基于串聯(lián)準(zhǔn)z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，把光伏電池逆變系統(tǒng)看作虛擬同步發(fā)電機(jī)，將串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的輸出電壓的積分當(dāng)作虛擬電機(jī)磁鏈，外環(huán)通過功率環(huán)的控制，實(shí)現(xiàn)有功功率的傳輸和無功功率的補(bǔ)償；內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)，以實(shí)現(xiàn)電流的快速跟蹤，電流內(nèi)環(huán)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，產(chǎn)生調(diào)制波信號(hào)，與光伏側(cè)得到的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行三次諧波調(diào)制，控制逆變橋的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)。本發(fā)明使用虛擬同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)直接功率控制策略對系統(tǒng)進(jìn)行控制，虛擬磁鏈直接定向，省去了交流電壓傳感器，提高了系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約裝置成本，準(zhǔn)直接功率控制可以直接控制并網(wǎng)逆變器的有功和無功，具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，屬于光伏并網(wǎng)控制
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，主要的問題是如何提高太陽能電池工作效率。系統(tǒng)中的電力 電子變換是解決該問題的關(guān)鍵，其電力變換環(huán)節(jié)一方面要實(shí)現(xiàn)太陽能電池最大功率點(diǎn)跟 蹤，一方面要實(shí)現(xiàn)逆變電路的正弦波輸出和相位控制。對于兩級(jí)式或多級(jí)式的光伏并網(wǎng)系 統(tǒng)，這兩個(gè)功能一般都在兩個(gè)變換環(huán)節(jié)中分別實(shí)現(xiàn)。例如，先在一個(gè)DC/DC環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)最大 功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制，再在一個(gè)DC/AC環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)正弦電流輸出與相位控制，這樣有利于 控制功能的分別實(shí)現(xiàn)，但多級(jí)變換會(huì)帶來更多損耗。傳統(tǒng)的單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中只 有一個(gè)能量變換環(huán)節(jié)，控制時(shí)既要考慮跟蹤太陽能電池最大功率點(diǎn)，也要同時(shí)保證對電網(wǎng) 輸出電流的幅值和正弦度，其控制一般較為復(fù)雜。
[0003] 此外，由于光伏發(fā)電電源接入電網(wǎng)，大量的電力電子器件的引入，造成電能質(zhì)量高 滲透率問題，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全。如何在光伏發(fā)電并網(wǎng)的同時(shí)，改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量，也 是現(xiàn)在亟待解決的問題。
[0004] 2003年彭方正教授提出一種Z源逆變器，圖1是它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由直流輸入電源Ui， Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，三相逆變橋(?~S6)以及濾波環(huán)節(jié)Lf四部分組成。Z源逆變器因?yàn)橐胩厥獾?阻抗源網(wǎng)絡(luò)，允許逆變器上下橋臂直通，通過控制直通占空比和逆變器的調(diào)制因數(shù)，在實(shí)現(xiàn) 升降壓的同時(shí)穩(wěn)定直流側(cè)電壓輸入，提高整體設(shè)計(jì)的可靠性。此外，因?yàn)橹蓖顟B(tài)成為Z源 逆變器的正常工作狀態(tài)，則無需在控制信號(hào)中加入死區(qū)時(shí)間，有效提高了輸出電能質(zhì)量。
[0005] 在光伏并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)有功功率的轉(zhuǎn)換的同時(shí)，電能質(zhì)量改善尤其是無功功率補(bǔ)償也是 一個(gè)亟待處理的問題。鑒于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與無功穩(wěn)壓系統(tǒng)在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的一致性 以及在控制策略上的相似性，國內(nèi)外學(xué)者對兩者的協(xié)同工作進(jìn)行了大量研究。
