本发明公开了一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法,每块光伏电池配以独立的准-Z源逆变器作为一个发电模块,若干个这样的模块串联构成准-Z源级联多电平单相光伏发电系统,集合了准-Z源逆变器和级联多电平逆变器的众多优势,针对该系统,发明了改进型载波移相SPWM调制方法,分布式MPPT控制,各直流母线电压控制,及并网功率控制。应用本发明的控制方法,可有效运行准-Z源级联多电平单相光伏发电系统,最大限度地收集太阳能,实现多电平输出电压和升压控制。即使光伏电池电压宽范围变化,各模块直流母线峰值电压均恒定,确保了逆变器容量最小。为此,实现低费用、高效率和高可靠性的光伏发电。
1.一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法,所述并网发电系统由2个以上准-Z源光伏发电模块级联组成;所述的每一个准-Z源光伏发电模块包括:四只IGBT,二极管D,第一电解电容、第二电解电容,第一电感、第二电感,光伏电池;其中,所述四只IGBT连接为一个H桥逆变器,所述第二电解电容跨接于二极管D的阳极和H桥逆变器正极间,且所述第二电解电容的正极与H桥逆变器正极相连;二极管D的阴极与所述第一电解电容的正极、所述第二电感相连;所述第二电感的另一端连接于H桥逆变器正极;第一电解电容的负极与H桥逆变器负极相连;第一电感的一端与光伏电池相连,另一端与第二电解电容的负极相连;所述第一个准-Z源光伏发电模块的H桥逆变器左桥臂中间通过滤波电感连接到电网一端,电网的另一端连接到H桥逆变器右桥臂中间;其特征在于,包括:改进型载波移相SPWM调制步骤、分布式MPPT控制和各直流母线电压控制步骤及并网功率控制步骤。
2.如权利要求1所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法,其特征在于,所述的改进型载波移相SPWM调制步骤,包括:以第j个模块为例子,将第j个模块H桥的左、右桥臂看作两个功率单元,左桥臂的三角载波为S_1,j,右桥臂的三角载波为S_2,j,S_1,j与S_2,j之间的移相角为180°,该H桥的左、右桥臂采用同一个正弦波m_j进行调制;假设单元j的准-Z源H桥逆变器在工作过程中的直通量为D_j,那么,在调制过程中需要增加一对正负直通量参考值,分别为1-D_j和D_j-1,当三角载波大于1-D_j或小于D_j-1时,对应桥臂的上、下开关管同时开通,此时该H桥处于直通状态,该直通状态被加到传统零矢量区间内,在直通区间内,H桥输出电压仍为0,不会改变H桥的输出电平,因此,准-Z源H桥单元j的输出电压为3电平,n个模块级联,相邻模块间的载波相移为π/n,总的输出相电压为(2n+1)电平。
3.如权利要求1所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法,其特征在于,所述的分布式MPPT控制和各直流母线电压控制,包括:每个准-Z源光伏发电模块的MPPT控制,以及每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制。
4.如权利要求3所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法,其特征在于,所述的每个准-Z源光伏发电模块MPPT控制,包括:对每个准-Z源光伏发电模块,采用扰动观察法MPPT算法,调节该模块的直通占空比D_j,跟踪其光伏电池的最大功率点;各模块光伏电池的MPPT控制相互解耦,即使它们的工作点不同,也不会产生相互影响。
5.如权利要求3所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法,其特征在于,所述的每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制,包括:对于每个准-Z源光伏发电模块,用电压传感器采集准-Z源网络中的第一电容电压v_C1和第二电容电压v_C2,二者相加,得到直流母线电压峰值ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="142"/>将ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="96"/>与设定的参考值ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="120"/>作比较,得到误差e_j,经过PI调节器后,输出该模块的功率参考值P^*_j,为了各模块电压平衡,设定ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="117"/>为同一数值,但是各模块输出的P^*_j会有差异,与各模块光伏电池最大功率点时的光伏功率相关,P^*_j为每个模块并网功率参考值,其将被输入到并网功率控制器中,参与总的并网功率控制。
