基于模块功率差异的准Z源级联逆变器系统的控制方法与流程

本发明涉及光伏技术领域，特别是涉及一种基于模块功率差异的准z源级联逆变器系统的控制方法。

背景技术：

随着光伏民用化程度的加深，以分布式发电方式入网的光伏系统越来越多，也更加靠近用户侧。“经济、可靠、安全、易用”是对分布式光伏发电系统综合性能提出的进一步要求。将级联h桥逆变器用于分布式光伏并网发电系统时具有诸多优点，如：模块化设计、可进行独立直流母线电压控制和分布式最大功率点跟踪、可用较低电压等级的功率器件实现无变压器并网等等。目前一种全新的思路是：在级联h桥逆变器的h桥与光伏输入之间加入准z源阻抗网络构成准z源级联多电平逆变器。该逆变器除继承前述优点外还具有维持直流母线电压恒定、减少开关使用数量和变流级数、emi干扰完全免疫的优点。

将准z源级联多电平逆变器应用于分布式光伏并网发电系统时具有新的实际问题。目前的研究主要集中在阻抗参数设计、调制方法以及并网控制策略方面，未考虑实际分布式系统中模块间的输出功率差异问题。当模块输出功率差异较大时采用现有并网控制方法会产生并网电流畸变，严重时系统将无法稳定运行。这是由于准z源级联多电平逆变器模块是基于对开关管零状态的复用来实现单级系统升压和逆变功能，因此模块输入电压、直流母线电压与系统整体输出功率、电压具有强耦合关系，会出现互相制约的情况。因此研究分布式系统中模块间功率差异以指导系统参数设计、整定系统运行范围对维持准z源级联多电平逆变系统的稳定协调运行具有关键作用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种将准z源级联多电平逆变器应用于分布式发电系统时，基于模块功率差异的准z源级联逆变器系统的控制方法，该方法考虑模块间功率差异的系统参数设计及自动功率平衡mppt控制方法。

所述控制方法所应用的系统由n个独立光伏电池、n个准z源h桥逆变器模块、滤波器以及交流电网组成，所述n为整数，其特征在于，包括系统参数确定步骤、自动功率平衡的mppt控制步骤。

所述系统参数确定步骤用于根据系统里各个准z源逆变器模块之间的功率差异性确定系统参数。

所述自动功率平衡的mppt控制步骤用于根据准z源h桥逆变器模块的调制信号有效值对系统进行控制，防止系统输出电压出现畸变。

进一步的，所述系统参数包括准z源逆变器模块数、直流母线参考电压。

进一步的，所述自动功率平衡的mppt控制步骤利用了变步长扰动观察法、输出功率比值约束回路。

进一步的，所述系统的参数确定步骤包括如下步骤：

步骤一：确定系统并网电压。

步骤二：根据光伏电池特性，确定模块的最低输入电压和最大直通占空比。

步骤三：根据设计要求或者现场光照不均匀度测试，确定系统可运行的模块功率差异性。

步骤四：确定所述系统的直流母线参考电压，其选取选取条件为：

式中：v^*dc为直流母线电压参考值，vg为电网电压的有效值。β为模块功率差异度，为模块最大输出功率与最小输出功率的比值。d0为准z源h桥逆变器模块最大直通占空比；n为级联模块数。vpvmin为光伏电池的最低输入电压。

级联模块数的选取条件为：

式中：n为级联模块数。v^*dc为直流母线电压参考值，vg为电网电压的有效值。β为模块功率差异度，为模块最大输出功率与最小输出功率的比值。d0为准z源h桥逆变器模块最大直通占空比；。vpvmin为光伏电池的最小输入电压。

所述系统的自动功率平衡的mppt控制步骤包括如下步骤：

步骤一：判断待判断准z源h桥逆变器模块的调制信号有效值，若满足条件进行步骤二，否则直接进行步骤三。其中mrmsi为模块i调制信号的有效值，d0为模块最大直通占空比。