[0006] 方案一:應(yīng)用傳統(tǒng)逆變器，采用兩級(jí)式電壓矢量定向控制策略，提出一種將并網(wǎng)發(fā) 電與無功功率補(bǔ)償相結(jié)合的一體化控制，實(shí)現(xiàn)有功功率能量轉(zhuǎn)換的同時(shí)，調(diào)節(jié)無功功率，具 有較好的無功補(bǔ)償效果。
[0007] 方案二:將Z源逆變器引入光伏并網(wǎng)與無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)，從而在單極系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 直流側(cè)最大功率點(diǎn)跟蹤與交流側(cè)單位功率因數(shù)并網(wǎng)解耦控制。該結(jié)構(gòu)與常規(guī)的有源靜止同 步補(bǔ)償器主電路具有相似性，將兩者各自控制特點(diǎn)相結(jié)合，構(gòu)成同時(shí)具有光伏并網(wǎng)發(fā)電與 無功補(bǔ)償功能的系統(tǒng)。
[0008] 方案一因?yàn)橄到y(tǒng)使用傳統(tǒng)逆變器，沒有直通工作狀態(tài)，在控制信號(hào)中加入的死區(qū) 時(shí)間將影響并網(wǎng)電能質(zhì)量。基于dq坐標(biāo)系的電壓矢量控制涉及到三角函數(shù)變換，計(jì)算量大， 實(shí)時(shí)性差、編程復(fù)雜。
[0009] 方案二將Z源逆變器引入光伏并網(wǎng)與無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)，可以有效改善系統(tǒng)的電 能質(zhì)量，但Z源逆變器也主要采用電壓矢量定向的直接電流控制方式，此時(shí)需要檢測電網(wǎng)電 壓/輸入電流和直流母線電壓，眾多傳感器及其信號(hào)處理電路帶來高成本及復(fù)雜性問題。并 且，光伏并網(wǎng)逆變器響應(yīng)速度快、難以參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，因而無法像同步發(fā)電機(jī)一樣向配電網(wǎng) 提供必要的電壓和頻率支撐，缺乏一種與配網(wǎng)"同步"的機(jī)制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆 變器的光伏并網(wǎng)控制方法，將串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器引入光伏并網(wǎng)與無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)，可以降 低阻抗網(wǎng)絡(luò)的電壓，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，改善并網(wǎng)電能質(zhì)量。
[0011] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方 法，把光伏電池逆變系統(tǒng)看作虛擬同步發(fā)電機(jī)，將串聯(lián)準(zhǔn)z源逆變器的輸出電壓 Ua，Ub，Uc^9 積分當(dāng)作虛擬電機(jī)磁鏈，在光伏側(cè)，經(jīng)過運(yùn)行最大功率點(diǎn)跟蹤算法得到最大功率點(diǎn)電壓 通過PI控制器得到調(diào)制信號(hào)UT，用來進(jìn)行三次諧波調(diào)制，產(chǎn)生直通占空比信號(hào)d，實(shí)現(xiàn) 光伏電池輸出電壓跟蹤;根據(jù)輸出電壓ua，Ub，UC、輸出電流ia，ib，i c和直通占空比d估算瞬時(shí) 有功功率p和無功功率q;通過功率外環(huán)獲得參考有功功率?/和參考無功功率cf;通過功率內(nèi) 環(huán)獲得參考有功電流ζ和參考無功電流參考有功電流 < 和參考無功電流< 通過虛擬電機(jī) 磁鏈定向完成電流矢量合成，得到內(nèi)環(huán)參考電流ζ內(nèi)環(huán)參考電流經(jīng)過ΡI調(diào)節(jié)，產(chǎn)生調(diào) 制波信號(hào)，與光伏側(cè)得到的調(diào)制信號(hào)u T進(jìn)行三次諧波調(diào)制，控制逆變橋的開通與關(guān) 斷，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)。
[0012] 前述的串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源逆變器由直流輸入電源，串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源阻抗網(wǎng)絡(luò)，三相逆變橋以及 濾波電路組成。
