專利名稱：一種準(zhǔn)-z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
光伏發(fā)電清潔環(huán)保、儲量豐富、安全可靠，是最具前景的新能源之一。應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)為單級或兩級、兩電平或多電平的特點(diǎn)。其中，級聯(lián)式多電平逆變器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo)1)無變壓器；2)輸出電壓諧波??；3)減小或省略輸出端的濾波器；4)分布式最大功率跟蹤(MPPT) ；5)易于模塊化。因而，將級聯(lián)式多電平逆變器應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)日益成為研究的熱點(diǎn)。然而，由于光 伏電池電壓的寬范圍變化，傳統(tǒng)級聯(lián)多電平逆變系統(tǒng)在光伏應(yīng)用中存在以下問題首先，系統(tǒng)的不同模塊間存在直流母線電壓不平衡的問題；其次，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時需要倍增逆變器的容量。如果在每個模塊引入DC/DC變換器，可控制直流母線電壓平衡，并最小化逆變器容量，但是將導(dǎo)致系統(tǒng)的費(fèi)用增加、效率降低。Z-源和準(zhǔn)Z-源逆變器以單級功率變換的形式，實(shí)現(xiàn)升/降壓和逆變的功能，可以適應(yīng)光伏電池電壓的寬范圍變化。應(yīng)用其設(shè)計(jì)光伏逆變器時，不但可以實(shí)現(xiàn)最小化逆變器容量，而且費(fèi)用、效率和可靠性都將得到改善。論文[LIU Liming, LI Hui, ZHAO Yi, etal. I MHz cascaded Z-Source inverters for scalable grid-interactive photovoltaicapplications using GaN device[C]//Proceedings of IEEE Energy ConversionCongress and Exposition, Sept. 17-22，2011，Phoenix, USA :2738-2745.]將 Z-源逆變器和級聯(lián)H橋結(jié)合，采用新的GaN器件，構(gòu)成了 IMHz開關(guān)頻率的光伏逆變器。論文分析了系統(tǒng)效率以及參數(shù)設(shè)計(jì)方法，但是沒有提及控制方法。專利2010102348660公開了一種儲能型級聯(lián)多電平光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分布式最大功率跟蹤，最大限度地收集太陽能，效率高，避免了光伏電池串聯(lián)時局部陰影導(dǎo)致的功率損失和熱斑問題；具有多電平逆變的優(yōu)點(diǎn)，輸出電壓諧波低，且適合高壓大功率、無變壓器并網(wǎng)。但是，該發(fā)明沒有公開具體的控制細(xì)節(jié)，比如，如何進(jìn)行脈寬調(diào)制，以對所有準(zhǔn)Z-源逆變器模塊進(jìn)行獨(dú)立控制，如何實(shí)現(xiàn)各模塊的分布式最大功率跟蹤，如何保持各模塊直流母線電壓平衡控制等等。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上問題，本發(fā)明公開了一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，所述并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由2個以上準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊級聯(lián)組成；所述的每一個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊包括四只IGBT，二極管D，第一電解電容、第二電解電容，第一電感、第二電感，光伏電池；其中，所述四只IGBT連接為一個H橋逆變器，所述第二電解電容跨接于二極管D的陽極和H橋逆變器正極間，且所述第二電解電容的正極與H橋逆變器正極相連；二極管D的陰極與所述第一電解電容的正極、所述第二電感相連；所述第二電感的另一端連接于H橋逆變器正極；第一電解電容的負(fù)極與H橋逆變器負(fù)極相連；第一電感的一端與光伏電池相連，另一端與第二電解電容的負(fù)極相連；所述第一個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊的H橋逆變器左臂中間通過濾波電感連接到電網(wǎng)一端，電網(wǎng)的另一端連接到H橋逆變器右橋臂中間。一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方法，包括改進(jìn)型載波移相SPWM調(diào)制步驟、分布式MPPT控制和各直流母線電壓控制步驟及并網(wǎng)功率控制步驟。