步骤二：判断两次扰动的功率差值大于ε时，以大步长扰动，否则以小步长扰动，光伏电池输出电压参考值可表示为：

式中：v*pvt(k+1)为第k+1次采样的光伏电池输出电压参考值，v*pvt(k)为第k次采样的光伏电池输出电压参考值。vstep,max为最大扰动电压步长，vstep,min为最小扰动电压步长。

步骤三：利用比例调节器，对光伏电池输入电压参考值进行如下调节：

式中：kp为扰动步长系数。v*pvt(k+1)为第k+1次采样的光伏电池输出电压参考值，v*pvt(k)为第k次采样的光伏电池输出电压参考值。

步骤四：返回步骤一。

本发明着力解决准z源级联多电平逆变器的模块功率差异问题，所具有的技术效果为：

(1)定义模块功率差异度，给出差异度与级联模块数、直流母线电压的量化关系，若不满足该量化关系，则输出并网电流将出现畸变。

(2)本发明基于自动功率平衡的mppt算法，对不满足比值约束条件的模块进行降额运行，实现当模块功率差异度较大时仍能维持无畸变的输出波形。

附图说明

图1为单相准z源级联多电平逆变器拓扑结构。

图2为准z源级联多电平逆变器非直通状态下的等效电路图。

图3为系统的参数确定步骤。

图4为mppt算法控制框图。

具体实施方式

本发明所述控制方法应用于基于模块功率差异的准z源级联逆变器系统。所述系统由n个独立光伏电池、n个准z源h桥逆变器模块、滤波器以及交流电网组成，所述n为整数。

所述方法包括系统参数确定步骤、自动功率平衡的mppt控制步骤。

所述系统参数确定步骤用于根据系统里各个准z源逆变器模块之间的功率差异性确定系统参数。

所述自动功率平衡的mppt控制步骤用于根据准z源h桥逆变器模块的调制信号有效值对系统进行控制，防止系统输出电压出现畸变。

在对上面两个步骤进行说明之前，首先介绍准z源级联多电平逆变器的原理。

图1示出了单相准z源级联多电平逆变器的拓扑结构，系统由n个独立光伏电池、n个准z源h桥逆变器模块、滤波器以及交流电网组成。准z源h桥逆变器模块存在直通与非直通两种工作状态，在直通状态下准z源网络储能，以抬升直流母线电压，非直通状态下进行dc-ac变换。对第i个准z源h桥逆变器模块，稳态时有：

式中：d0i、bi、vpvi、vdci分别为第i个准z源h桥逆变器模块的直通占空比、升压比、光伏输入电压以及h桥直流母线电压，i＝1,2,...n。

非直通时，准z源级联多电平逆变器的运行状态与传统级联h桥逆变器类似，其输出合成电压vh为n个串联准z源h桥逆变器模块输出电压之和：

式中：vhi为第i个变流模块输出电压,si∈{-1,0,1}为第i个模块开关函数。

将准z源等效为升压比为bi的直流变压器，可得准z源级联多电平逆变器的等效电路如图2所示。设模块i的调制波为mi＝misin(ωt+θ)，mi为调制比，θ为初始相位。根据pwm面积等效原理，准z源h桥逆变器模块i的输出电压基波veoi为：

veoi＝vdcimi(3)

设电网电压vg与并网电流ig为标准正弦波，由于中小功率光伏发电系统一般不向电网提供无功，因此vg与ig的相位差为零，有：

式中：vg、ig为电网电压与并网电流的有效值，ω为电网电压角频率。根据如图2所示的等效电路图，可得电网侧的回路电压方程为：

忽略功率器件的损耗以及光伏输入电流、电压的二倍频波动，稳态时准z源级联多电平逆变器系统输入输出能量守恒，即一个正弦周期ts内，单个准z源h桥逆变器模块的输入、输出能量守恒以及所有模块的输出总能量与并网吸收能量守恒，也即平均功率守恒。可推导出：

式中：pi为第i个准z源h桥逆变器模块的平均输出功率，ptotal为所有准z源h桥逆变器模块的总平均输出功率，也即准z源级联多电平逆变器系统的并网平均功率，vdci为模块i的直流母线电压幅值，由式(6)可以得出：