6.如权利要求2所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法,其特征在于,所述的并网功率控制,包括:并网功率等于各个模块光伏电池功率的总和,所以,总的并网功率参考值为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="330"/>由于各模块的级联结构,每个模块注入电网的电流相同,电网电流的峰值为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="323"/>式中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="132"/>为电网相电压峰值;实时检测电网的电压,采用锁相环技术,得到电网电压的相位,应用电网电压相位和电网电流峰值,经过三角函数,得到并网电流的期望值i^*_grid,将并网电流实际值i_grid与i^*_grid作比较,经过PI调节器,得到该准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的期望电压v_total,该电压信号将用于产生级联系统中每个模块的调制度m_j,j=1,2,...,n,由于每个模块提供的并网功率不同,定义各模块所提供功率的比例系数为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="243"/>j=1,2,....,n,由于所有模块电流相同,各模块功率将与其输出电压成正比,则每个级联H桥模块的调制度m_j为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="351"/>技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域,尤其涉及一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统及控制方法。
背景技术
光伏发电清洁环保、储量丰富、安全可靠,是最具前景的新能源之一。应用于光伏发电系统中的功率变换器拓扑结构,主要体现为单级或两级、两电平或多电平的特点。其中,级联式多电平逆变器具有诸多优点,主要体现在可实现下列目标:1)无变压器;2)输出电压谐波小;3)减小或省略输出端的滤波器;4)分布式最大功率跟踪(MPPT);5)易于模块化。因而,将级联式多电平逆变器应用于光伏发电系统日益成为研究的热点。然而,由于光伏电池电压的宽范围变化,传统级联多电平逆变系统在光伏应用中存在以下问题:首先,系统的不同模块间存在直流母线电压不平衡的问题;其次,系统在设计时需要倍增逆变器的容量。如果在每个模块引入DC/DC变换器,可控制直流母线电压平衡,并最小化逆变器容量,但是将导致系统的费用增加、效率降低。Z-源和准Z-源逆变器以单级功率变换的形式,实现升/降压和逆变的功能,可以适应光伏电池电压的宽范围变化。应用其设计光伏逆变器时,不但可以实现最小化逆变器容量,而且费用、效率和可靠性都将得到改善。论文[LIUxa0Liming,LIxa0Hui,ZHAOxa0Yi,etxa0al.1xa0MHzxa0cascadedxa0Z-Sourcexa0invertersxa0forxa0scalablexa0grid-interactivexa0photovoltaicxa0applicationsxa0usingxa0GaNxa0device[C]//Proceedingsxa0ofxa0IEEExa0Energyxa0Conversionxa0Congressxa0andxa0Exposition,Sept.17-22,2011,Phoenix,USA:2738-2745.]将Z-源逆变器和级联H桥结合,采用新的GaN器件,构成了1MHz开关频率的光伏逆变器。论文分析了系统效率以及参数设计方法,但是没有提及控制方法。专利2010l02348660公开了一种储能型级联多电平光伏并网发电控制系统,可实现分布式最大功率跟踪,最大限度地收集太阳能,效率高,避免了光伏电池串联时局部阴影导致的功率损失和热斑问题;具有多电平逆变的优点,输出电压谐波低,且适合高压大功率、无变压器并网。但是,该发明没有公开具体的控制细节,比如,如何进行脉宽调制,以对所有准Z-源逆变器模块进行独立控制,如何实现各模块的分布式最大功率跟踪,如何保持各模块直流母线电压平衡控制等等。
发明内容
