一种级联H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制方法技术

本发明专利技术公开了一种级联H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制方法，属于光伏发电领域，目的是为了解决单相级联H桥光伏并网逆变器模块间传输功率严重功率不平衡导致系统不能稳定运行这一问题。步骤包括对所有H桥变换器的直流母线电容电压进行控制，使调制度不大于4/π的H桥变换器对应的光伏组件工作于最大功率点，调制度大于4/π的H桥对应的光伏组件的输出功率等于H桥实际能够传输的最大功率；对电网电流进行无静差控制；根据系统工作模式的不同，采用不同的调制波计算计算出所有H桥的调制波。相比于现有技术，当某些H桥变换器的调制度大于4/π时系统依然能够正常运行，大幅度提高了单相级联H桥光伏并网逆变器应对功率不平衡的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种级联H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制方法
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H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制方法。
技术介绍
与传统逆变器相比，单相级联H桥多电平逆变器具有电网电流谐波含量低、开关频率低、滤波器体积小且易于模块化等优点，因此得到了众多学者的关注。此外，单相级联H桥多电平逆变器的每个H桥单元的直流侧可由一块光伏电池独立供电，使其独立的最大功率点追踪(MPPT-MaximumPowerPointTracking)控制成为可能。根据电网电压以及系统功率等级的不同，单相级联H桥光伏并网逆变器所需的H桥及其前级的光伏组件的数量一般为几个甚至几十个。当这些光伏组件放置在屋顶时，受不同的摆放位置、不同的光照强度、不同的表面灰尘累积、部分遮挡甚至组件不同的老化程度等因素的影响，光伏组件之间的输出功率可能会不平衡。由于流过每个H桥的电流相等(均为电网电流)而传输的功率有所差异，会使输出功率较大的光伏组件对应的H桥过调制，导致电网电流性能变差甚至系统不能正常运行。目前，如何使单相CHB光伏并网逆变器在功率不平衡条件下正常运行已经成为单相CHB光伏并网逆变器的研究热点。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.电力电子技术，2018，52(8)：94-97.”(《电力电子技术》2018年第52卷第8期第94-97页)提出一种混合调制策略，采用低频方波调制和高频正弦波脉冲宽度调制波相结合的方式，可以将H桥变换器的线性调制范围扩大至4/π，进而避免了H桥变换器在某些功率不平衡条件下出现过调制。但是，该方法会造成H桥变换器直流母线电容电压波动较大，从而降低系统发电量。文献“L.Liming，L.Hui，X.YaosuoandL.Wenxin，Reactivepowercompensationandoptimizationstrategyforgrid-interactivecascadedphotovoltaicsystems.IEEETrans.PowerElectron.，vol.30，no.1，pp.188-202，Jan.2015.”(L.Liming，L.Hui，X.YaosuoandL.Wenxin，级联型并网光伏发电系统的无功功率补偿及其优化策略，IEEE电力电子杂志，2015年1月第30卷1期，第188页到202页)通过补偿一定的无功功率，当各个H桥模块的输出功率严重不平衡时依然能够保证所有H桥都不会过调制。然而，该方法会降低逆变器的功率因数。文献“Y.Ko，M.Andresen，G.Buticchi，andM.Liserre，PowerRoutingforcascadedH-bridgeconverters.IEEETrans.PowerElectron.，vol.32，no.12，pp.9435-9446，Dec.2017.”(Y.Ko，M.Andresen，G.Buticchi，andM.Liserre，级联H桥变换器的功率路径，IEEE电力电子杂志，2017年12月第32卷12期，第9435页到9446页)提出一种三次谐波补偿控制策略，可以把H桥变换器的调制度扩大至1.155，在一定范围内避免H桥变换器过调制。同时，该方法还能保证系统在单位功率因数下运行且直流侧电容电压波动较小。相比于混合调制策略和无功功率补偿方案，三次谐波补偿策略的综合性能较优。然而，当系统不平衡程度较重时，部分H桥变换器的调制度可能会大于1.155，即便补偿三次谐波，依然不能避免某些H桥变换器过调制。