一种模块化三相光伏逆变器及其控制系统和方法

1.本发明涉及光伏逆变器控制领域，具体地说是一种模块化三相光伏逆变器及其控制系统和方法。


背景技术：

2.光伏逆变器作为一种功率转换工具，通过电力电子转换技术将太阳能电池产生的直流电转换为交流电能，直接集成到交流电网或负载中。它是整个光伏发电系统中不可缺少的核心器件。近年来，经过几代学者的不懈努力，光伏逆变器正朝着高频化、高效率、高功率密度的方向发展。因此，对光伏逆变器的性能优化是解决当下光伏发电系统成本过高、稳定性和可靠性相对较低等问题的关键。
3.级联h桥光伏逆变器由于其易扩展、易于模块化且输出电压谐波小等诸多优点,作为新一代的光伏逆变器己经成为当下的研讨热门。但随着其级联子模块数量的增加，需要复杂的通信才能保证系统的正常运行。同时，光伏级联系统固有的功率不匹配加剧了控制系统的复杂性。
4.产生功率不平衡的原因主要有：光照不均、局部阴影、灰尘堆积、器件性能差异、温度不均等，导致各个光伏模块输出功率不一致，进而导致各级联单元传输的功率不一致。功率不平衡分为两类：相与相之间功率不平衡和同相内模块与模块之间功率不平衡，前者称为相间功率不平衡，后者称为相内功率不平衡。
5.为了缓解相内功率不平衡，有学者提出一种提出了一种具有无功补偿功能的集中控制策略，遵循有功按比例分配和无功按需求分配的原则，保证相内模块功率不平衡时不会出现过调制。上述控制策略可行，但该方法会降低系统的功率因数。
6.文献“mingda wang，xing zhang，tao zhao，mingyao ma，yuhan hu，fusheng wang and xinyu wang.harmonic compensation strategy for single-phase cascaded h-bridge pv inverter under unbalanced power conditions.ieee trans.ind.electron.，vol.67,no.12，pp.10474-10484,dec.2020.”(mingda wang，xing zhang，tao zhao，mingyao ma，yuhan hu，fusheng wang and xinyu wang，一种单相级联h桥光伏逆变器谐波补偿优化策略，ieee工业电子杂志，2020年12月第67卷第12期，第10474页到10484页)通过谐波补偿的方式将线性调制范围扩展到约1.27，该方法能在一定程度上扩大系统的运行范围，但其应对功率不平衡的能力较弱，无法应对某些功率严重不平衡的情况，且仍需大量的控制和模块间通信。
7.综上所述，对级联h桥相内功率不平衡的控制方法仍然存在以下问题：现有的典型控制策略都需要向主控制器发送大量子模块数据进行计算和处理，然后由主控制器向各个子模块发送控制指令，这给控制系统带来了极大的挑战。


技术实现要素：

8.鉴于现有技术中的问题，本发明提供了一种分布式自适应升压控制方法，基于一
种模块化三相光伏逆变器，在级联h桥相内功率不平衡情况下，对原有拓扑不做任何改动，通过增加较高传输功率的子模块直流母线电压来缓解此不平衡现象，从而提高变换器系统的工作范围；并结合分布式控制方法，减少各个模块间信息交互，降低系统复杂性。
9.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
10.一种模块化三相光伏逆变器，其特征在于，包括n个子模块，每个子模块包括一个光伏阵列，一个单输入、三输出的多端口变换器和一个三相独立h桥逆变器；
11.所述的单输入、三输出的多端口变换器的输入端与光伏阵列相连，三个输出端分别与三相独立h桥逆变器的三个h桥单元的直流输入端连接；各子模块的三相逆变器的h桥单元的交流输出端按相依次串联，经三相交流滤波器连接至公共三相电网；
12.在上述的一种模块化三相光伏逆变器，单输入、三输出多端口变换器为单输入、三输出的llc谐振变换器，包括光伏输入端滤波电容c
p
、输入端dc/ac变换单元和三个输出端ac/dc变换单元。
13.在上述的一种模块化三相光伏逆变器，n个相同的子模块的三相逆变器的h桥单元的交流输出端按相依次串联，经三相交流滤波器连接至公共三相电网。
14.一种分布式自适应升压控制系统，其特征在于，适用于一种模块化三相光伏逆变器，包括一个主控制器和若干个子控制器；
15.所述的主控制器经过计算得到电网电压幅值信号v和相角信号ωt，并发送给各子控制器；
16.所述的若干个子控制器与若干模块化三相光伏逆变器连接，依次对其进行光伏阵列的最大功率追踪点控制、三相独立h桥逆变器h桥单元直流侧电容电压控制、并网电流控制以及自适应升压控制。
17.一种分布式自适应升压控制方法，，其特征在于，包括:
18.光伏阵列的最大功率追踪点控制步骤：计算得出多端口变换器的调制信号，根据多端口变换器的不同，选择相应的调制方法得到多端口变换器的开关驱动信号；
