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CN102916438A - 基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法 - Google Patents

基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法 Download PDF

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CN102916438A CN201210243682XA CN201210243682A CN102916438A CN 102916438 A CN102916438 A CN 102916438A CN 201210243682X A CN201210243682X A CN 201210243682XA CN 201210243682 A CN201210243682 A CN 201210243682A CN 102916438 A CN102916438 A CN 102916438A
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grid
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屈克庆
潘雪涛
邢月红
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Shanghai University of Electric Power
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Shanghai University of Electric Power
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Abstract

本发明涉及一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法，光伏电池阵列依次经过直流升压斩波电路和三电平逆变电路给电网供电；直流升压斩波电路控制单元采集光伏电池阵列输出直流电压和电流值，直流升压斩波电路控制单元计算数据输出调节信号到直流升压斩波电路中开关元件控制端；三电平逆变电路控制单元采集三电平逆变电路输出电流后，先后经过并网控制单元和电压空间矢量脉宽调制单元后，输出调制脉冲到中点电压箝位型三电平逆变电路，实现单位功率因数并网运行。系统对逆变器输出电流进行闭环控制，实现了电流有功分量和无功分量的解耦控制。所设计的控制方法简便，系统逆变器输出并网电流具有良好的正弦性，谐波分量小，功率因数高。

