[发明专利]电网电压不平衡条件下级联光伏固态变压器的控制方法

摘要

本发明公开了一种电网电压不平衡条件下级联光伏固态变压器的控制方法，其目的是为了解决系统运行在电网电压不平衡情况下，模块间的有功功率均衡控制。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对三相调制电压补偿所计算的零序电压以实现模块间的功率均衡控制；对两电平全桥LLC变换器的输出电压进行控制；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，无论电网是否平衡，该方法都能保证系统中所有模块传输相同的有功功率，有利于模块化设计。

主权项

1.一种电网电压不平衡条件下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相包含N_A个模块，B相包含N_B个模块，C相包含N_C个模块，A相、B相和C相中的模块结构完全相同，且N_A、N_B和N_C都是大于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、模块间的功率均衡控制、两电平全桥LLC变换器的输出电压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_A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V_HAi，i＝1,2,...,N_A；N_B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V_HBj，j＝1,2,...,N_B；N_C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V_HCk，k＝1,2,...,N_C；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V_Haver，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V_Haver进行控制，可以得到正序有功电流指令值其计算式为：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，V_ref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v_ga，v_gb，v_gc和三相电网电流的采样值i_ga，i_gb，i_gc；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v_ga，v_gb，v_gc进行锁相，得到电网电压的相位角ωt、角频率ω、电网正序相电压的幅值V_p以及电网负序相电压的幅值V_n；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v_ga，v_gb，v_gc转换成旋转坐标系下的电网电压正序有功分量e_dp、电网电压正序无功分量e_qp、电网电压负序有功分量e_dn和电网电压负序无功分量e_qn；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i_ga，i_gb，i_gc转换成旋转坐标系下的电网电流正序有功分量i_dp、电网电流正序无功分量i_qp、电网电流负序有功分量i_dn和电网电流负序无功分量i_qn；电网电压正序有功分量e_dp和电网电压正序无功分量e_qp的计算式为：电网电压负序有功分量e_dn和电网电压负序无功分量e_qn的计算式为：电网电流正序有功分量i_dp和电网电流正序无功分量i_qp的计算式为：电网电流负序有功分量i_dn和电网电流负序无功分量i_qn的计算式为：步骤2.3，设定正序无功电流指令值负序有功电流指令值和负序无功电流指令值都为0，如下式：步骤2.4，分别通过正序有功电流调节器和正序无功电流调节器，计算得到正序有功电流调节器的输出值Δv_dp和正序无功电流调节器的输出值Δv_qp，其计算式分别为：其中，K_iPp为正序电流调节器的比例系数，K_iIp为正序电流调节器的积分系数；步骤2.5，分别通过负序有功电流调节器和负序无功电流调节器，计算得到负序有功电流调节器的输出值Δv_dn和负序无功电流调节器的输出值Δv_qn，其计算式分别为：其中，K_iPn为负序电流调节器的比例系数，K_iIn为负序电流调节器的积分系数；步骤2.6，根据步骤2.2得到的电网电压正序有功分量e_dp、电网电压正序无功分量e_qp、电网电流正序有功分量i_dp、电网电流正序无功分量i_qp、电网电压角频率ω以及步骤2.4中得到的正序有功电流调节器的输出值Δv_dp和正序无功电流调节器的输出值Δv_qp，计算得到正序有功电压幅值v_dp和正序无功电压幅值v_qp，如下式所示：其中，其中L_f为网侧滤波电感；步骤2.7，根据步骤2.2得到的电网电压负