19.三相独立h桥逆变器h桥单元直流侧电容电压控制步骤：对h桥单元直流侧电容电压进行采样计算直流侧电容电压的平均值，使用电压调节器直流侧电容电压的平均值进行控制，得到三相交流输出电流有功分量的参考值；
20.并网电流控制步骤：对输出电流进行采样并对其进行坐标系反变换得到调制波参考信号，通过给定三角载波与调制波参考信号比较，生成开关器件控制指令，并分别发送给h桥单元、
21.自适应升压控制步骤：判断调制系数与给定调制系数限幅值的大小根据判断结果进行选择性的自适应升压模式。
22.在上述的一种分布式自适应升压控制方法，光伏阵列的最大功率追踪点控制步骤具体包括：
23.步骤1.1，所述子控制器分别对多端口变换器的输入母线电容电压和对应光伏阵列的输出电流进行采样，得到多端口变换器的输入母线电容电压的采样值并记为输入母线电容电压v
pv
，光伏阵列的输出电流的采样值并记为光伏阵列的输出电流i
pv
；
24.步骤1.2，根据步骤1.1所得的输入母线电容电压v
pv
和光伏阵列的输出电流i
pv
，对多端口变换器所连接的光伏阵列进行最大功率点追踪，得到多端口变换器所连接的光伏阵
列的最大功率点电压并记为光伏阵列最大功率点电压v
pv*
，并将光伏阵列最大功率点电压v
pv*
，作为多端口变换器输入母线电容电压的参考值；
25.步骤1.3，将步骤1.1所得的多端口变换器的输入母线电容电压的采样值v
pv
与步骤1.2所得的光伏阵列最大功率点电压v
pv*
作比较，通过pi控制器，得到多端口变换器的调制信号；
26.采样上述步骤计算得出多端口变换器的调制信号后，根据多端口变换器的不同，选择相应的调制方法得到多端口变换器的开关驱动信号；
27.在上述的一种分布式自适应升压控制方法，三相独立h桥逆变器h桥单元直流侧电容电压控制步骤具体包括：
28.步骤2.1，所述子控制器分别对第一h桥单元、第二h桥单元、第三h桥单元的直流侧电容电压进行采样，并记为第一h桥单元直流侧电容电压采样值v
dca
，第二h桥单元直流侧电容电压采样值v
dcb
，第三h桥单元直流侧电容电压v
dcc
；
29.步骤2.2，计算步骤2.1所得的三个h桥单元的直流侧电容电压的平均值，并记为直流侧电容电压的平均值v
dcaver
，其计算式为：
[0030]vdcaver
＝(v
dca
v
dcb
v
dcc
)/3
[0031]
步骤2.3，使用电压调节器对步骤2.2所得的直流侧电容电压的平均值v
dcaver
进行控制，得到三相交流输出电流有功分量的参考值i
d*
，其计算式为
[0032][0033]
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，为直流侧电容电压的平均值的参考电压；
[0034]
在上述的一种分布式自适应升压控制方法，并网电流控制步骤具体包括：
[0035]
步骤3.1，所述子控制器分别对输出电流进行采样，得到输出电流的采样值，并记为ig；
[0036]
步骤3.2，所述子控制器对步骤3.1采样所得电网电流ig通过同步旋转坐标系变换，得到两相旋转坐标系下的输出电流有功分量id、电网电流无功分量iq；
[0037]
步骤3.3，使用电流调节器分别对步骤3.2所得的输出电流有功分量id、电网电流无功分量iq进行控制，再经过同步旋转坐标系反变换，得到调制波参考信号ma，mb，mc，其计算式为：
[0038][0039]
[0040][0041]
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；
[0042]
步骤3.4，通过给定三角载波与调制波参考信号比较，生成开关器件控制指令，并分别发送给所述第一h桥单元、第二h桥单元、第三h桥单元。
[0043]
在上述的一种分布式自适应升压控制方法，自适应升压控制步骤具体包括：
[0044]
所述子控制器判断调制系数md是否小于或等于给定调制系数限幅值m，若调制系数小于等于调制系数限幅值则进入工作模式1，否则进入工作模式2；
[0045]
工作模式1，直流侧电容电压的平均值的参考电压等于给定直流侧电压参考值v
dc*
；
[0046]
工作模式2，保持调制系数等于调制系数限幅值，并使直流侧电容电压的平均值的参考电压在给定直流侧电压参考值v
dc*
的基础上增加一个可变电压分量δv
dc
，该可变电压分量δv
dc
由自适应升压调节器输出获得，其计算式为：
[0047][0048]
其中，k
p
为自适应升压调节器的比例系数。
[0049]
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0050]
(1)本发明提出的自适应升压控制方法通过动态调整子模块h桥的直流母线电容电压，大大扩展了级联系统在严重相内功率失配情况下系统的运行范围，保证更大范围的全模块的最大功率跟踪控制；
[0051]
