一種模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法。采用三相六橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，每個橋臂由一個半橋模塊SM、N個組件模塊PM、一個電感L串聯(lián)組成。SM由兩個IGBT管T1～T2、兩個二極管D1～D2和一個電容C構(gòu)成；PM是在SM基礎(chǔ)上在電容C兩端并聯(lián)一個光伏組件PV。其控制方法包括最大功率跟蹤控制、冗余模塊控制、穩(wěn)壓控制和并網(wǎng)控制。本發(fā)明能實現(xiàn)局部陰影下逆變器的可靠工作和光伏組件的最大功率跟蹤，模塊化多電平結(jié)構(gòu)減少了電容應(yīng)力和逆變輸出諧波含量，無需直流變換電路，通過控制方法實現(xiàn)每個PV組件的最大功率跟蹤，比起常規(guī)的陣列全局最大功率控制方法，提高了輸出功率，減少了硬件投入。
【專利說明】一種模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分布式電源，特別涉及一種模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界，能源問題日益突出。尋求新能源來取代日益減少的化石燃料，已成為能源發(fā)展的必然趨勢。在所有的新能源發(fā)電當(dāng)中，太陽能發(fā)電地位突出，優(yōu)勢明顯。太陽能是取之不盡用之不竭的能源，且儲量巨大，沒有開采和運輸環(huán)節(jié)，太陽能發(fā)電清潔無污染，不排放廢氣，對環(huán)保有利。在能源危機即將爆發(fā)，環(huán)境逐漸惡化的今天，太陽能發(fā)電技術(shù)具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]光伏發(fā)電是太陽能的重要利用方式，是一種分布式能源，得到人們的光伏關(guān)注。光伏并網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為了光伏領(lǐng)域的研究熱點。在光伏并網(wǎng)應(yīng)用中，提高光伏轉(zhuǎn)換效率和逆變輸出波形質(zhì)量，對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。光伏組件功率較小，難以大范圍應(yīng)用。光伏陣列常常處于復(fù)雜的環(huán)境中，在陰影條件下時，易導(dǎo)致陣列功率失配，輸出效率下降，常規(guī)最大功率控制方法失效，而全局最大功率控制方法復(fù)雜，會使成本上升。傳統(tǒng)兩電平逆變器容量小，開關(guān)器件承受電壓、電流較大，直流電容應(yīng)力大，且輸出諧波含量大，濾波困難。采用直流模塊式光伏系統(tǒng)時，雖然抗陰影能力增強，但仍采用常規(guī)逆變器，效果不佳。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中，獲得光伏組件的最大功率，提高局部陰影條件下光伏系統(tǒng)的輸出功率和逆變器的可靠性，減小逆變輸出諧波含量的問題；同時省略直流變換電路，通過控制方法實現(xiàn)每個PV組件的最大功率跟蹤，減少硬件投入。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，采用三相六橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，每相包括上、下兩個橋臂，每個橋臂由I個半橋模塊SM、N個組件模塊PM和I個電感L串接而成，上、下橋臂連接點引出相線；三條相線接入公共電網(wǎng)；所述的N個組件模塊PM為PM1?PMn ；
[0007]SM由兩個IGBT管Tl?T2、兩個二極管Dl?D2和一個電容C構(gòu)成；其中，IGBT管Tl的發(fā)射極與IGBT管T2的集電極相連并構(gòu)成SM的正端，IGBT管Tl的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T2的發(fā)射極與電容的負極相連并構(gòu)成SM的負端；D1與Tl反向并聯(lián)，D2與T2反向并聯(lián)；【反向并聯(lián)是指IGBT管的發(fā)射極和二極管的正極連接，IGBT管的集電極和二極管的負極連接】;IGBT管Tl?T2的門極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)信號；
[0008]PM由兩個IGBT管T3?T4、兩個二極管D3?D4和一個電容C構(gòu)成；其中，IGBT管T3的發(fā)射極與IGBT管T4的集電極相連并構(gòu)成PM的正端，IGBT管T3的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T4的發(fā)射極與電容的負極相連并構(gòu)成PM的負端；D3與T3反向并聯(lián)，D4與T4反向并聯(lián)；IGBT管T3?T4的門極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)信號；在電容C的兩端并聯(lián)一個光伏組件PV ;其中PV的正極與電容C的正極相連，PV的負極與電容C的負極相連；
[0009]每相上橋臂的SMJM1~PMn、L依次串聯(lián)，即SM的正端與直流側(cè)正極相連，SM的負端與PM1正端相連，處于中間的PMn的正端與PMlri的負端相連，PMn的負端與PMlri的正端相連，η = 2,3,…，N-1，PMn負端與L 一端相連，L另一端引出相線；下橋臂L、PM1~ΡΜΝ、SM依次串聯(lián)，即L 一端引出相線，L另一端與PM1正端相連，處于中間的PM1J^正端與PMlri的負端相連，PMn的負端與ΡΜη+1的正端相連，η = 2,3, -,N-1jPMn負端與SM的正端相連，SM的負端與直流側(cè)負極相連；
[0010]所述N由光伏并網(wǎng)系統(tǒng)容量決定，

【權(quán)利要求】
1.一種模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于:米用三相六橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，每相包括上、下兩個橋臂，每個橋臂由I個半橋模塊SM、N個組件模塊PM和I個電感L串接而成，上、下橋臂連接點引出相線；三條相線接入公共電網(wǎng)；所述的N個組件模塊PM為PM1~PMn ; SM由兩個IGBT管Tl~T2、兩個二極管Dl~D2和一個電容C構(gòu)成；其中，IGBT管Tl的發(fā)射極與IGBT管T2的集電極相連并構(gòu)成SM的正端，IGBT管Tl的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T2的發(fā)射極與電容的負極相連并構(gòu)成SM的負端；D1與Tl反向并聯(lián)，D2與T2反向并聯(lián)；IGBT管Tl~T2的門極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)信號； PM由兩個IGBT管T3~T4、兩個二極管D3~D4和一個電容C構(gòu)成；其中，IGBT管T3的發(fā)射極與IGBT管T4的集電極相連并構(gòu)成PM的正端，IGBT管T3的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T4的發(fā)射極與電容的負極相連并構(gòu)成PM的負端；D3與T3反向并聯(lián)，D4與T4反向并聯(lián)；IGBT管T3~T4的門極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)信號；在電容C的兩端并聯(lián)一個光伏組件PV ;其中PV的 正極與電容C的正極相連，PV的負極與電容C的負極相連；每相上橋臂的SMlM1~PMn、L依次串聯(lián)，即SM的正端與直流側(cè)正極相連，SM的負端與PM1正端相連，處于中間的PMn的正端與PMlri的負端相連，PMn的負端與ΡΜη+ι的正端相連，η=2,3,…，N-1，PMn負端與L 一端相連，L另一端引出相線；下橋臂L、PM1~ΡΜΝ、SM依次串聯(lián)，即L 一端引出相線，L另一端與PM1正端相連，處于中間的PMn的正端與PMlri的負端相連，PMn的負端與ΡΜη+1的正端相連，η = 2,3,…，N-1, PMn負端與SM的正端相連，SM的負端與直流側(cè)負極相連； 所述N由光伏并網(wǎng)系統(tǒng)容量決定，
，其中Ptotal為傳輸?shù)目偣β剩琍pv為每個L6尸押」光伏組件的功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于:N= 2。
3.一種模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于:包括(I)組件模塊PM控制方法和(2)冗余半橋模塊SM控制方法； (1)組件模塊PM控制方法為: 每一相上橋臂中的每個組件模塊PM的調(diào)制波表達式為
每一相下橋臂中的每個組件模塊PM的調(diào)制波表達式為
其中Urea為最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)得到的電壓的控制分量，Urea為穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)得到的穩(wěn)壓控制的參考量，%為并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)中下橋臂的電壓參考值，%為并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)中下橋臂的電壓參考值； 將得到的Upjn作為每一相上橋臂中的每個組件模塊PM中IGBT管Tl~T2的門極信號的調(diào)制波；將得到的Unjn作為每一相下橋臂中的每個組件模塊PM中IGBT管的門極信號的調(diào)制波； (2)冗余半橋模塊SM控制方法為: 計算Λ Usm = Uncref- Σ Upv。，其中Λ Usm為冗余模塊的電壓基準值，Ulltof為直流側(cè)電壓設(shè)定值，Σ Uptc為該橋臂所有的組件模塊的輸出電壓之和；Λ Uss^過第二比例調(diào)節(jié)器后，與橋臂電流經(jīng)符號修正后的結(jié)果相乘，得到該相冗余半橋模塊的電壓調(diào)制波Usilref ； 將得到的Usilref作為冗余半橋模塊SM中IGBT管的門極信號的調(diào)制波。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)具體為: 采用擾動觀察法，將擾動步長Λ U作為最大功率跟蹤環(huán)節(jié)的輸入，經(jīng)第一比例調(diào)節(jié)器后與檢測到的橋臂電流經(jīng)符號修正后的結(jié)果相乘，得到電壓的控制分量UrefA。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)具體為: 計算U。，即一相內(nèi)各PM模塊電容電壓與半橋子模塊電壓之和的1/2:
，將Uc與給定的直流側(cè)電壓設(shè)定值UD&ef比較后，經(jīng)第一
PI調(diào)節(jié)器得到環(huán)流參考值i_PMf ；iLoop與i_PMf的差值經(jīng)過第二 PI調(diào)節(jié)器后的輸出作為穩(wěn)壓控制的參考量UMfB ;其中環(huán)流通過測量上下橋臂的電流計算得到,
，其中ip為該相中上橋臂的電流，in為該相中下橋臂的電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)，外環(huán)采用電壓控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制；直流側(cè)電壓設(shè)定值UD&rf與實際值Udc比較后的差值經(jīng)過第三PI調(diào)節(jié)器后得到內(nèi)環(huán)有功電流idMf，無功電流分量i_f設(shè)定為O ;idref與交流側(cè)電流經(jīng)abc/DQ變換得到的有功分量id比較后的差值經(jīng)第四PI調(diào)節(jié)器得到有功電壓基準值Udref ； iqref與交流側(cè)電流經(jīng)abc/DQ變換得到的無功分量i,比較后的差值經(jīng)第五PI調(diào)節(jié)器得到無功電壓基準值Uqref ;然后通過DQ/abc變換輸出三相基本調(diào)制量Upref ；得到上橋臂電壓參考值為，
下橋臂電壓參考值為
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述第二比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kptl = 0.05。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述第一比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp = 0.05。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述第一 PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp1 = 5，積分系數(shù)K11 = 500 ;第二 PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp2 = 5，積分系數(shù)K12 = 100。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模塊化多電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述第三PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp3 = 10，積分系數(shù)K13 = 2000 ;第四PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp4 =.0.6，積分系數(shù)K14 = 600 ;第五PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp5 = 0.6，積分系數(shù)K15 = 600。
【文檔編號】G05F1/67GK104167760SQ201410362336
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】榮飛, 劉誠, 唐慶, 朱斌, 徐業(yè)事 申請人:湖南大學(xué)