[0013] 前述的串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源逆變器總共有15種允許的開關(guān)狀態(tài)：當(dāng)母線電壓加在三相負(fù)載 兩側(cè)時(shí)，串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源逆變器具有與傳統(tǒng)電壓型逆變器相同的6種非零矢量，即有效矢量;當(dāng)負(fù) 載被三相逆變橋的上橋臂或下橋臂短路時(shí)，串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源逆變器有2個(gè)零矢量，即傳統(tǒng)零矢量； 串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源阻抗網(wǎng)絡(luò)的存在使三相逆變橋的上橋臂和/或下橋臂直通，具有7種直通零矢量。
[0014] 前述的瞬時(shí)有功功率ρ和無功功率q的估算過程如下：
[0015]將串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器看作串聯(lián)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)三相電壓型逆變器的結(jié)合，利 用開關(guān)函數(shù)法計(jì)算傳統(tǒng)三相電壓型逆變器的輸出電壓：
[0016]
[0017]
[0018] 式中，
[0019 ] Ua，ub，表示三相輸出電壓，Udc為串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器直流側(cè)電壓，
[0020]
1代表上橋臂導(dǎo)通，0代表上橋臂關(guān)斷（11)
[0021] 將串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器直流側(cè)電壓udc的計(jì)算公式帶入式(9)和式（10)，即可得到三相 輸出電壓Ua，Ub ?Uc；
[0022] 將ua，ub，uc和檢測得到的三相輸出電流ia，i b，ic送入功率計(jì)算公式：
[0023]
(12)
[0024] 得到瞬時(shí)有功功率p和無功功率q。
[0025] 前述的參考有功功率l/和參考無功功率cf，參考有功電流_&和參考無功電流的計(jì) 算過程為：
[0026] 將功率外環(huán)的直流電壓瞬時(shí)值u。與直流給定電壓參考值Uc*之差，通過P1控制后生 成直流電流參考值id。'它與給直流定電壓參考值相乘得到系統(tǒng)的參考有功功率P'與瞬時(shí) 有功功率p相比較后，再通過PI控制生成參考有功電流i p%
[0027] 將功率外環(huán)的交流電壓瞬時(shí)值u與交流給定電壓參考值f進(jìn)行比較，通過P1控制 后生成交流電流參考值ia。'它與交流給定電壓參考值相乘得到系統(tǒng)的參考無功功率q'與 瞬時(shí)無功功率q相比較后，再通過PI控制生成參考無功電流i，。
[0028] 前述的電流矢量合成過程如下：
[0029] 對串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的輸出電壓進(jìn)行積分，獲得虛擬電機(jī)磁鏈值：
[0030]
(13)
[0031]計(jì)算瞬時(shí)虛擬電機(jī)磁鏈幅值Φ為：
[0032]
(14)
[0033]無功單位分量值為：
[0034]
(|5> ψ ψ ψ
[0035] 有功單位分量與無功單位分量正交，其值為：
[0036]
v|(>
[0037] 三相有功電流分量為參考有功電流與相應(yīng)有功單位分量的乘積，即：
[0038] ζα^?*ρνα^ = (17)
[0039] 三相無功電流分量為參考無功電流與相應(yīng)無功單位分量的乘積，即：
[0040]
(.18)
[0041 ]無功電流和有功電流分量矢量相加，得到內(nèi)環(huán)參考電流為：
[0042]
(丨9>'
[0043]前述的三次諧波調(diào)制過程如下：
[0044]在傳統(tǒng)的三相正弦調(diào)制信號(hào)中加入a倍的三次諧波信號(hào)，形成馬鞍狀調(diào)制信號(hào)，與 三角載波進(jìn)行比較，得到非直通信號(hào);通過最大功率點(diǎn)跟蹤算法獲得的調(diào)制信號(hào)UT與三角 載波比較，獲得直通信號(hào);直通信號(hào)與非直通信號(hào)相"或"共同組成六路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0045] 前述的a取1/6。
[0046] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
[0047] 1)本發(fā)明改進(jìn)了逆變器的結(jié)構(gòu)，使用串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器，不需要添加死區(qū)時(shí)間，可 以有效改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量;并且串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器相較于傳統(tǒng)的Z源逆變器，可以降低阻 抗器件的電壓應(yīng)力，更好的改善系統(tǒng)整體性能；