序有功分量e_dn、电网电压负序无功分量e_qn、电网电流负序有功分量i_dn、电网电流负序无功分量i_qn、电网电压角频率ω以及步骤2.5中得到的负序有功电流调节器的输出值Δv_dn和负序无功电流调节器的输出值Δv_qn，计算得到负序有功电压幅值v_dn和负序无功电压幅值v_qn，如下式所示：步骤2.8，将步骤2.6得到的正序有功电压幅值v_dp和正序无功电压幅值v_qp经过同步旋转坐标系逆变换得到两相静止坐标系下逆变器的正序电压v_α+和v_β+，计算式为：步骤2.9，将步骤2.7得到的负序有功电压幅值v_dn和负序无功电压幅值v_qn经过同步旋转坐标系逆变换得到两相静止坐标系下逆变器的负序电压v_α‑和v_β‑，计算式为：步骤2.10，将步骤2.8和步骤2.9得到的两相静止坐标系下的v_α+和v_α‑相加，v_β+和v_β‑相加，得到两相静止坐标系下的总电压v_α和v_β，计算式为：步骤2.11，将2.10得到的两相静止坐标系下的总电压v_α和v_β经过坐标变换得到自然三相坐标系下逆变器的三相调制电压v_ca,v_cb,v_cc，计算式为：步骤3，模块间的功率均衡控制步骤3.1，根据A相、B相和C相的模块数目N_A、N_B和N_C，步骤2.2得到电网电压的相位角ωt、电网电流正序有功分量i_dp、电网电流正序无功分量i_qp、电网电流负序有功分量i_dn和电网电流负序无功分量i_qn，步骤2.6得到的正序有功电压幅值v_dp和正序无功电压幅值v_qp、步骤2.7得到的负序有功电压幅值v_dn和负序无功电压幅值v_qn，计算出一个能够平衡模块间有功功率的零序电压v₀，其计算式为：v₀＝m₁cos(ωt)‑m₂sin(ωt)其中，中间变量m₁、m₂的计算式如下为：步骤3.2，根据步骤2.11计算得到的三相调制电压v_ca，v_cb和v_cc以及步骤3.1计算得到的零序电压v₀，可以计算出补偿零序电压后的三相调制电压和其计算式为：步骤3.3，将步骤3.2计算得到的补偿零序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_A、N_B和N_C，可以得到A相模块的调制电压v_aH，B相模块的调制电压v_bH和C相模块的调制电压v_cH，其计算式为：步骤3.4，计算出A相、B相和C相所有H桥变换器的调制波；记A相中任一个H桥变换器的调制波为m_ai、B相任一个H桥变换器的调制波为m_bj，C相任一个H桥变换器的调制波为m_ck，i＝1,2,...,N_A，j＝1,2,...,N_B，k＝1,2,...,N_C，则m_ai、m_bj和m_ck的计算式如下：步骤4，两电平全桥LLC变换器的输出电压控制步骤4.1，对公共直流母线电压进行采样，得到公共直流母线电压的采样值V_dcT；步骤4.2，对步骤1.1中得到的A相直流侧电容电压V_HAi、B相直流侧电容电压V_HBj和C相直流侧电容电压V_HCk，分别使用100Hz陷波器进行滤波，得到A相直流侧电容电压的滤波电压B相直流侧电容电压的滤波电压和C相直流侧电容电压的滤波电压i＝1,2,...,N_A，j＝1,2,...,N_B，k＝1,2,...,N_C；步骤4.,3，使用相同的LLC电压控制器对步骤4.2得到的A相直流侧电容电压的滤波电压B相直流侧电容电压的滤波电压和C相直流侧电容电压的滤波电压进行控制，得到A相两电平全桥LLC变换器的开关频率f_DAi、B相两电平全桥LLC变换器的开关频率f_DBj和C相两电平全桥LLC变换器的开关频率f_DCk，其计算式分别如下：式中，N_T是两电平全桥LLC变换器中高频变压器的原边与副边的匝比，K_DP为LLC电压控制器的比例系数，K_DI为LLC电压控制器的积分系数；步骤5，光伏阵列的最大功率点追踪控制步骤5.1，分别对M个两电平Boost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，得到如下数据：M个两电平Boost变换器输入母线电容电压的采样值，将其中任一个记为输入母线电容电压V_PVx；M个光伏阵列的输出电流的采样值，将其中任一个记为光伏阵列输出电流I_PVx，x＝1,2,...,M；步骤5.2，根据步骤5.1得到的输入母线电容电压采样值V_PVx和光伏阵列输出电流I_PVx，分别对M个两电平Boost变换器所连接的光伏阵列进行最大功率点追踪，得到M个两电平Boost变换器所连的光伏阵列的最大功率点电压，将其中任一个记为光伏阵列最大功率点电压然后把光伏阵列最大功率点电压作为两电平Boost变换器输入母线电容电压的指令值；步骤5.3，使用M个相同的Boost电压控制器对M个两电平Boost变换器输入母线电容电压的指令值进行控制，得到M个两电平Boost变换器的占空比，记M个两电平Boost变换器中的任一个两电平Boost变换器的占空比为占空比d_x，x＝1,2,...,M，其计算式为：其中，K_BP为两电平Boost电压控制器的比例系数，K_BI为两电平Boost电压控制器的积分系数。