为了解决以上问题,本发明公开了一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法,所述并网发电系统由2个以上准-Z源光伏发电模块级联组成;所述的每一个准-Z源光伏发电模块包括:四只IGBT,二极管D,第一电解电容、第二电解电容,第一电感、第二电感,光伏电池;其中,所述四只IGBT连接为一个H桥逆变器,所述第二电解电容跨接于二极管D的阳极和H桥逆变器正极间,且所述第二电解电容的正极与H桥逆变器正极相连;二极管D的阴极与所述第一电解电容的正极、所述第二电感相连;所述第二电感的另一端连接于H桥逆变器正极;第一电解电容的负极与H桥逆变器负极相连;第一电感的一端与光伏电池相连,另一端与第二电解电容的负极相连;所述第一个准-Z源光伏发电模块的H桥逆变器左臂中间通过滤波电感连接到电网一端,电网的另一端连接到H桥逆变器右桥臂中间。一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法,包括:改进型载波移相SPWM调制步骤、分布式MPPT控制和各直流母线电压控制步骤及并网功率控制步骤。进一步,作为一种优选,所述的改进型载波移相SPWM调制步骤,包括:以第j个模块为例子,将第j个模块H桥的左、右桥臂看作两个功率单元,左桥臂的三角载波为S_1,j,右桥臂的三角载波为S_2,j,S_1,j与S_2,j之间的移相角为180°,该H桥的左、右桥臂采用同一个正弦波m_j进行调制;假设单元j的准-Z源H桥逆变器在工作过程中的直通量为D_j,那么,在调制过程中需要增加一对正负直通量参考值,分别为1-D_j和D_j-1,当三角载波大于1-D_j或小于D_j-1时,对应桥臂的上、下开关管同时开通,此时该H桥处于直通状态,该直通状态被加到传统零矢量区间内,在直通区间内,H桥输出电压仍为0,不会改变H桥的输出电平,因此,准-Z源H桥单元j的输出电压为3电平,n个模块级联,相邻模块间的载波相移为π/n,总的输出相电压为(2n+1)电平。进一步,作为一种优选,所述的分布式MPPT控制和各直流母线电压控制,包括:每个准-Z源光伏发电模块的MPPT控制,以及每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制。进一步,作为一种优选,所述的每个准-Z源光伏发电模块MPPT控制,包括:对每个准-Z源光伏发电模块,采用扰动观察法MPPT算法,调节该模块的直通占空比D_j,跟踪其光伏电池的最大功率点;各模块光伏电池的MPPT控制相互解耦,即使它们的工作点不同,也不会产生相互影响。进一步,作为一种优选,所述的每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制,包括:对于每个准-Z源光伏发电模块,用电压传感器采集准-Z源网络中的第一电容电压v_C1和第二电容电压v_C2,二者相加,得到直流母线电压峰值ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="141"/>将ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="96"/>与设定的参考值ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="120"/>作比较,得到误差e_j,经过PI调节器后,输出该模块的功率参考值P^*_j,为了各模块电压平衡,设定ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="117"/>为同一数值,但是各模块输出的P^*_j会有差异,与各模块光伏电池最大功率点时的光伏功率相关,P^*_j为每个模块并网功率参考值,其将被输入到并网功率控制器中,参与总的并网功率控制。进一步,作为一种优选,所述的并网功率控制,包括:并网功率等于各个模块光伏电池功率的总和,所以,总的并网功率参考值为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="325"/>由于各模块的级联结构,每个模块注入电网的电流相同,电网电流的峰值为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="324"/>式中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="157"/>为电网相电压有效值;实时检测电网的电压,采用锁相环技术,得到电网电压的相位,应用电网电压相位和电网电流峰值,经过三角函数,得到并网电流的期望值i^*_grid,将并网电流实际值i_grid与i^*_grid作比较,经过PI调节器,得到该准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的期望电压v_total,该电压信号将用于产生级联系统中每个模块的调制度m_j,j=1,2,...,n,由于每个模块提供的并网功率不同,定义各模块所提供功率的比例系数为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