[0048] 2)本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)功能，還可以通過估算交流配電網(wǎng)的無功功率， 對其進(jìn)行功率補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量；
[0049] 3)本發(fā)明使用虛擬同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)直接功率控制策略對系統(tǒng)進(jìn)行控制，虛擬磁鏈直 接定向，省去了交流電壓傳感器，提高了系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約裝置成本，準(zhǔn)直接功率控制可 以直接控制并網(wǎng)逆變器的有功和無功，具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好等優(yōu)點(diǎn)；
[0050] 4)本發(fā)明應(yīng)用三次諧波調(diào)制，可以有效降低功率器件和電容的電壓應(yīng)力以及電感 電流脈動(dòng)值。
【附圖說明】
[0051 ]圖1是Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0052]圖2為串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0053]圖3為圖2的等效電路圖；
[0054]圖4為串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的兩種運(yùn)行模式，圖4(a)為直通狀態(tài)，圖4(b)為非直通狀 態(tài)；
[0055] 圖5為本發(fā)明的基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；
[0056] 圖6為本發(fā)明基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制原理圖；
[0057]圖7為帶飽和限幅反饋環(huán)節(jié)的虛擬磁鏈觀測器原理圖；
[0058]圖8為有功功率控制環(huán)原理圖；
[0059]圖9為無功功率控制環(huán)原理圖；
[0060]圖10為有功和無功分量關(guān)系圖；
[0061]圖11為三次諧波調(diào)制示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0062] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0063] 如圖2所示，本發(fā)明首先設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源阻 抗網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥儞Q電路，由直流輸入電源m，串聯(lián)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，三相逆變橋(Si-Ss)以及 濾波電路L f四部分組成。
[0064] 三相串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器總共有15種允許的開關(guān)狀態(tài)如表1所示。當(dāng)母線電壓udc加在 三相負(fù)載兩側(cè)時(shí)，三相串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器具有與傳統(tǒng)電壓型逆變器相同的6種非零矢量，即 有效矢量；當(dāng)負(fù)載被逆變橋的上橋臂(Si、S 3、S5)或下橋臂(S2、S4、S6)短路時(shí)，三相串聯(lián)準(zhǔn)Z源 逆變器有2個(gè)零矢量，即傳統(tǒng)零矢量。此外，三相串聯(lián)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的存在可以使上、下橋 臂直通，因而還具有7種直通零矢量。在傳統(tǒng)逆變器中，如果上、下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)電 源短接，電流突增從而損壞功率電路，因而直通零矢量是不可以出現(xiàn)的。但在本發(fā)明的三相 串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器中，因?yàn)榇?lián)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的加入使直通狀態(tài)成為其正常工作狀態(tài)，同 時(shí)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的升/降壓功能。
[0065] 表1串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的開關(guān)狀態(tài)
[0066]
[0067] 表1中，1表示開關(guān)管導(dǎo)通，0表示開關(guān)管關(guān)斷，X表示0或1，X與X互補(bǔ)。
[0068]如若將三相逆變橋等效為一個(gè)電流源Ilciad，則可以得到等效的串聯(lián)型準(zhǔn)Z源電路 圖如圖3所示。穩(wěn)態(tài)時(shí)，由電路的對稱性可得：