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述的改進(jìn)型載波移相SPWM調(diào)制步驟，包括以第j個模塊為例子，將第j個模塊H橋的左、右橋臂看作兩個功率單元，左橋臂的三角載波為S1, j,右橋臂的三角載波為S2,j, S1, j與S2,j之間的移相角為180° ,該H橋的左、右橋臂米用同一個正弦波Hij進(jìn)行調(diào)制；假設(shè)單元j的準(zhǔn)-Z源H橋逆變器在工作過程中的直通量為Dj，那么，在調(diào)制過程中需要增加一對正負(fù)直通量參考值，分別為I-Dj和Dj-I,當(dāng)三角載波大于I-Dj或 小于Dj-I時，對應(yīng)橋臂的上、下開關(guān)管同時開通，此時該H橋處于直通狀態(tài)，該直通狀態(tài)被加到傳統(tǒng)零矢量區(qū)間內(nèi)，在直通區(qū)間內(nèi)，H橋輸出電壓仍為0，不會改變H橋的輸出電平，因此，準(zhǔn)-Z源H橋單元j的輸出電壓為3電平，n個模塊級聯(lián)，相鄰模塊間的載波相移為/n，總的輸出相電壓為(2n+l)電平。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述的分布式MPPT控制和各直流母線電壓控制，包括每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊的MPPT控制，以及每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊的直流母線電壓平衡控制。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述的每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊MPPT控制，包括對每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊，采用擾動觀察法MPPT算法，調(diào)節(jié)該模塊的直通占空比&，跟蹤其光伏電池的最大功率點(diǎn)；各模塊光伏電池的MPPT控制相互解耦，即使它們的工作點(diǎn)不同，也不會產(chǎn)生相互影響。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述的每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊的直流母線電壓平衡控制，包括對于每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊，用電壓傳感器采集準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)中的第一電容電
壓Va和第二電容電壓Ve2，二者相加，得到直流母線電壓峰值"^!^/將"Ppn7.與設(shè)定的參考值
鏟PNj 作比較，得到誤差ej，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后，輸出該模塊的功率參考值P%，為了各模塊電壓平衡，設(shè)定rp-為同一數(shù)值，但是各模塊輸出的會有差異，與各模塊光伏電池最大功率點(diǎn)時的光伏功率相關(guān)，P*」為每個模塊并網(wǎng)功率參考值，其將被輸入到并網(wǎng)功率控制器中，參與總的并網(wǎng)功率控制。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，所述的并網(wǎng)功率控制，包括并網(wǎng)功率等于各個模塊光伏
n
電池功率的總和，所以，總的并網(wǎng)功率參考值為由于各模塊的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，每
J=I
,
個模塊注入電網(wǎng)的電流相同，電網(wǎng)電流的峰值為iid =式中，^ 為電網(wǎng)相電壓
vgridgrid
有效值；實(shí)時檢測電網(wǎng)的電壓，采用鎖相環(huán)技術(shù)，得到電網(wǎng)電壓的相位，應(yīng)用電網(wǎng)電壓相位和電網(wǎng)電流峰值，經(jīng)過三角函數(shù)，得到并網(wǎng)電流的期望值rgHd，將并網(wǎng)電流實(shí)際值i#id與i*grid作比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，得到該準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏發(fā)電逆變器的期望電壓Vtotal，該電壓信號將用于產(chǎn)生級聯(lián)系統(tǒng)中每個模塊的調(diào)制度nv j=l，2，...，n，由于每個模
Jrf
塊提供的并網(wǎng)功率不同，定義各模塊所提供功率的比例系數(shù)為《；.= +，j = l，2，...，n，
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方法，所述并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由2個以上準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊級聯(lián)組成；所述的每一個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊包括四只IGBT，二極管D，第一電解電容、第二電解電容，第一電感、第二電感，光伏電池；其中，所述四只IGBT連接為一個H橋逆變器，所述第二電解電容跨接于二極管D的陽極和H橋逆變器正極間，且所述第二電解電容的正極與H橋逆變器正極相連；二極管D的陰極與所述第一電解電容的正極、所述第二電感相連；所述第二電感的另一端連接于H橋逆變器正極；第一電解電容的負(fù)極與H橋逆變器負(fù)極相連；第一電感的一端與光伏電池相連,另一端與第二電解電容的負(fù)極相連；所述第一個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊的H橋逆變器左橋臂中間通過濾波電感連接到電網(wǎng)一端，電網(wǎng)的另一端連接到H橋逆變器右橋臂中間； 其特征在于，包括改進(jìn)型載波移相SPWM調(diào)制步驟、分布式MPPT控制和各直流母線電壓控制步驟及并網(wǎng)功率控制步驟。