Description

基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法
技术领域
本发明涉及一种光伏发电技术，特别涉及一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法。
背景技术
光伏发电使用范围广阔，是新能源发电中最具前景之一。太阳能电池发出电能会随着日照强度和温度等外部环境变化而波动，必须经过电力电子装置将其转换为稳定的电能才能加以利用。
电力电子装置中最基本是逆变器环节,可将直流电变换为交流电。光伏发电使用两电平逆变器居多，而三电平逆变器三电平逆变器具有电压等级高、谐波含量少的优势，主要应用在高压大功率的场合。随着功率开关器件三电平低压模块的出现，在光伏发电系统中采用三电平逆变器器将能提高发电质量以及转换效率。
三电平逆变器电路主要有三类拓扑结构：二极管箝位式逆变器、电容箝位式和具有独立直流电源的单元逆变桥级联式逆变器。三电平逆变器的控制方法主要有电压空间矢量调制（SVPWM）、阶梯波调制、特定谐波消去法、载波相移脉宽调制等。其中，电压空间矢量脉宽调制算法具有调制比大、能优化输出波形、易于数字实现、母线电压利用率高等优点，成为主要研究方向。
太阳能电池板受到日照强度和温度等因素的影响，输出功率具有不稳定性和间歇性。需要采用合理的控制方式进行有效的功率跟踪。
发明内容
本发明是针对光伏发电中使用三电平逆变器电路比现有两电平逆变器电路效率高的问题，提出了一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法，最大限度的利用太阳能，提高发电效率。
本发明的技术方案为：一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统，包括光伏电池阵列，直流升压斩波电路，中点电压箝位型的三电平逆变电路和控制系统，控制系统包括直流升压斩波电路控制单元和三电平逆变电路控制单元，光伏电池阵列依次经过直流升压斩波电路和三电平逆变电路给电网供电；直流升压斩波电路控制单元采集光伏电池阵列输出直流电压和电流值，直流升压斩波电路控制单元计算数据输出调节信号到直流升压斩波电路中开关元件控制端；三电平逆变电路控制单元采集三电平逆变电路输出电流后，先后经过并网控制单元和电压空间矢量脉宽调制单元后，输出调制脉冲到中点电压箝位型三电平逆变电路，实现单位功率因数并网运行。
一种基于三电平逆变器的光伏发电控制控制方法，包括基于三电平逆变器的光伏发电控制系统，具体包括如下步骤：
1）、直流升压斩波电路控制单元采集采用电导增量法控制直流升压斩波电路：采集光伏电池阵列输出电压U(k)和电流值I(k),dU(k)= U(k)- U(k-1), dI(k)= I(k)- I(k-1),当                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
时，电压
Figure 963086DEST_PATH_IMAGE004
增加
Figure 195746DEST_PATH_IMAGE006
；当
Figure 251427DEST_PATH_IMAGE008
时，电压减小
Figure 805085DEST_PATH_IMAGE012
；当
Figure 390787DEST_PATH_IMAGE014
时，到达最大功率点的电压
Figure 404921DEST_PATH_IMAGE016
，实现功率最大稳定的直流电压输出；
2）、步骤1）得到的直流电输出到中点电压箝位型三电平逆变电路，三电平逆变电路中三组并联的开关元件的中点作为三相电输出到电网；
3）设电网电压合成矢量为E，定义d轴与
Figure 708863DEST_PATH_IMAGE018
同相，q轴与d轴垂直，且超前d轴90°，则d轴方向上的电流分量
Figure 983987DEST_PATH_IMAGE020
为有功分量，q轴方向的电流分量
Figure 689775DEST_PATH_IMAGE022
为无功分量，采用锁相环跟踪电网电压的瞬间相角
Figure 24941DEST_PATH_IMAGE024
作为坐标转换角度，三电平逆变电路输出经过dq轴坐标转换得到d轴和q轴电流，d轴和q轴电流分别与并网给定的基准电流
Figure 816180DEST_PATH_IMAGE026
和进行PI调节，得到的结果再经过dq轴坐标逆转换输出三相对称电流波形，实现并网的有功无功解耦控制后，经过电压空间矢量脉宽调制运算产生调制脉冲，调制脉冲输出到三电平逆变电路开关元件控制端，实现单位功率因数并网运行。
所述电压空间矢量脉宽调制运算是采用六扇区划分方法，确立参考电压矢量的位置，计算三个合成矢量的作用时间，给出以正小矢量首发的矢量作用顺序。
本发明的有益效果在于：本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法，给出一种基于空间矢量脉宽调制的三相光伏发电并网逆变器的控制策略。在电网侧，对逆变器输出电流进行闭环控制，实现了电流有功分量和无功分量的解耦控制。通过仿真分析可以看出所设计的控制方法简便，系统逆变器输出并网电流具有良好的正弦性，谐波分量小，功率因数高。
附图说明
图1为本发明基于三电平逆变器的并网型光伏发电系统结构图；
图2为PV电池的P-U特性图；
图3为本发明电导增量法流程图图；
图4为本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制系统三电平逆变器空间矢量图；
图5为本发明扇区内部的矢量合成图；
图6为本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制系统控制框图；
图7为本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制三相电网电压和三相并网电流仿真波形图；
图8为本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制三相并网电流突变时的仿真波形。
具体实施方式
图1示出并网型光伏发电系统结构。该系统主要包括光伏电池阵列（PV），直流升压斩波电路，中点电压箝位型三电平逆变电路和控制电路。控制系统主要包括了两个部分：直流升压斩波电路控制单元和三电平逆变电路控制单元。
一、直流升压斩波电路控制单元是由直流电压和直流环构成，采用电导增量法调节开关元件的占空比，实现功率最大跟踪和保持直流电压稳定；
最大功率跟踪控制方法（MPPT）: 光伏电池阵列利用半导体材料的光伏效应制成，通过吸收收太阳光能产生电动势，输出直流电流。光伏电池的P-U特性曲线如图2所示。
由图2 PV电池的P-U特性曲线可以看出，当PV电池的工作电压小于
Figure 956753DEST_PATH_IMAGE030
时，输出功率小于最大功率，且电压增大，输出功率也增大；当PV电池的工作电压大于
Figure 741355DEST_PATH_IMAGE030
时，输出功率小于最大功率，且电压继续增大，输出功率却减小。
本发明采用电导增量法。该算法的基本原理是在功率最大点处特性曲线的功率为0。
由
Figure 38662DEST_PATH_IMAGE034
，对U求导得：
Figure 43527DEST_PATH_IMAGE036
，  即  
Figure 481461DEST_PATH_IMAGE038
  ，
当时，电压
Figure 935500DEST_PATH_IMAGE004
增加
Figure 111266DEST_PATH_IMAGE006
；当
Figure 36497DEST_PATH_IMAGE008
时，电压
Figure 323122DEST_PATH_IMAGE010
减小
Figure 384619DEST_PATH_IMAGE012
；当
Figure 731287DEST_PATH_IMAGE014
时，到达最大功率点的电压
Figure 143813DEST_PATH_IMAGE016
。图3为电导增量法流程图。
二、三电平逆变电路控制单元包括电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法和并网有功无功的解耦控制方法。电压空间矢量脉宽调制脉冲的产生是采用一种六扇区划分方法，确立参考电压矢量的位置，计算三个合成矢量的作用时间，给出以正小矢量首发的矢量作用顺序。并网有功无功的解耦控制是由交流电压外环和电流内环组成，采用双闭环功率解耦控制能够实现有功和无功的解耦控制，实现功率因数为1。
电压空间矢量脉宽调制方法：电压空间矢量脉宽调制脉冲的产生是采用一种六扇区划分方法，确立参考电压矢量的位置，计算三个合成矢量的作用时间，给出以正小矢量首发的矢量作用顺序。
基本空间矢量：
空间矢量调制法（SVPWM）是从电动机的角度出发，实现目标是最终获得幅值恒定的圆形磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关状态所产生的实际磁通去逼近基准磁通，由比较结果控制逆变器的开关状态，形成符合目标模式的脉冲信号。
设三相正弦电压瞬时值分别为：
Figure 735594DEST_PATH_IMAGE040
      （1）
将上述
Figure 917177DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 169166DEST_PATH_IMAGE044
、三相静止坐标转换为
Figure 697417DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE050
两相静止坐标系：
 