="244"/>j=1,2,...,n,由于所有模块电流相同,各模块功率将和其电压成正比,则每个级联H桥模块的调制度m_j为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="351"/>可见,应用本发明的控制方法,实现了对准-Z源级联多电平单相光伏发电系统的有效控制:1)改进的载波移相SPWM调制方法实现了多电平调制和准-Z源电路的升压控制;2)实现了分布式MPPT算法,实现了各个光伏电池最大功率点的分别跟踪,必将改进系统整体效率;3)实现了各级联模块直流母线电压峰值的平衡控制,解决了传统级联系统中直流母线电压不平衡的问题;4)实现了并网功率控制,根据各模块功率,调节调制指数,确保各模块光伏电池将其最大功率输送电网。即使光伏电池电压宽范围变化,各模块直流母线电压均恒定,确保了逆变器容量最小。
附图说明
当结合附图考虑时,通过参照下面的详细描述,能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点,但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定,其中:图1为本发明准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的结构示意图;图2为本发明控制流程图;图3为本发明改进型载波移相SPWM调制方法原理图;图4为本发明的每个模块MPPT控制和直流母线电压控制框图;图5为本发明的并网功率控制框图;图6为本发明实施例仿真系统的三个模块光伏电池电压、电流以及输出功率波形结果;图7为本发明实施例仿真系统的电容电压波形结果;图8为本发明实施例仿真系统的电感电流波形结果;图9为本发明实施例仿真系统的模块直流母线电压波形结果;图10为本发明实施例仿真系统的电网电压、电流及逆变器输出多电平电压波形结果;图11为本发明实施例仿真系统的模块调制信号波形结果。
具体实施方式
以下参照图1-11对本发明的实施例进行说明。为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。如图1所示,本发明所涉及的准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法,所述并网发电系统由3个准-Z源光伏发电模块级联组成,其H桥逆变器5左桥臂中间端经过滤波电感L_f连接到电网,电网另一端连到H桥逆变器7右桥臂中间;每个准-Z源光伏发电模块均相同,所述的每一个准-Z源光伏发电模块包括:四只IGBT,二极管D_j(j=1,2,3),第一电解电容C_j1、第二电解电容C_j2,第一电感L_j1、第二电感L_j2,光伏电池j,j=1,2,3;其中,所述四只IGBT连接为一个H桥逆变器,所述第二电解电容C_j2跨接于二极管D_j的阳极和H桥逆变器正极间,且所述第二电解电容C_j2的正极与H桥逆变器正极相连;二极管D_j的阴极与所述第一电解电容C_j1的正极、所述第二电感L_j2相连;所述第二电感L_j2的另一端连接于H桥逆变器正极;第一电解电容C_j1的负极与H桥逆变器负极相连;第一电感L_j1的一端与光伏电池模块j相连,另一端与第二电解电容C_j2的负极相连。如图2所示,本发明的准-Z源级联多电平单相光伏发电系统的控制方法,包括:S1、改进型载波移相SPWM调制方法;S2、分布式MPPT控制和各直流母线电压控制;S3、并网功率控制。如图3所示,所述的改进型载波移相SPWM调制方法为:将每个模块H桥的左、右桥臂看作两个功率单元,左桥臂的三角载波为S1(或S3或S5),右桥臂的三角载波为S2(或S4或S6),S1与S2之间(或S3与S4之间,或S5与S6之间)的移相角为180°,H桥的左、右桥臂采用同一个正弦波m₁(或m₂或m₃)进行调制。假设单元1的准-Z源H桥逆变器在工作过程中的直通量为D₁,那么,在调制过程中需要增加一对正负直通量参考值,分别为1-D₁和D₁-1。当三角载波大于1-D₁或小于D₁-1时,对应桥臂的上、下开关管同时开通,此时H桥处于直通状态。该直通状态被加到传统零矢量区间内,在直通区间内,H桥输出电压仍为0,不会改变H桥的输出电平。因此,准-Z源H桥单元1的输出电压为v_a1,为3电平。级联3级后,三个H桥单元之间的载波相移为π/3=60°,总的输出电压为图3中的v_H,输出为7电平。控制方法,包括:每个准-Z源光伏发电模块的MPPT控制,以及每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制;图4所示为每个模块光伏电池的MPPT控制以及直流母线电压的平衡控制。首先,采用扰动观察法跟踪各光伏电池的最大功率点,确定光伏电池在最大功率点的电压v^*_pvj(j=1,2,3),其次,通过调节直通占空比D_j(j=1,2,3),使光伏电池端电压v_pvj跟踪其期望值v^*_pvj,实现各光伏电池的MPPT控制。