[0069]
(1)
[0070] 串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的運(yùn)行模式分直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)2種狀態(tài)，
[0071] 1)串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器在直通狀態(tài)下，阻抗網(wǎng)絡(luò)中的電容放電，并與電源一起為電感 充電，電感儲(chǔ)存能量，二極管反向截止，其等效電路圖如圖4(a)所示。由4(a)可得：
[0072] ui = uc+UL Udc = 0 (2)
[0073] 2)串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器在非直通狀態(tài)下，阻抗網(wǎng)絡(luò)中的電感放電釋放能量，并與電源 一起為電容和直流側(cè)后端供電，直流側(cè)電壓升高，二極管D導(dǎo)通運(yùn)行，其等效電路圖如圖4 (b)所示。同理，由圖4(b)可得：
[0074] uc = ul Ui = 2uc+Udc (3)
[0075] 設(shè)一個(gè)開關(guān)周期Ts中，直通狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間為To,非直通狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間為Thd為直通 占空比。在一個(gè)開關(guān)周期中電感兩端的平均電壓必須為零，由式(2)、（3)得
[0076]
[0077]
[0078]
[0079] %為電感兩端的平均電壓。
[0080]與傳統(tǒng)Z源逆變器電容&的電壓此1=[(1-(1)出/(1-2(1)]相比，同樣的直流側(cè)電源1^ 下，串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器能夠減小電容電壓應(yīng)力，使選擇更小體積的電容成為可能，降低裝置 成本。
[0081 ]加在逆變橋兩端的直流母線電壓峰值為：
[0082]
[0083] 其中B Μ為直流偵岍壓因子，d表示直通占空比。 1 - la
[0084] 以SPWM為例，設(shè)串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的調(diào)制因數(shù)為Μ，穩(wěn)態(tài)情況下逆變器輸出相電壓 的峰值為：
[0085]
[0086] 由式（7)觀察可知，通過調(diào)整直流側(cè)升壓因子和逆變器調(diào)制因數(shù)就可以在直流輸 入電壓保持恒定的情況下，使逆變器輸出電壓上升或下降。因此，在輸入直流電壓波動(dòng)范圍 較大的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源逆變器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)兩級(jí)逆變結(jié)構(gòu)使用。
[0087] 本發(fā)明的光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)是把光伏電池逆變系統(tǒng)看作虛擬同步發(fā)電機(jī)，將串聯(lián) 準(zhǔn)Ζ源逆變器的輸出電壓1^、1^、1!。的積分當(dāng)作虛擬電機(jī)磁鏈，于是，虛擬同步發(fā)電機(jī)部分類 似于一臺(tái)無限大的、由光伏并網(wǎng)逆變器供電并以同步恒速運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，如圖5所示。
[0088] 虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程表示為：
[0089]
(8)
[0090] 式中：j是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為kg· 分別為機(jī)械、電磁和阻尼轉(zhuǎn)矩，單位為 N · m; ω為虛擬同步發(fā)電機(jī)的角速度，單位為rad/s; ω〇為電網(wǎng)對應(yīng)的角速度;D為阻尼系 數(shù)，單位為Ν · m · s/rad。
[0091] 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J使串聯(lián)準(zhǔn)Z源光伏并網(wǎng)逆變器在功率和頻率調(diào)節(jié)過程中具有了慣性;阻 尼系數(shù)D使得光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)也具有了阻尼電網(wǎng)功率振蕩的能力。這些都可以大大提高 系統(tǒng)的整體性能。
[0092] 基于上述系統(tǒng)提出基于虛擬電機(jī)的串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源光伏并網(wǎng)逆變器的準(zhǔn)直接功率控制 原理如圖6所示。其中，外環(huán)通過功率環(huán)的控制，實(shí)現(xiàn)有功功率的傳輸和無功功率的補(bǔ)償；內(nèi) 環(huán)采用電流環(huán)，以實(shí)現(xiàn)電流的快速跟蹤。
