vd和无功电压幅值vq经过同步旋转坐标系逆变换得到自然坐标系下逆变器的三相调制电压vca，vcb和vcc，计算式为：步骤2.6，根据步骤2.4得到的有功电压幅值vd和无功电压幅值vq，计算出三相调制电压vca，vcb和vcc的幅值Vc以及vca与vga之间的夹角α，其计算式为：步骤2.7，根据步骤2.2得到的电网电压的相位角ωt以及步骤2.6计算出的Vc和α，计算出三次谐波电压v3，其计算式为：步骤2.8，根据步骤2.5计算得到的三相调制电压vca，vcb和vcc以及步骤2.7计算得到的三次谐波电压v3，可以计算出补偿三次谐波电压后的三相调制电压和其计算式为：步骤2.9，将步骤2.8计算得到的补偿三次谐波电压后的三相调制电压和分别除以A相、B相、和C相的模块数目N，可以得到A相模块的调制电压vaH，B相模块的调制电压vbH和C相模块的调制电压vcH，其计算式为：步骤2.10，计...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，赵涛，王明达，毛旺，王付胜，李飞，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34