Figure DEST_PATH_IMAGE052
    （2）
对应的空间矢量为：
 
Figure DEST_PATH_IMAGE054
    （3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为定子瞬时空间矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为三相输出电压。通常将上述电压取为参考电压
Figure DEST_PATH_IMAGE064
，经逆变器开关管的开通与关断后，各相输出电压分别为，0和。因为逆变器有三个桥臂，所以共有27种基本矢量，如图4所示。
空间矢量用P、O、N三个字母表示，分别代表A、B、C三相开关管的开断状态，其中P代表正，O代表0，N代表负。图4中，空间矢量分为三种：大矢量6个，中矢量6个，小矢量12个和3个零矢量。
基本矢量时间的计算：
图4矢量六边形可以划分为6个扇区Ⅰ～Ⅵ，每个扇区如图5所示。图5中又划分为6个小区域。根据一定的数学模型，判断参考矢量所在区域，由NTV（Nearest Triangle Vectors）法则选择合成基本矢量。合成矢量确定后，根据伏秒原理计算相应矢量的作用。
例如图5中
Figure DEST_PATH_IMAGE070
位于第5小区，由最近的三个矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure DEST_PATH_IMAGE074
和
Figure DEST_PATH_IMAGE076
组成，根据伏秒原理得：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
      （4）
且有
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，代入上式，实部和虚部分别对应相等，得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE088
     （5）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为调制深度。同理，可以得出参考矢量落在其余小区中三个合成矢量的作用时间。
网侧逆变器控制策略：并网有功无功的解耦控制是由交流电压外环和电流内环组成，采用双闭环功率解耦控制能够实现有功和无功的解耦控制，实现功率因数为1。
1、网侧逆变器数学模型：图1中，设三相电网电压为：
Figure DEST_PATH_IMAGE092
     （6）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
为相电压峰值。忽略电网电阻， L n 是电感量，那可得：
，
Figure DEST_PATH_IMAGE098
  （7）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
分别为并网逆变器输出电流和输出电压。
两相静止，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
坐标系下：
 （8）
又有：
Figure DEST_PATH_IMAGE110
    （9）
根据上式得：
    （10）
整理得：
        （11）
由公式（11）可以看出d,q轴仍然存在电流耦合现象，这对系统的稳定性及动态特征是不利的。为了实现d,q轴电流分量的独立控制，需要对d,q进行耦合分解，从而实现有功功率和无功功率的解耦控制。
2、网侧逆变器控制策略：
设电网电压合成矢量为，定义d轴与
Figure 743958DEST_PATH_IMAGE018
同相，q轴与d轴垂直，且超前d轴90°。则d轴方向上的电流分量
Figure 166849DEST_PATH_IMAGE020
为有功分量，q轴方向的电流分量
Figure 553968DEST_PATH_IMAGE022
为无功分量。在以上数学模型的基础上，采用锁相环（PLL）技术跟踪电网电压瞬时相角，建立d,q轴分解的双闭环有功无功解耦控制。则：
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，
Figure DEST_PATH_IMAGE120
       （12）
将公式（12）代入公式（11）整理得：
          （13）
由公式（13）看出dq存在耦合电流，解耦的实质就是在各轴电流PI输出中注入含有其他轴信息的分量，注入的分量与被控对象产生的耦合量大小相等、方向相反，L n在图中是代表逆变器和电网之间的电感。
设
Figure DEST_PATH_IMAGE124
，
Figure DEST_PATH_IMAGE126
分别为d轴q轴电流调节器的输出。采用PI调节器，
Figure DEST_PATH_IMAGE128
，
Figure DEST_PATH_IMAGE130
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE132
       （14）
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE134
，
Figure DEST_PATH_IMAGE136
分别为电流调节器PI的比例积分系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE138
，
Figure DEST_PATH_IMAGE140
为d轴，q轴电流指令。
系统中采用无功电流
Figure DEST_PATH_IMAGE142
控制。图6是电流解耦控制原理框图。采用三相电网电压进行锁相，得到电网电压合成矢量空间位置角
Figure 422305DEST_PATH_IMAGE024
作为控制策略中的坐标变换角度。输入三相逆变器输出电流，通过dq坐标变换得到d轴和q轴电流，与并网给定的基准电流，
Figure 673737DEST_PATH_IMAGE028
进行PI调节，得到的结果在经过
Figure DEST_PATH_IMAGE144
转换输出三相对称电流波形，通过SVPWM运算产生调制脉冲，控制逆变器输出，实现单位功率因数并网运行。
为了验证上述控制策略的正确性，在Matlab/simulink环境下搭建系统模型，并对该模型进行了仿真分析。仿真参数为：电网等效电感为20mH，开关频率为25kHz，直流电压为600V。图7是三相电网电压和稳定时三相并网电流。图8当电网电流改变时，并网电流的变化情况。从仿真结果可以看出，该控制策略能够随时跟踪电网电流的变化，并能及时调整逆变器输出的并网电流，实现了单位功率因数并网运行。采用SVPWM控制，谐波含量较少，电流正弦性好。
本发明了基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法，给出一种基于空间矢量脉宽调制的三相光伏发电并网逆变器的控制策略。在电网侧，对逆变器输出电流进行闭环控制，实现了电流有功分量和无功分量的解耦控制。通过仿真分析可以看出所设计的控制方法简便，系统逆变器输出并网电流具有良好的正弦性，谐波分量小，功率因数高。