[0093]控制電路由電壓、功率估算器，功率外環(huán)控制器，電流矢量合成，直流側(cè)最大功率 點(diǎn)跟蹤組成。在光伏側(cè)，經(jīng)過運(yùn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法得到最大功率點(diǎn)電壓^4.，通 過PI控制器得到調(diào)制信號(hào)ut，用來進(jìn)行三次諧波調(diào)制，產(chǎn)生直通占空比信號(hào)d，實(shí)現(xiàn)光伏電 池輸出電壓跟蹤。瞬時(shí)有功功P和無功功率q是根據(jù)網(wǎng)側(cè)交流電壓u a，ub，u。、輸出電流ia，ib， ic和直通占空比d進(jìn)行估算。參考有功功率plP參考無功功率cf通過功率外環(huán)控制器獲得， 分別用來反映光伏傳遞到電網(wǎng)中的有功功率和系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率值。功率內(nèi)環(huán)輸出 的參考有功電流.(6.和參考無功電流^.通過虛擬電機(jī)磁鏈定向完成電流矢量合成。電流內(nèi)環(huán) 經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，產(chǎn)生調(diào)制波信號(hào)與光伏側(cè)得到的調(diào)制信號(hào)UT-起進(jìn)行三次諧波調(diào) 制，控制逆變橋的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)。
[0094]具體的，
[0095] 1)電網(wǎng)側(cè)交流電壓、瞬時(shí)有功功率p和無功功率q的估算過程如下：
[0096] 圖2的串聯(lián)準(zhǔn)Z源并網(wǎng)逆變器可以看作串聯(lián)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)三相電壓源型并網(wǎng)逆 變器的結(jié)合。
[0097]利用開關(guān)函數(shù)法計(jì)算傳統(tǒng)三相電壓型逆變器的輸出電壓：
[0098]
[0099]
[0100]
[0101]
[0102] 將串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器直流側(cè)電壓udc的計(jì)算公式(6)帶入式(9)和式（10)，即可得到 估算的逆變器的三相交流電壓。
[0103] 將估算的三相交流電壓ua、ub、uc和檢測得到的三相電流ia、ib、ic值送入功率計(jì)算 公式：
[0104]
[0105] 得到瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q。
[0106] 對串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的輸出電壓進(jìn)行積分，獲得三相虛擬電機(jī)磁鏈的近似值：
[0107]
[0108] 式（13)中含有積分項(xiàng)，為避免因?yàn)槌踔颠x擇不同而造成的直流偏移問題，本發(fā)明 采用帶飽和限幅反饋環(huán)節(jié)的積分器來代替純積分環(huán)節(jié)，如圖7所示。
[0109] 欲使幅值無差且相位無偏移，取〇。= ω，即電網(wǎng)的角速度。
[0110] 2)參考有功功率plP無功功率cf，參考有功電流和無功電流計(jì)算過程為：
[0111] 有功功率控制環(huán)原理如圖8所示，有功功率外環(huán)的直流電壓瞬時(shí)值u。與給定電壓 參考值Uc*之差，通過P1控制后生成直流電流參考值idc*，它與給定電壓參考值相乘得到系統(tǒng) 的參考有功功率P'與網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率P相比較后，再通過PI控制生成有功電流參考值i，。
[0112] 無功功率控制環(huán)與有功功率控制環(huán)的原理相同，如圖9所示，同樣是將交流電壓瞬 時(shí)值u與給定電壓參考值f進(jìn)行比較，通過P1控制后生成交流電流參考值i a。％它與給定電 壓參考值相乘得到系統(tǒng)的參考無功功率q'與網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率q相比較后，再通過PI控制生成 無功電流參考值i，。但是因?yàn)閱蜗嘟涣麟妷鹤兓俣容^快，本發(fā)明將瞬時(shí)三相電壓幅值作 為控制量，則參考三相電壓幅值u*為電網(wǎng)電壓幅值31IV。
[0113] 3)電流矢量合成過程如下：
[0114] 交流電壓經(jīng)過磁鏈觀測后得到磁鏈值，計(jì)算瞬時(shí)虛擬電機(jī)磁鏈幅值為：
[0115]
(14)
[0116] 因?yàn)檎也ń?jīng)過磁鏈觀測(積分環(huán)節(jié))后，相位滯后90°，虛擬電機(jī)磁鏈與無功單位 分量同向，無功單位分量值為：
[0117]
(15)
[0118] 有功單位分量與上式的無功單位分量正交，其值為：
[0119]
(1?)
