一种适用于带储能的混合级联光伏系统的协同调制方法与流程

本发明属于混合级联光伏系统调制技术领域，具体涉及一种适用于带储能的混合级联光伏系统的协同调制方法，适用于分布式或集中式光伏并网系统中，带有一级级联的储能单元的单相或多相的h桥级联型光伏逆变器。

背景技术：

级联多电平逆变器可以通过较小的直流电压和较低的开关频率实现较大的输出电压，在光伏并网系统中的应用十分广泛，常规的h桥级联型光伏逆变器系统，各单元结构功能相同，因此采用统一的载波移相脉冲宽度调制方法可以得到满足并网发电要求的输出电压波形。载波移相脉冲宽度调制方法的做法是每个单元都通过调制波与三角载波的比较得到h桥的开关控制信号(即spwm调制)，但是各单元的三角载波之间有均等的相位差。载波移相脉冲宽度调制方法的特点是，通过三角载波的均匀移相可以将逆变器的等效开关频率提高到2n倍(n为单元数量)，消除等效开关频率以下的低频谐波，但是其前提是所有单元的调制波相同，且直流侧电压相等，否则会出现低频谐波。

但由于光伏电池受到光照强度、温度等的影响而波动很大，会产生较大幅度的功率波动，造成并网运行的不稳定，因此抑制光伏系统的功率波动十分重要。通过在光伏逆变器系统结构中加入一级储能单元，可以在光伏电池发电量有剩余时，将多余电量储存，并在发电功率不足时，向电网输送电能，实现平抑发电功率波动的功能。但由此会出现两种单元的输出调制波不同的情况。因为两种单元是在交流侧串联的，因而具有相同的电流，但是普通光伏单元只发出有功功率，而储能单元可能会吸收或发出无功功率，以及因储能元件充放电而使储能单元吸收或发出有功功率，从而导致两种单元的输出电压在幅值和相位上都产生差异。总之，两种单元的调制波不相同。

另外，储能单元与光伏电池单元的直流侧电压通常不相等。因此，这种结构下，对储能单元和普通光伏单元采用统一的载波移相脉冲宽度调制方法得到的输出电压，其低频谐波含量较大，不能很好地满足并网的电压波形质量要求。鉴于带储能的混合级联光伏系统结构的特殊性，传统的调制方法无法满足输出电压波形质量的要求，因此，需要一种更好的调制方法来达到消除输出电压低频谐波的目的。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种适用于带储能的混合级联光伏系统的协同调制方法，针对带储能单元的混合级联型光伏逆变器结构，解决不同单元间输出电压幅值和相位不同时造成谐波含量升高的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种适用于带储能的混合级联光伏系统的协同调制方法，所述带储能的混合级联光伏系统由储能单元和普通光伏单元组成，其特征在于，对储能单元和普通光伏单元分别采用不同的协同调制方法：对储能单元采用特定谐波消去调制方法，对普通光伏单元采用载波移相的脉冲宽度调制方法，并用普通光伏单元的输出电压补偿储能单元输出电压波形中的低频谐波，从而实现整个光伏系统的协同调制。

进一步地，所述方法包括如下步骤：

步骤1，根据控制器给出的输出电压指令确定储能单元的调制比m1和开关角的数量；

步骤2，通过特定谐波消去调制方法计算得出满足约束条件的具体开关角度值，形成储能单元的输出逆变桥开关控制信号；

步骤3，根据储能单元使用特定谐波消去调制方法得到的输出电压波形的傅立叶级数展开式，计算需要补偿的谐波波形瞬时值，并计算普通光伏单元调制比m2的取值范围；

步骤4，将得出的谐波波形瞬时值乘以-1之后，加入到普通光伏单元的调制波中；

步骤5，通过载波移相的脉冲宽度调制方法得出普通光伏单元的输出逆变桥的开关控制信号。

进一步地，步骤1中，光伏系统的性能与开关角的数量有直接关系，开关角的数量越多，储能单元的特定谐波消去调制方法所得到的电压波形的低次谐波含量越少，需要普通光伏单元补偿的谐波越少，普通光伏单元的调制比m2取值范围就越大。

进一步优选地，调制比m1的取值范围为[0，1]，开关角的取值为3个，可以在满足调制比m1的同时实现输出电压中的3次、5次谐波的完全消除。

进一步地，步骤2中，约束条件包括：开关角的范围在0°到90°之间，并按从小到大的顺序排列。

进一步地，步骤2中，储能单元的输出逆变桥开关控制信号由双极性脉冲宽度调制得到。

进一步地，步骤3中，普通光伏单元调制比m2的取值范围由公式得出，其中，h为步骤3利用傅立叶级数展开式计算的储能单元的输出电压波形含有的谐波值所对应的调制比，vdc1为储能单元直流侧电压，vdc2为普通光伏单元的直流侧电压之和。

进一步地，步骤5中，载波移相的脉冲宽度调制方法的载波为三角波，各普通光伏单元的三角载波移相角度间隔为其中n为采用载波移相调制方法的单元个数，各普通光伏单元使用调制波与三角载波生成开关控制信号的方法是单极性倍频脉冲宽度调制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明可实现在混合级联光伏系统中，当储能单元和光伏单元的输出电压幅值不同、相位差为任意值时都能消除低频谐波，获得良好的输出波形质量。