2.如權(quán)利要求I所述一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述的改進(jìn)型載波移相SPWM調(diào)制步驟，包括以第j個模塊為例子，將第j個模塊H橋的左、右橋臂看作兩個功率單元，左橋臂的三角載波為Sm,右橋臂的三角載波為S2,」，Shj與S2, j之間的移相角為180°，該H橋的左、右橋臂采用同一個正弦波進(jìn)行調(diào)制；假設(shè)單元j的準(zhǔn)-Z源H橋逆變器在工作過程中的直通量為Dj，那么，在調(diào)制過程中需要增加一對正負(fù)直通量參考值，分別為I-Dj和Dj-I,當(dāng)三角載波大于I-Dj或小于Dj-I時，對應(yīng)橋臂的上、下開關(guān)管同時開通，此時該H橋處于直通狀態(tài)，該直通狀態(tài)被加到傳統(tǒng)零矢量區(qū)間內(nèi)，在直通區(qū)間內(nèi)，H橋輸出電壓仍為0，不會改變H橋的輸出電平，因此，準(zhǔn)-Z源H橋單元j的輸出電壓為3電平，n個模塊級聯(lián)，相鄰模塊間的載波相移為n/n，總的輸出相電壓為(2n+l)電平。
3.如權(quán)利要求I所述一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述的分布式MPPT控制和各直流母線電壓控制，包括每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊的MPPT控制，以及每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊的直流母線電壓平衡控制。
4.如權(quán)利要求3所述一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述的每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊MPPT控制，包括對每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊，采用擾動觀察法MPPT算法，調(diào)節(jié)該模塊的直通占空比Dp跟蹤其光伏電池的最大功率點(diǎn)；各模塊光伏電池的MPPT控制相互解耦，即使它們的工作點(diǎn)不同，也不會產(chǎn)生相互影響。
5.如權(quán)利要求3所述一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述的每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊的直流母線電壓平衡控制，包括對于每個準(zhǔn)-Z源光伏發(fā)電模塊，用電壓傳感器采集準(zhǔn)-Z源網(wǎng)絡(luò)中的第一電容電壓Va和第二電容電壓Vc2，二者相加，得到直流母線電壓峰值^PN/。將胃與設(shè)定的參考值fV胃作比較，得到誤差4，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后，輸出該模塊的功率參考值P、為了各模塊電壓平衡，設(shè)定滬PNj 為同一數(shù)值，但是各模塊輸出的會有差異，與各模塊光伏電池最大功率點(diǎn)時的光伏功率相關(guān)，P*j為每個模塊并網(wǎng)功率參考值，其將被輸入到并網(wǎng)功率控制器中，參與總的并網(wǎng)功率控制。
6.如權(quán)利要求2所述一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述的并網(wǎng)功率控制，包括并網(wǎng)功率等于各個模塊光伏電池功率的總和，所以，總的并網(wǎng)功率參考值力
全文摘要
本發(fā)明公開了一種準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，每塊光伏電池配以獨(dú)立的準(zhǔn)-Z源逆變器作為一個發(fā)電模塊，若干個這樣的模塊串聯(lián)構(gòu)成準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏發(fā)電系統(tǒng)，集合了準(zhǔn)-Z源逆變器和級聯(lián)多電平逆變器的眾多優(yōu)勢，針對該系統(tǒng)，發(fā)明了改進(jìn)型載波移相SPWM調(diào)制方法，分布式MPPT控制，各直流母線電壓控制，及并網(wǎng)功率控制。應(yīng)用本發(fā)明的控制方法，可有效運(yùn)行準(zhǔn)-Z源級聯(lián)多電平單相光伏發(fā)電系統(tǒng)，最大限度地收集太陽能，實(shí)現(xiàn)多電平輸出電壓和升壓控制。即使光伏電池電壓寬范圍變化，各模塊直流母線峰值電壓均恒定，確保了逆變器容量最小。為此，實(shí)現(xiàn)低費(fèi)用、高效率和高可靠性的光伏發(fā)電。
文檔編號H02J3/46GK102709941SQ201210160780
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者孫東森, 葛寶明 申請人:北京交通大學(xué)