2019年8月27日公开授权的中国专利技术专利CN201710948192.2《级联H桥型光伏并网逆变器的谐波补偿控制方法》提出了一种谐波补偿策略，该方法保留了三次谐波补偿策略的优点，并且能够将H桥变换器的线性调制范围扩大到4/π，该方法应对功率不平衡的能力要显著高于三次谐波补偿策略。但是，随着光伏组件输出功率的进一步不平衡，部分H桥变换器的调制度将大于4/π，此方法也将失效。综上所述，现有文献关于单相级联H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制策略还存在如下缺点：1、混合调制策略可以将H桥变换器的线性调制范围从1扩大至4/π，但会增大H桥变换器直流母线电容电压的波动，降低系统的发电量，并且降低系统的MPPT效率。2、无功功率补偿策略可以应对严重的功率不平衡情况，但此方法会降低系统的功率因数，实际中的应用可能会受到限制。3、三次谐波补偿策略既不会加剧H桥变换器直流母线电容电压的波动又可保证系统单位功率因数运行，但该方法应对功率不平衡的能力较弱。4、谐波补偿策略保留了三次谐波补偿策略的优点，且进一步扩大了H桥变换器的线性调制范围，但在更严重的功率不平衡情况下(例如，部分H桥变换器的调制度大于4/π)，谐波补偿策略也会失效。
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方案的局限性，提出一种级联H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制方法，即使功率严重不平衡时导致部分H桥的调制度大于4/π，依然可保证系统正常运行。相比于现有的方法，能够较大程度地应对功率不平衡问题，满足单相级联H桥光伏并网逆变器的实际应用需求。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H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制方法，所述的级联H桥光伏并网逆变器为单相逆变器，包含N个相同的H桥变换器，N为大于1的正整数，每个H桥变换器均由四个全控型功率开关器件组成，每个H桥变换器前端各并联一个电解电容，每个电解电容分别与一个光伏组件并联；所述的控制方法包括H桥变换器直流母线电压控制、参考功率选择、电网电流控制以及H桥变换器调制波计算，步骤如下：步骤1，H桥变换器直流母线电压控制步骤1.1，分别对N个H桥变换器直流母线电容电压和N个光伏组件的输出电流进行采样，得到N个H桥变换器直流母线电容电压采样值和N个光伏组件的输出电流采样值，并分别记为Vdci和Idci，i＝1，2，…，N；步骤1.2，根据步骤1.1得到的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值Vdci和N个光伏组件的输出电流采样值Idci，分别对N个光伏组件进行最大功率点追踪控制，得到N个光伏组件的最大功率点电压步骤1.3，使用陷波器对步骤1.1得到的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值Vdci进行滤波，并将滤波后的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值记为VdciA，i＝1，2，…，N，其计算式为：其中，s为拉普拉斯算子，Q表示陷波器的品质因数，ω0表示陷波器的固有角频率；步骤1.4，将步骤1.2得到的N个光伏组件的最大功率点电压作为H桥变换器直流母线电容电压的参考值，使用N个相同的电压调节器分别对滤波后的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值VdciA进行控制，N个电压调节器的输出分别为N个H桥变换器的参考电流信号Ii，i＝1，2，…，N，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为拉普拉斯算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种级联H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制方法，所述的级联H桥光伏并网逆变器为单相逆变器，包含N个相同的H桥变换器，N为大于1的正整数，每个H桥变换器均由四个全控型功率开关器件组成，每个H桥变换器前端各并联一个电解电容，每个电解电容分别与一个光伏组件并联；/n其特征在于，所述的控制方法包括H桥变换器直流母线电压控制、参考功率选择、电网电流控制以及H桥变换器调制波计算，步骤如下：/n步骤1，H桥变换器直流母线电压控制/n步骤1.1，分别对N个H桥变换器直流母线电容电压和N个光伏组件的输出电流进行采样，得到N个H桥变换器直流母线电容电压采样值和N个光伏组件的输出电流采样值，并分别记为V