2.本发明在组成逆变器的储能单元和光伏单元分别采用不同的h逆变桥开关控制信号生成方法，即储能单元采用特定谐波消去法，而在所有的光伏单元采用载波移相的脉冲宽度调制方法，并且用光伏单元的输出电压补偿储能单元的输出电压中没有被消去的谐波。

3.与所有单元统一使用载波移相的脉冲宽度调制方法相比，能有效消除低次谐波，降低功率器件的开关损耗，使得输出电压波形质量较高。

4.本发明所提出的方法计算简单，既适用于单相系统也适用于三相系统。

附图说明

图1是带储能的混合级联光伏系统结构图。

图2是光伏系统协同调制流程图。

图3是消除两种谐波的特定谐波消去法原理图。

图4是三个光伏单元级联的载波移相原理图。

图5是单个h桥逆变器实现单极性倍频脉冲宽度调制方法的框图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，带储能的混合级联光伏系统由储能单元和普通光伏单元组成，其中储能单元由储能元件和h桥逆变器组成，普通光伏单元则由光伏电池和h桥逆变器组成，两种单元的结构和直流侧电压都不同，数量也不等。本发明以一个储能单元和多个普通光伏单元级联的光伏逆变器为例，两种单元输出电压的幅值和相位均可能不同，在储能单元采用特定谐波消去调制方法，在普通光伏单元采用载波移相脉冲宽度调制方法，达到消除总输出电压中的低频谐波的目的。

本发明的协同调制方法是为了实现在不同单元采用不同的调制方法。如图2所示，本发明的实现包括以下步骤：

步骤1：根据控制器给出的输出电压指令确定储能单元的调制比m1和开关角个数。逆变器的系统性能与开关角的数量有直接关系，通常情况下，开关角的数量越多，可抵消的谐波的频率越多，总的谐波含量也就越少。本实施方法以求解3个开关角为例，调制比m1的取值范围为[0，1]。取3个开关角，可以在满足输出基波调制比m1的同时实现输出电压中的3次、5次谐波的完全消除(1次就是以电网频率为频率基准的基波，且逆变器系统不会产生偶次电压谐波)。

如图3所示，采用特定谐波消去调制方法时，假定直流母线电压为vdc，在若其导通和关断时刻处在α1、α2、α3等特定角度上时，输出电压的波形具有1/4周波对称和奇对称的特征，其输出电压的傅里叶分解表达式为：

式中n为谐波次数。通过公式推导可以得出vn的通用表达式：

当vn＝0时，意味着可以消去输出电压中对应的第n次谐波，因此由3个独立的开关角度得到三个独立的方程，通过精确计算可以调节输出电压基波的幅值，还可以消除3次和5次谐波。根据调制比m1，可以得到所需要求解的方程组：

步骤2：通过计算得出满足约束条件的具体开关角度值，形成储能单元h桥逆变器的开关控制信号，约束条件包括开关角的范围在0°到90°之间，并按从小到大的顺序排列，即0＜α1＜α2＜α3＜90°。若开关角的求取不满足约束条件，则返回到步骤1，重新计算。

如图3所示，储能单元h桥逆变器的开关控制信号由双极性脉冲宽度调制得到：即零时刻开关s2和s3导通，s1和s4关断；当储能单元调制波角度为α1时，s1和s4导通，s2和s3关断；当储能单元调制波角度为α2时，s2和s3导通，s1和s4关断；当储能单元调制波角度为α3时，s1和s4导通，s2和s3关断；当储能单元调制波角度为π-α3时，s2和s3导通，s1和s4关断；当储能单元调制波角度为π-α2时，s1和s4导通，s2和s3关断；当储能单元调制波角度为π-α1时，s2和s3导通，s1和s4关断，直到调制波角度为π时。从π到2π的开关控制过程与从0到π的过程类似。

步骤3：根据储能单元输出电压波形的傅立叶级数展开式，计算需要补偿的谐波含量值，并计算普通单元调制比的取值范围。普通光伏单元的调制比m2由下式得出：

其中，h为利用傅立叶级数展开式得到的储能单元的输出电压波形含有的谐波值所对应的调制比，vdc1为储能单元直流侧电压，vdc2为普通光伏单元的直流侧电压之和。

步骤4：将得出的谐波含量值乘以-1加入到普通单元的调制波中。

步骤5：通过载波移相脉冲宽度调制方法得出普通单元h桥逆变器的开关控制信号。如图4所示，普通单元采用载波移相调制方法时，各单元的调制波相同，各单元载波移相角度也相同，该角度大小为n为采用载波移相调制方法的光伏单元个数。不同单元逆变器的开关控制信号由各单元的调制波和载波通过单极性倍频脉冲宽度调制方法得到，且相互独立。

单极性倍频脉冲宽度调制方法如图5所示。当调制波大于等于三角载波时，图1中所示普通光伏单元h桥的s1开关控制信号为高电平，s1导通，s2开关控制信号为低电平，s2关断，反之则s1关断，s2导通；当调制波大于等于经过反向180°的三角载波时，s3关断，s4导通，反之则s3导通，s4关断。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。