[发明专利]改进的级联型光伏并网逆变器功率平衡控制方法

摘要

本发明公开了一种改进的级联H桥光伏并网逆变器功率平衡控制方法，它是为了解决直流侧光伏电池板输入功率不平衡造成系统不能稳定运行问题。该方法包括如下步骤：(1)总直流侧电压控制，用来实现各H桥单元直流侧电压跟踪其最大功率点电压，并得到系统有功电流指令值；(2)网侧电流解耦控制，能够实现有功电流和无功电流的独立控制，同时产生逆变器总调制波电压；(3)调制策略切换控制，根据级联H桥光伏并网逆变器的工作模式进行不同调制策略切换控制。该方法不但能实现级联H桥光伏逆变器在故障工作模式即有一个或多个光伏电池板发生故障且与H桥单元断开下的稳定运行，而且能减小直流侧电压波动，提高系统的发电量。

主权项

1.改进的级联型光伏并网逆变器功率平衡控制方法，所述的级联型光伏并网逆变器包括N个相同的H桥单元，每个H桥单元的直流侧通过开关与一块光伏电池板连接，其特征在于，本控制方法包括总直流侧电压控制、网侧电流解耦控制和调制策略切换控制，主要步骤如下：步骤1，总直流侧电压控制步骤1.1，对N个H桥单元的直流侧电压进行采样并经过100Hz陷波器滤波，得到N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_PVi，i＝1,2,3…N；采样电网电压实际值V_G和并网电流实际值I_S；步骤1.2，对步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi进行最大功率点跟踪控制，得到N个H桥单元的直流侧电压指令值并记为V_PVi^*，i＝1,2,3…N；步骤1.3，通过电压调节器，计算得到逆变器并网有功电流的指令值I_d^*，其计算式为：其中，K_VP为电压调节器比例系数，K_VI为电压调节器积分系数，s为拉普拉斯算子，为N个H桥单元的直流侧电压实际值之和，为N个H桥单元的直流侧电压指令值之和；步骤2，网侧电流解耦控制步骤2.1，将步骤1.1中采样得到的并网电流实际值I_S通过虚拟同步旋转坐标变换转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q；步骤2.2，设逆变器并网无功电流指令值I_q^*为0，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，其计算式分别为：其中，K_iP为电流调节器比例系数，K_iI为电流调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；步骤2.3，将步骤2.2中得到的d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q通过虚拟同步旋转反坐标变换得到自然坐标系下逆变器总调制波电压V_r，其计算式为：V_r＝E_dsinθ+E_qcosθ其中，θ为电网电压的相位；步骤3，调制策略切换控制步骤3.1，将步骤1.1中采样得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi与步骤1.2中相对应的N个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVi^*相比较得到N个直流侧电压误差值并记为ΔV_i，其中，i＝1,2,3…N；步骤3.2，先将步骤3.1中得到的N个H桥单元的直流侧电压误差值ΔV_i按照数值大小进行升序排列，并用电压误差序列号j＝1,2,3…N进行标注，然后根据电压误差序列号j对其对应的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVi重新进行排序，得到N个排序后的直流侧电压实际值并记为V_j，j＝1,2,3…N；步骤3.3，根据步骤3.2中得到的N个排序后的直流侧电压实际值V_j将逆变器总调制波电压V_r分成N个电压区间，判断当前逆变器总调制波电压V_r所处的电压区间K，其中电压区间K定义为步骤3.4，根据逆变器的两种工作模式，确定调制策略，并根据当前逆变器总调制波电压V_r的极性，电网电流I_S的方向及电压区间K确定N个H桥单元的输出模式并记为S_i，i＝1,2,3…N；其中所述两种工作模式分别为正常工作模式和故障工作模式，记Flag为工作模式的标志位；模式一，逆变器处于正常工作模式时，即每个H桥单元连接的光伏电池板均能正常工作时，记为Flag＝0，并选择调制策略1，此时，N个H桥单元的输出模式如下：(1)V_r>0，I_s>0排序后的直流侧电压实际值V_j为V_N–K+2,V_N–K+3…V_N的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S_N–K+2＝S_N–K+3＝…S_N＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_N–K的H桥单元运行于“0”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_N–K＝0，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_N–K+1的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_N‑KV_N‑K)‑(S_N‑K+2V_N‑K+2+S_N‑K+3V_N‑K+3+...+S_NV_N)(2)V_r>0，I_s≤0排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_K–1的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_K–1＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_K+1,V_K+2…V_N的H桥单元运行于“0”电平模式，并记为S_K+1＝S_K+2＝…＝S_N＝0，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_K的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_K‑1V_K‑1)‑(S_K+1V_k+1+S_K+2V_K+2+...+S_NV_N)(3)V_r≤0，I_s>0排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_K–1的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_K–1＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_K+1,V_K+2…V_N的H桥单元运行于“0”电平模式，并记为S_K+1＝S_K+2＝…＝S_N＝0，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_K的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_K‑1V_K‑1)‑(S_K+1V_k+1+S_K+2V_K+2+...+S_NV_N)(4)V_r≤0，I_s≤0排序后的直流侧电压实际值V_j为V_N–K+2,V_N–K+3…V_N的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S_N–K+2＝S_N–K+3＝…S_N＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_N–K的H桥单元运行于“0”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_N–K＝0，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_N–K+1的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_N‑KV_N‑K)‑(S_N‑K+2V_N‑K+2+S_N‑K+3V_N‑K+3+...