【技术特征摘要】
1.一种级联H桥光伏并网逆变器的功率不平衡控制方法，所述的级联H桥光伏并网逆变器为单相逆变器，包含N个相同的H桥变换器，N为大于1的正整数，每个H桥变换器均由四个全控型功率开关器件组成，每个H桥变换器前端各并联一个电解电容，每个电解电容分别与一个光伏组件并联；
其特征在于，所述的控制方法包括H桥变换器直流母线电压控制、参考功率选择、电网电流控制以及H桥变换器调制波计算，步骤如下：
步骤1，H桥变换器直流母线电压控制
步骤1.1，分别对N个H桥变换器直流母线电容电压和N个光伏组件的输出电流进行采样，得到N个H桥变换器直流母线电容电压采样值和N个光伏组件的输出电流采样值，并分别记为Vdci和Idci，i＝1，2，…，N；
步骤1.2，根据步骤1.1得到的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值Vdci和N个光伏组件的输出电流采样值Idci，分别对N个光伏组件进行最大功率点追踪控制，得到N个光伏组件的最大功率点电压
步骤1.3，使用陷波器对步骤1.1得到的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值Vdci进行滤波，并将滤波后的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值记为VdciA，i＝1，2，…，N，其计算式为：



其中，s为拉普拉斯算子，Q表示陷波器的品质因数，ω0表示陷波器的固有角频率；
步骤1.4，将步骤1.2得到的N个光伏组件的最大功率点电压作为H桥变换器直流母线电容电压的参考值，使用N个相同的电压调节器分别对滤波后的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值VdciA进行控制，N个电压调节器的输出分别为N个H桥变换器的参考电流信号Ii，i＝1，2，…，N，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；
步骤1.5，将滤波后的N个H桥变换器直流母线电容电压采样值VdciA和步骤1.4得到的N个H桥变换器的参考电流信号Ii相乘，得到N个H桥变换器的输出功率PCi，i＝1，2，…，N，其计算式为：
PCi＝VdciAIi，i＝1，2，...，N
步骤2，参考功率选择
计算出N个H桥变换器实际能够传输的有功功率Pi以及级联H桥光伏并网逆变器直流侧向交流侧传输的总功率PT，其计算式分别为：






其中，PRi为第i个H桥变换器实际能够传输的最大有功功率，其计算式为：




为上一个控制周期计算出的第i个H桥变换器的调制度；

为上一控制周期计算出的级联H桥光伏并网逆变器直流侧向交流侧传输的总功率；

为上一控制周期计算出的级联H桥光伏并网逆变器的交流输出基波电压的幅值；
步骤3，电网电流控制
步骤3.1，分别对电网电压和电网电流进行采样，得到电网电压采样值vg和电网电流采样值ig；
步骤3.2，使用数字锁相环对步骤3.1得到的电网电压采样值vg进行锁相，得到电网电压的相位角ωt和电网电压的幅值Vg；
步骤3.3，令电网电流采样值ig的相位角延迟π/2而幅值保持不变，得到与电网电流采样值ig正交的信号iQ，将ig和iQ从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，得到有功电流反馈值id和无功电流反馈值iq，其计算式如下：



其中，cos(ωt)为电网电压相位角ωt的余弦值，sin(ωt)为电网电压相位角ωt的正弦值；
步骤3.4，为了使级联H桥光伏并网逆变器单位功率因数运行，无功电流参考值直接设定为0，有功电流参考值由步骤2得到的级联H桥光伏并网逆变器直流侧向交流侧实际传输的总有功功率PT和步骤3.2得到的电网电压的幅值Vg计算出来，其计算式为：



步骤3.5，分别使用有功电流调节器和无功电流调节器对id和iq进行控制，得到有功调制电压的幅值vd和无功调制电压的幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵涛，陈道炼，冯之健，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37