(2)采用分布式控制的方法，减少各个模块间信息交互，大大降低了传输数据延迟和通信负担，与集中式控制相比，降低了系统的复杂性。
附图说明
[0052]
图1为本发明实施的模块化三相光伏逆变器单个子模块拓扑结构框图。
[0053]
图2为本发明实施的模块化三相光伏逆变器级联模块拓扑结构框图。
[0054]
图3为本发明实施的分布式自适应升压控制方法的总控制框图。
[0055]
图4为本发明实施的分布式自适应升压控制方法的具体步骤控制框图。
[0056]
图5为本发明实施的分布式自适应升压控制方法中自适应升压控制步骤的控制流程图。
[0057]
图6为本发明实施的具体实例输入光伏功率仿真结果图。
[0058]
图7为本发明实施的具体实例中光伏端输出电压仿真结果图。
[0059]
图8为本发明实施的具体实例中三相输出电流仿真结果图。
[0060]
图9为本发明实施的具体实例中直流母线电压仿真结果图。
具体实施方式
[0061]
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整地、清晰地描述。显然，附图中给出的仅仅是本发明的一个实施例而不是全部的实施例。对于本领域的技术人员来说，在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利的保护范围。
[0062]
图1为本发明实施的模块化三相光伏逆变器单个子模块拓扑结构框图；
[0063]
图2为本发明实施的模块化三相光伏逆变器级联模块拓扑结构框图；
[0064]
一种模块化三相光伏逆变器包括n个子模块，每个子模块包括一个光伏阵列，一个单输入、三输出的多端口变换器和一个三相独立h桥逆变器；其中所述的单输入、三输出的多端口变换器的输入端与光伏阵列相连，三个输出端分别与三相独立h桥逆变器的三个h桥单元的直流输入端连接；各子模块的三相逆变器的h桥单元的交流输出端按相依次串联，经三相交流滤波器连接至公共三相电网；
[0065]
本实例中，如图1所示，所述的单输入、三输出多端口变换器为单输入、三输出的llc谐振变换器，包括光伏输入端滤波电容c
p
、输入端dc/ac变换单元和三个输出端ac/dc变换单元。
[0066]
如图2所示，n个相同的子模块的三相逆变器的h桥单元的交流输出端按相依次串联，经三相交流滤波器连接至公共三相电网。
[0067]
本发明所采用的分布式自适应升压控制方法，基于上述的模块化三相光伏逆变器拓扑结构，采用一个主控制器和若干个子控制器进行控制；
[0068]
图3为本发明实施的分布式自适应升压控制方法的总控制框图；图4为本发明实施的分布式自适应升压控制方法的具体步骤控制框图；其中主控制器经过计算得到电网电压幅值信号v和相角信号ωt，并发送给各子控制器；
[0069]
若干个子控制器控制方法相同，在本实例中，选取三个子模块级联，任选其中一个子控制器作举例说明，具体包括以下步骤：
[0070]
步骤1，光伏阵列的最大功率追踪点控制
[0071]
步骤1.1，所述子控制器分别对多端口变换器的输入母线电容电压和对应光伏阵列的输出电流进行采样，得到多端口变换器的输入母线电容电压的采样值并记为输入母线电容电压v
pv
，光伏阵列的输出电流的采样值并记为光伏阵列的输出电流i
pv
；
[0072]
步骤1.2，根据步骤1.1所得的输入母线电容电压v
pv
和光伏阵列的输出电流i
pv
，对多端口变换器所连接的光伏阵列进行最大功率点追踪，得到多端口变换器所连接的光伏阵列的最大功率点电压并记为光伏阵列最大功率点电压v
pv*
，并将光伏阵列最大功率点电压v
pv*
，作为多端口变换器输入母线电容电压的参考值；
[0073]
步骤1.3，将步骤1.1所得的多端口变换器的输入母线电容电压的采样值v
pv
与步骤1.2所得的光伏阵列最大功率点电压v
pv*
作比较，通过pi控制器，得到多端口变换器的调制信号；
[0074]
采样上述步骤计算得出多端口变换器的调制信号后，根据多端口变换器的不同，选择相应的调制方法得到多端口变换器的开关驱动信号；
[0075]
在本实例中，所选用的多端口变换器为单输入、三输出的llc谐振变换器，经过步骤1.2所得的调制信号为llc谐振变换器的开关频率fc，所采用的调制方法为常见的脉冲频
率调制(pulse frequency modulation，pfm调制)，输出开关驱动信号驱动llc谐振变换器的各开关管。
[0076]
步骤2，三相独立h桥逆变器h桥单元直流侧电容电压控制
[0077]
步骤2.1，所述子控制器分别对第一h桥单元、第二h桥单元、第三h桥单元的直流侧电容电压进行采样，并记为第一h桥单元直流侧电容电压采样值v
dca
，第二h桥单元直流侧电容电压采样值v
dcb
，第三h桥单元直流侧电容电压v
dcc
；
[0078]
步骤2.2，计算步骤2.1所得的三个h桥单元的直流侧电容电压的平均值，并记为直流侧电容电压的平均值v
dcaver