[0120]三相靜止坐標(biāo)下有功和無功分量坐標(biāo)關(guān)系如圖10所示。其中，各自相差 120°，Va、Vb、V。和φ3、<i>b、Φ。亦如此，且有功單位分量與無功單位分量正交。
[0121] 三相有功電流分量為有功電流與相應(yīng)有功單位分量的乘積，即：
[0122] ' 〇 (.17)
[0123] 三相無功電流分量為無功電流與相應(yīng)無功單位分量的乘積，即：
[0124]
(18)
[0125] 無功電流和有功電流分量矢量相加，得到內(nèi)環(huán)參考電流為：
[0126]
(1))
[0127] 功率環(huán)用來實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)功率控制和系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，并獲得有功電流參考值 和無功電流參考值，兩者通過相應(yīng)計(jì)算，得到三相參考電流值。參考電流與串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆 變器輸出電流相比較，并經(jīng)過PI控制器產(chǎn)生三相調(diào)制信號(hào)Ua'Ub'Uc*，并與通過MPPT算法獲 得的調(diào)制信號(hào)ut-起參與三次諧波調(diào)制，控制逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷。
[0128] 4)三次諧波調(diào)制過程如下：
[0129] 如圖11所示，在傳統(tǒng)的三相正弦調(diào)制信號(hào)中加入a倍的三次諧波信號(hào)，形成馬鞍狀 調(diào)制信號(hào)uAub'Uc*，與三角載波進(jìn)行比較，得到非直通信號(hào);通過MPPT算法獲得的調(diào)制信 號(hào)ut與三角載波比較，獲得直通信號(hào)。直通信號(hào)與非直通信號(hào)相"或"共同組成六路P麗驅(qū)動(dòng) 信號(hào)Si~S6〇
[0130]設(shè)A相調(diào)制波為Va = Msine，0為正弦波的相角，在此基礎(chǔ)上注入a倍的三次諧波以 后A相調(diào)制波表達(dá)式變?yōu)椋?br>[0131 ] Va=MsinB+aMsin(3B) = (l+3a)sinB-4asin3B ?
[0132] 對Θ求導(dǎo)，得到，
[0133] 當(dāng)sinWt#時(shí)，73取得極值，即， \2a
[0134] 當(dāng)Si
，Va達(dá)到其峰值點(diǎn)（即調(diào)制信號(hào)中的最大值點(diǎn))為：
[0135]
(20)
[0136] 對式(20)求導(dǎo)可得，
[0137] a = 1/6時(shí)Λ取最小值，此時(shí)，
[0138]
[0139] 可以看出，當(dāng)調(diào)制波加入a=l/6倍的三次諧波時(shí)，串聯(lián)準(zhǔn)Ζ源逆變器的調(diào)制因數(shù)可 以得到最大值為2._，，因而本發(fā)明選擇在基波中注入1/6倍的三次諧波。
[0140]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，把光伏電池逆變系統(tǒng)看作 虛擬同步發(fā)電機(jī)，將串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的輸出電壓1^，1^，1!。的積分當(dāng)作虛擬電機(jī)磁鏈，在光 伏側(cè)，經(jīng)過運(yùn)行最大功率點(diǎn)跟蹤算法得到最大功率點(diǎn)電壓14.，通過PI控制器得到調(diào)制信號(hào) ut，用來進(jìn)行三次諧波調(diào)制，產(chǎn)生直通占空比信號(hào)d，實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出電壓跟蹤;根據(jù)輸出 電壓113，1^，11。、輸出電流1&，1。和直通占空比(1估算瞬時(shí)有功功率口和無功功率9 ;通過功率 外環(huán)獲得參考有功功率Z和參考無功功率q%通過功率內(nèi)環(huán)獲得參考有功電流&和參考無 功電流ζ參考有功電流:ζ和參考無功電流:(6:通過虛擬電機(jī)磁鏈定向完成電流矢量合成，得 到內(nèi)環(huán)參考電流d ?內(nèi)環(huán)參考電流經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，產(chǎn)生調(diào)制波信號(hào)wK ,<，，與光伏側(cè)得 到的調(diào)制信號(hào)UT進(jìn)行三次諧波調(diào)制，控制逆變橋的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率 調(diào)節(jié)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，所 述串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器由直流輸入電源，串聯(lián)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，三相逆變橋以及濾波電路組成。