可以看出,各模块光伏电池的控制相互解耦,即使每个光伏电池的工作点不同,也不会产生相互影响。如图4所示,用电压传感器采集准-Z源网络中的电容电压v_C1和v_C2,将二者相加,得到直流母线电压峰值ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="95"/>与其设定的参考值ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="83"/>作比较,经PI调节器控制后,输出功率参考值P^*_j。对于图1所示实施例,有三个直流母线电压,为保证系统运行中各直流母线电压平衡,将每个模块的直流母线电压峰值设定为同一数值。尽管如此,但是各模块输出的P^*_j(j=1,2,3)会有差异,它与各模块光伏电池在最大功率点处的功率大小相关。P^*_j为第j个模块(j=1,2,3)并网功率参考值,将其输入到并网功率控制器中,参与总的并网功率控制。并网功率的控制策略如图5所示,具体如下:并网功率等于各个模块光伏电池的功率总和,所以,总的并网功率参考值为 P total * = Σ j = 1 3 P j * ]]> 由于图1所示实施例中各模块串联,每个模块注入电网的电流相同,电网电流的峰值为 i ^ grid * = 2 P * total v ^ grid ]]> 如图5所示,实时检测电网的电压,采用锁相环计算,得到电网电压的相位。应用电网电压相位和电网电流峰值,经过三角函数,得到并网电流的期望值i^*_grid。将并网电流实际值i_grid与i^*_grid作比较,经过PI调节器,得到该准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的期望电压v_total。该电压信号将用于产生级联系统中每个模块的调制度m_j(j=1,2,3)。由于每个模块提供的并网功率不同,定义各模块所提供功率的比例系数为 a j = P j * P total * , ]]>(j=1,2,3)由于所有模块电流相同,各模块功率将和其电压成正比,则每个级联H桥模块的调制度m_j(j=1,2,3)为 m j = a j v total v ^ PNj ]]> 综合各模块的m_j和D_j(j=1,2,3),应用图3所示改进型载波移相SPWM调制方法,得到3个模块的开关管控制信号,控制光伏逆变器并网发电。为了验证本发明的准-Z源级联多电平单相光伏发电系统及其控制方法,在MATLAB/SIMUlink环境下搭建了图1所示电路模型和图4、图5控制模型,其中图3所示改进型载波移相SPWM调制方法被应用。实施例所示系统的额定功率为1.5kW,电路参数为:L₁=L₂=3mH,C₁=C₂=2mF,滤波电感L_f=1mH,载波频率f_s=2kHz。仿真中,设定三个直流母线电压峰值的期望值均为145V,并网电压有效值为220V,频率为50Hz。因为光伏电池电压随着温度的改变会有较大的变化,为了验证系统在该工况下控制策略的性能,设定每个模块中光伏电池的光照条件相同S=1000W/m²,温度条件T不同:光伏电池模块1:T=15°C;光伏电池模块2:T=35°C;光伏电池模块3:T=55°C。仿真结果如图6-图11所示。其中,图6为三个光伏电池模块的电压、电流以及输出功率。可以看出,经过分布式MPPT控制,三个模块的光伏电池均运行于各自的最大功率点,输出电压和功率分别为光伏电池模块1:71.5V/545W;光伏电池模块2:66V/500W;光伏电池模块3:60.5V/455W,3个光伏电池模块的功率相加,得到供给电网的总功率为1500W。图7和图8分别为准-Z源网络的电容电压和电感电流,它们的关系符合准-Z源逆变器的基本工作原理。图9为准-Z源级联多电平单相光伏发电系统中的三个直流母线电压波形,可以看出,在光伏电池输出电压差异较大的工况下,使用图4的控制策略,可以确保每个模块直流母线电压的峰值稳定在145V,与设定的期望值相符。图10为准-Z源级联多电平单相光伏发电系统的并网电压、并网电流、以及逆变器总的输出电压。可以看出,并网电流与并网电压的相位一致,系统保持整功率因数运行;7电平的输出电压验证了图3所示的改进型载波移相SPWM调制方法。图11为准-Z源级联多电平单相光伏发电系统中三个级联模块的调制度,其幅值的大小与各模块供给总系统的功率值相关。如上所述,对本发明的实施例进行了详细地说明,但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形,这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此,这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。