，其计算式为：
[0079]vdcaver
＝(v
dca
v
dcb
v
dcc
)/3
[0080]
步骤2.3，使用电压调节器对步骤2.2所得的直流侧电容电压的平均值v
dcaver
进行控制，得到三相交流输出电流有功分量的参考值i
d*
，其计算式为
[0081][0082]
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，为直流侧电容电压的平均值的参考电压；在本实例中，k
vp
＝0.2，k
vi
＝5
×
10-4
。
[0083]
步骤3，并网电流控制
[0084]
步骤3.1，所述子控制器分别对输出电流进行采样，得到输出电流的采样值，并记为ig；
[0085]
步骤3.2，所述子控制器对步骤3.1采样所得电网电流ig通过同步旋转坐标系变换，得到两相旋转坐标系下的输出电流有功分量id、电网电流无功分量iq；
[0086]
步骤3.3，使用电流调节器分别对步骤3.2所得的输出电流有功分量id、电网电流无功分量iq进行控制，再经过同步旋转坐标系反变换，得到调制波参考信号ma，mb，mc，其计算式为：
[0087][0088][0089][0090]
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；在本实例中，k
ip
＝0.3，k
ii
＝5
×
10-4
。
[0091]
步骤3.4，通过给定三角载波与调制波参考信号比较，生成开关器件控制指令，并分别发送给所述第一h桥单元、第二h桥单元、第三h桥单元；
[0092]
步骤4，自适应升压控制
[0093]
图5为本发明实施的分布式自适应升压控制方法中步骤4控制流程图；
[0094]
子控制器判断调制系数md是否小于或等于给定调制系数限幅值m，若调制系数小于等于调制系数限幅值则进入工作模式1，否则进入工作模式2；在本实例中，给定调制系数限幅值m为0.95。
[0095]
工作模式1，直流侧电容电压的平均值的参考电压等于给定直流侧电压参考值v
dc*
；在本实例中，给定直流侧电压参考值v
dc*
为40v。
[0096]
工作模式2，保持调制系数等于调制系数限幅值，并使直流侧电容电压的平均值的参考电压在给定直流侧电压参考值v
dc*
的基础上增加一个可变电压分量δv
dc
，该可变电压分量δv
dc
由自适应升压调节器输出获得，其计算式为：
[0097][0098]
其中，k
p
为自适应升压调节器的比例系数；在本实例中，k
p
＝5。
[0099]
下面结合仿真对本发明作进一步描述说明。
[0100]
在本发明中，采用psim仿真软件搭建本发明提出的分布式自适应升压控制方法，进行仿真验证，参数如表1所示：
[0101]
表1分布式自适应升压控制方法仿真参数
[0102][0103][0104]
图6为本发明实施的具体实例输入光伏功率仿真结果图；图7为本发明实施的具体实例中光伏端输出电压仿真结果图；图8为本发明实施的具体实例中三相输出电流仿真结
果图；图9为本发明实施的具体实例中直流母线电压仿真结果图；
[0105]
在本实例中，三个子模块光伏阵列的初始功率均为300w。0.04s时，子模块2和子模块3的功率分别下降到260w和220w。此时模块间存在轻微的功率不平衡，调制系数md小于给定调制系数限幅值m，各子模块均进入工作模式1，只需控制调制系数即可保持最大功率跟踪控制；在0.07s时，模块间功率失配加剧，模块2和模块3的功率分别下降到120w和100w，此时模块间存在严重的功率不平衡，子模块1调制系数md大于给定调制系数限幅值0.95，此时输出功率最大的子模块1进入工作模式2，将子模块1的调制系数限制在给定调制系数限幅值0.95，直流侧电容电压自动上升，系统仍能稳定运行且保证最大功率跟踪控制；在0.1s时，三个子模块光伏阵列功率均恢复到初始功率300w，此时各子模块均进入工作模式1，不再升压，恢复到初始状态。整个控制过程中三相输出电流时刻保持平衡，控制效果良好，仿真结果验证了本发明所述的分布式自适应升压控制方法的可行性。
[0106]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0107]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0108]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
[0109]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一、第二等的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0110]
而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。