Claims (3)

1.一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统，其特征在于，包括光伏电池阵列，直流升压斩波电路，中点电压箝位型的三电平逆变电路和控制系统，控制系统包括直流升压斩波电路控制单元和三电平逆变电路控制单元，光伏电池阵列依次经过直流升压斩波电路和三电平逆变电路给电网供电；直流升压斩波电路控制单元采集光伏电池阵列输出直流电压和电流值，直流升压斩波电路控制单元计算数据输出调节信号到直流升压斩波电路中开关元件控制端；三电平逆变电路控制单元采集三电平逆变电路输出电流后，先后经过并网控制单元和电压空间矢量脉宽调制单元后，输出调制脉冲到中点电压箝位型三电平逆变电路，实现单位功率因数并网运行。
2.一种基于三电平逆变器的光伏发电控制控制方法，包括基于三电平逆变器的光伏发电控制系统，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）、直流升压斩波电路控制单元采集采用电导增量法控制直流升压斩波电路：采集光伏电池阵列输出电压U(k)和电流值I(k),dU(k)= U(k)- U(k-1), dI(k)= I(k)- I(k-1),当                                               
Figure 127157DEST_PATH_IMAGE002
时，电压
Figure 456507DEST_PATH_IMAGE004
增加
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；当
Figure DEST_PATH_IMAGE008
时，电压
Figure DEST_PATH_IMAGE010
减小
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；当
Figure DEST_PATH_IMAGE014
时，到达最大功率点的电压
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，实现功率最大稳定的直流电压输出；
2）、步骤1）得到的直流电输出到中点电压箝位型三电平逆变电路，三电平逆变电路中三组并联的开关元件的中点作为三相电输出到电网；
3）设电网电压合成矢量为E，定义d轴与
Figure DEST_PATH_IMAGE018
同相，q轴与d轴垂直，且超前d轴90°，则d轴方向上的电流分量
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为有功分量，q轴方向的电流分量
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为无功分量，采用锁相环跟踪电网电压的瞬间相角作为坐标转换角度，三电平逆变电路输出经过dq轴坐标转换得到d轴和q轴电流，d轴和q轴电流分别与并网给定的基准电流
Figure DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE028
进行PI调节，得到的结果再经过dq轴坐标逆转换输出三相对称电流波形，实现并网的有功无功解耦控制后，经过电压空间矢量脉宽调制运算产生调制脉冲，调制脉冲输出到三电平逆变电路开关元件控制端，实现单位功率因数并网运行。
3.根据权利要求2所述基于三电平逆变器的光伏发电控制控制方法，其特征在于，所述电压空间矢量脉宽调制运算是采用六扇区划分方法，确立参考电压矢量的位置，计算三个合成矢量的作用时间，给出以正小矢量首发的矢量作用顺序。
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