即单个模块功率与系统总功率之比等于单模块输出电压有效值与电网电压有效值之比。已知准z源级联多电平逆变器闭环控制原则如下：(1)各模块直流电压相等，即vdc1＝…＝vdci＝…＝vdcn＝v^*dc，v^*dc为直流电压参考值；(2)各模块直通占空比0≤d0i≤d0，d0为模块最大直通占空比。由于准z源h桥逆变器模块在单级系统实现升压与逆变的实质是对pwm开关信号零状态的复用，为保证直通状态对逆变有效状态不产生影响，mi需满足关系式：

mi≤1-d0(8)

结合式(7)(8)，可得出：

定义式(9)为准z源级联多电平逆变器系统的输出功率比值约束条件。稳态时vdci＝v^*dc，因此由式(9)可知单个模块功率与系统总功率之比最大值已由整定电压参考值和最大直通占空比确定。由式(7)可知，输出功率比值与调制比正相关，当模块i的功率对系统总功率的占比增加时，闭环控制器将增大mi以增加该模块的输出功率。但是当pi/ptotal超出式(9)的约束条件时，mi将被限幅于1-d0，出现过调制状态，进而导致非稳定工作状态。

下面结合图3、图4对两个步骤的原理分别进行说明。

1.系统参数确定步骤

设准z源级联多电平逆变器系统中模块的最大输出功率为ph，最小输出功率为pl。当模块i输出为最大，而其余模块输出为最小时，输出功率比值有最大值：

式中：ph＝βpl，β称为模块功率差异度，为模块最大输出功率与最小输出功率的比值。

结合式(9)，可得v^*dc的取值范围为：

设光伏电池的最小输入电压为vpvmin，结合式(1)非直通时准z源的升压关系式，当d0i取最大值d0时，v^*dc的取值范围为：

结合式(11)(12)可得

式中：v^*dc为直流母线电压参考值，vg为电网电压的有效值；β为模块功率差异度，为模块最大输出功率与最小输出功率的比值；d0为准z源h桥逆变器模块最大直通占空比；n为级联模块数；vpvmin为光伏电池的最低输入电压；

即直流母线电压参考值应根据式(13)整定。进一步，可得出级联模块数n的选取原则：

式中：n为级联模块数；v^*dc为直流母线电压参考值，vg为电网电压的有效值；β为模块功率差异度，为模块最大输出功率与最小输出功率的比值；d0为准z源h桥逆变器模块最大直通占空比；；vpvmin为光伏电池的最小输入电压。

2.自动功率平衡的mppt控制步骤

传统mppt控制的目的是使光伏电池以最大功率输出能量。然而，当实际系统中功率差异度超出设计范围后，需令输出功率比值超限的模块退出mppt进行降额运行，以达到降低功率差异度，避免输出畸变的目的。基于此，本发明提出自动功率平衡的mppt算法，将式(7)代入式(9)，可得算法选择判据为：

即1)：当模块i调制信号的有效值mrmsi小于时，说明该模块满足输出功率比值约束条件，此时输出功率约束回路不起作用，保持传统的变步长扰动观测法。具体为：当两次扰动的功率差值大于ε时，以大步长扰动，否则以小步长扰动。光伏电池输入电压参考可表示为：

式中：v*pvi(k+1)为第k+1次采样的光伏电池输出电压参考值，v*pvi(k)为第k次采样的光伏电池输出电压参考值；vstep,max为最大扰动电压步长，vstep,min为最小扰动电压步长。

2)：当模块i调制信号的有效值大于时，该模块不满足输出功率比值约束条件，此时输出功率约束回路使能。该回路通过不断增加输入电压参考值来降低模块的输出功率。为了提高模块输出功率比值重新满足约束条件的速度，引入比例调节器。光伏电池输入电压参考可表示为：

式中：kp为扰动步长系数；v*pvi(k+1)为第k+1次采样的光伏电池输出电压参考值，v*pvi(k)为第k次采样的光伏电池输出电压参考值。当外部光照减弱使模块的输出功率降低而满足约束条件时，约束回路失效，模块重新回到变步长扰动。