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，所 述串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器總共有15種允許的開關(guān)狀態(tài)：當(dāng)母線電壓加在三相負(fù)載兩側(cè)時(shí)，串聯(lián)準(zhǔn) Z源逆變器具有與傳統(tǒng)電壓型逆變器相同的6種非零矢量，即有效矢量；當(dāng)負(fù)載被三相逆變 橋的上橋臂或下橋臂短路時(shí)，串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器有2個(gè)零矢量，即傳統(tǒng)零矢量；串聯(lián)準(zhǔn)Z源阻 抗網(wǎng)絡(luò)的存在使三相逆變橋的上橋臂和/或下橋臂直通，具有7種直通零矢量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，所 述瞬時(shí)有功功率P和無功功率q的估算過程如下： 將串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器看作串聯(lián)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)三相電壓型逆變器的結(jié)合，利用開 關(guān)函數(shù)法計(jì)算傳統(tǒng)三相電壓型逆變器的輸出電壓：式中， ua，Ub，Uc表示三相輸出電壓，Udc為串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器直流側(cè)電壓，將串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器直流側(cè)電壓Udc的計(jì)算公式帶入式(9)和式（10)，即可得到三相輸出 電壓Ua，Ub，Uc; 將ua，Ub，u。和檢測得到的三相輸出電流ia，ib，i。送入功率計(jì)算公式：得到瞬時(shí)有功功率P和無功功率q。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，所 述參考有功功率Z和參考無功功率cf，參考有功電流.ζ和參考無功電流ζ的計(jì)算過程為： 將功率外環(huán)的直流電壓瞬時(shí)值U。與直流給定電壓參考值Uc*之差，通過Pl控制后生成直 流電流參考值id。'它與給直流定電壓參考值相乘得到系統(tǒng)的參考有功功率p'與瞬時(shí)有功 功率P相比較后，再通過PI控制生成參考有功電流i P% 將功率外環(huán)的交流電壓瞬時(shí)值u與交流給定電壓參考值^進(jìn)行比較，通過Pl控制后生成 交流電流參考值^。％它與交流給定電壓參考值相乘得到系統(tǒng)的參考無功功率q'與瞬時(shí)無 功功率q相比較后，再通過PI控制生成參考無功電流i，。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，所 述電流矢量合成過程如下： 對串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的輸出電壓進(jìn)行積分，獲得虛擬電機(jī)磁鏈值：計(jì)算瞬時(shí)虛擬電機(jī)磁鏈幅值Φ為：無功單位分量值為：有功單位分量與無功單位分量正交，其值為：三相有功電流分量為參考有功電流與相應(yīng)有功單位分量的乘積，即： lpa = lpK，lpb 二 iPvP lpc = lpVC. (I?) 三相無功電流分量為參考無功電流與相應(yīng)無功單位分量的乘積，即： lXA，iIt,:-CA，〔丨，-(A (is) 無功電流和有功電流分量矢量相加，得到內(nèi)環(huán)參考電流為：7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)準(zhǔn)ζ源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，所 述三次諧波調(diào)制過程如下： 在傳統(tǒng)的三相正弦調(diào)制信號(hào)中加入a倍的三次諧波信號(hào)，形成馬鞍狀調(diào)制信號(hào)，與三角 載波進(jìn)行比較，得到非直通信號(hào);通過最大功率點(diǎn)跟蹤算法獲得的調(diào)制信號(hào)UT與三角載波 比較，獲得直通信號(hào);直通信號(hào)與非直通信號(hào)相"或"共同組成六路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于串聯(lián)準(zhǔn)Z源逆變器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，所 述a取1/6。
【文檔編號(hào)】H02J3/18GK105932713SQ201610392466
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王偉, 馮煒, 姬麗雯, 汪立俊, 杜煒, 陳磊, 周光, 劉剛, 王彥雋
【申請人】國網(wǎng)江蘇省電力公司常州供電公司, 國家電網(wǎng)公司, 南京南瑞太陽能科技有限公司