+S_NV_N)模式二，级联型光伏并网逆变器处于故障工作模式时，即有一个或多个光伏电池板发生故障且与H桥单元断开时，记为Flag＝1，并选择调制策略2，此时，N个H桥单元的输出模式如下：(1)V_r>0，I_s>0，且N–K差值为偶数排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N–K+4)/2,V_(N–K+6)/2…V_N的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S_(N–K+4)/2＝S_(N–K+6)/2＝…S_N＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_(N–K)/2的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_(N–K)/2＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N–K+2)/2的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_(N‑K)/2V_(N‑K)/2)‑(S_(N‑K+4)/2V_(N‑K+4)/2+S_(N‑K+6)/2V_(N‑K+6)/2+...+S_NV_N)(2)V_r>0，I_s>0，且N–K差值为奇数排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N–K+3)/2,V_(N–K+5)/2…V_N的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S_(N–K+3)/2＝S_(N–K+5)/2＝…S_N＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_{(N–K–1)/2}的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_{(N–K–1)/2}＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N–K+1)/2的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_(N+K‑1)/2V_(N+K‑1)/2)‑(S_(N+K+3)/2V_(N+K+3)/2+S_(N+K+5)/2V_(N+K+5)/2+...+S_NV_N)(3)V_r>0，I_s≤0，且N–K差值为偶数排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_(N+K–2)/2的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_(N+K–2)/2＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N+K+2)/2,V_(N+K+4)/2…V_N的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S_(N+K+2)/2＝S_(N+K+4)/2＝…S_N＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N+K)/2的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_(N+K‑2)/2V_(N+K‑2)‑(S_(N+K+2)/2V_(N+K+2)/2+S_(N+K+4)/2V_(N+K+4)/2+...+S_NV_N)(4)V_r>0，I_s≤0，且N–K差值为奇数排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_(N+K–1)/2的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_(N+K–1)/2＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N+K+3)/2,V_(N+K+5)/2…V_N的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S_(N+K+3)/2＝S_(N+K+5)/2＝…S_N＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N+K+1)/2的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_(N+K‑1)/2V_(N+K‑1)/2)‑(S_(N+K+3)/2V_(N+K+3)/2+S_(N+K+5)/2V_(N+K+5)/2+...+S_NV_N)(5)V_r≤0，I_s>0，且N–K差值为偶数时，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N+K+2)/2,V_(N+K+4)/2…V_N的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S_(N+K+2)/2＝S_(N+K+4)/2＝…S_N＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_(N+K–2)/2的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_(N+K–2)/2＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N+K)/2的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_(N+K‑2)/2V_(N+K‑2)‑(S_(N+K+2)/2V_(N+K+2)/2+S_(N+K+4)/2V_(N+K+4)/2+...+S_NV_N)(6)V_r≤0，I_s>0，且N–K差值为奇数排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N+K+3)/2,V_(N+K+5)/2…V_N的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S_(N+K+3)/2＝S_(N+K+5)/2＝…S_N＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_(N+K–1)/2的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_(N+K–1)/2＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N+K+1)/2的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_(N+K‑1)/2V_(N+K‑1)/2)‑(S_(N+K+3)/2V_(N+K+3)/2+S_(N+K+5)/2V_(N+K+5)/2+...+S_NV_N)(7)V_r≤0，I_s≤0，且N–K差值为偶数排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_(N–K)/2的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_(N–K)/2＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N–K+4)/2,V_(N–K+6)/2…V_N的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S_(N–K+4)/2＝S_(N+K+6)/2＝…S_N＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N–K+2)/2的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下：V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_(N‑K)/2V_(N‑K)/2)‑(S_(N‑K+4)/2V_(N‑K+4)/2+S_(N‑K+6)/2V_(N‑K+6)/2+...+S_NV_N)(8)V_r≤0，I_s≤0，且N–K差值为奇数排序后的直流侧电压实际值V_j为V₁,V₂…V_{(N–K–1)/2}的H桥单元运行于“+1”电平模式，并记为S₁＝S₂＝…＝S_{(N–K–1)/2}＝1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N–K+3)/2,V_(N–K+5)/2…V_N的H桥单元运行于“–1”电平模式，并记为S_(N–K+3)/2＝S_(N+K+5)/2＝…S_N＝–1，排序后的直流侧电压实际值V_j为V_(N–K+1)/2的H桥单元运行于PWM模式，PWM输出模式的H桥单元的调制波电压V_PWM计算式如下V_PWM＝V_r‑(S₁V₁+S₂V₂+...S_{(N‑K‑1)/2}V_{(N‑K‑1)/2})‑(S_(N‑K+3)/2V_(N‑K+3)/2+S_(N‑K+5)/2V_(N‑K+5)/2+...+S_NV_N)。