一种模块化多电平光伏并网系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化多电平光伏并网系统及其控制方法。采用三相六桥臂拓扑结构，每个桥臂由一个半桥模块SM、N个组件模块PM、一个电感L串联组成。SM由两个IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2和一个电容C构成；PM是在SM基础上在电容C两端并联一个光伏组件PV。其控制方法包括最大功率跟踪控制、冗余模块控制、稳压控制和并网控制。本发明能实现局部阴影下逆变器的可靠工作和光伏组件的最大功率跟踪，模块化多电平结构减少了电容应力和逆变输出谐波含量，无需直流变换电路，通过控制方法实现每个PV组件的最大功率跟踪，比起常规的阵列全局最大功率控制方法，提高了输出功率，减少了硬件投入。
【专利说明】一种模块化多电平光伏并网系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及分布式电源，特别涉及一种模块化多电平光伏并网系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]当今世界，能源问题日益突出。寻求新能源来取代日益减少的化石燃料，已成为能源发展的必然趋势。在所有的新能源发电当中，太阳能发电地位突出，优势明显。太阳能是取之不尽用之不竭的能源，且储量巨大，没有开采和运输环节，太阳能发电清洁无污染，不排放废气，对环保有利。在能源危机即将爆发，环境逐渐恶化的今天，太阳能发电技术具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
[0003]光伏发电是太阳能的重要利用方式，是一种分布式能源，得到人们的光伏关注。光伏并网技术已经成为了光伏领域的研究热点。在光伏并网应用中，提高光伏转换效率和逆变输出波形质量，对光伏并网系统的发展具有重要意义。光伏组件功率较小，难以大范围应用。光伏阵列常常处于复杂的环境中，在阴影条件下时，易导致阵列功率失配，输出效率下降，常规最大功率控制方法失效，而全局最大功率控制方法复杂，会使成本上升。传统两电平逆变器容量小，开关器件承受电压、电流较大，直流电容应力大，且输出谐波含量大，滤波困难。采用直流模块式光伏系统时，虽然抗阴影能力增强，但仍采用常规逆变器，效果不佳。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决现有技术中，获得光伏组件的最大功率，提高局部阴影条件下光伏系统的输出功率和逆变器的可靠性，减小逆变输出谐波含量的问题；同时省略直流变换电路，通过控制方法实现每个PV组件的最大功率跟踪，减少硬件投入。
[0005]本发明所采用的技术方案为:
[0006]一种模块化多电平光伏并网系统，采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由I个半桥模块SM、N个组件模块PM和I个电感L串接而成，上、下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；所述的N个组件模块PM为PM1?PMn ；
[0007]SM由两个IGBT管Tl?T2、两个二极管Dl?D2和一个电容C构成；其中，IGBT管Tl的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成SM的正端，IGBT管Tl的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T2的发射极与电容的负极相连并构成SM的负端；D1与Tl反向并联，D2与T2反向并联；【反向并联是指IGBT管的发射极和二极管的正极连接，IGBT管的集电极和二极管的负极连接】;IGBT管Tl?T2的门极均接收外部设备提供的开关信号；
[0008]PM由两个IGBT管T3?T4、两个二极管D3?D4和一个电容C构成；其中，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的集电极相连并构成PM的正端，IGBT管T3的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T4的发射极与电容的负极相连并构成PM的负端；D3与T3反向并联，D4与T4反向并联；IGBT管T3?T4的门极均接收外部设备提供的开关信号；在电容C的两端并联一个光伏组件PV ;其中PV的正极与电容C的正极相连，PV的负极与电容C的负极相连；
[0009]每相上桥臂的SMJM1~PMn、L依次串联，即SM的正端与直流侧正极相连，SM的负端与PM1正端相连，处于中间的PMn的正端与PMlri的负端相连，PMn的负端与PMlri的正端相连，η = 2,3,…，N-1，PMn负端与L 一端相连，L另一端引出相线；下桥臂L、PM1~ΡΜΝ、SM依次串联，即L 一端引出相线，L另一端与PM1正端相连，处于中间的PM1J^正端与PMlri的负端相连，PMn的负端与ΡΜη+1的正端相连，η = 2,3, -,N-1jPMn负端与SM的正端相连，SM的负端与直流侧负极相连；
[0010]所述N由光伏并网系统容量决定，
【权利要求】
1.一种模块化多电平光伏并网系统,其特征在于:米用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由I个半桥模块SM、N个组件模块PM和I个电感L串接而成，上、下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；所述的N个组件模块PM为PM1~PMn ; SM由两个IGBT管Tl~T2、两个二极管Dl~D2和一个电容C构成；其中，IGBT管Tl的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成SM的正端，IGBT管Tl的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T2的发射极与电容的负极相连并构成SM的负端；D1与Tl反向并联，D2与T2反向并联；IGBT管Tl~T2的门极均接收外部设备提供的开关信号； PM由两个IGBT管T3~T4、两个二极管D3~D4和一个电容C构成；其中，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的集电极相连并构成PM的正端，IGBT管T3的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T4的发射极与电容的负极相连并构成PM的负端；D3与T3反向并联，D4与T4反向并联；IGBT管T3~T4的门极均接收外部设备提供的开关信号；在电容C的两端并联一个光伏组件PV ;其中PV的 正极与电容C的正极相连，PV的负极与电容C的负极相连；每相上桥臂的SMlM1~PMn、L依次串联，即SM的正端与直流侧正极相连，SM的负端与PM1正端相连，处于中间的PMn的正端与PMlri的负端相连，PMn的负端与ΡΜη+ι的正端相连，η=2,3,…，N-1，PMn负端与L 一端相连，L另一端引出相线；下桥臂L、PM1~ΡΜΝ、SM依次串联，即L 一端引出相线，L另一端与PM1正端相连，处于中间的PMn的正端与PMlri的负端相连，PMn的负端与ΡΜη+1的正端相连，η = 2,3,…，N-1, PMn负端与SM的正端相连，SM的负端与直流侧负极相连； 所述N由光伏并网系统容量决定，
，其中Ptotal为传输的总功率，Ppv为每个L6尸押」光伏组件的功率。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平光伏并网系统，其特征在于:N= 2。
3.一种模块化多电平光伏并网系统控制方法，其特征在于:包括(I)组件模块PM控制方法和(2)冗余半桥模块SM控制方法； (1)组件模块PM控制方法为: 每一相上桥臂中的每个组件模块PM的调制波表达式为
每一相下桥臂中的每个组件模块PM的调制波表达式为
其中Urea为最大功率跟踪控制环节得到的电压的控制分量，Urea为稳压控制环节得到的稳压控制的参考量，%为并网控制环节中下桥臂的电压参考值，%为并网控制环节中下桥臂的电压参考值； 将得到的Upjn作为每一相上桥臂中的每个组件模块PM中IGBT管Tl~T2的门极信号的调制波；将得到的Unjn作为每一相下桥臂中的每个组件模块PM中IGBT管的门极信号的调制波； (2)冗余半桥模块SM控制方法为: 计算Λ Usm = Uncref- Σ Upv。，其中Λ Usm为冗余模块的电压基准值，Ulltof为直流侧电压设定值，Σ Uptc为该桥臂所有的组件模块的输出电压之和；Λ Uss^过第二比例调节器后，与桥臂电流经符号修正后的结果相乘，得到该相冗余半桥模块的电压调制波Usilref ； 将得到的Usilref作为冗余半桥模块SM中IGBT管的门极信号的调制波。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平光伏并网系统控制方法，其特征在于:所述最大功率跟踪控制环节具体为: 采用扰动观察法，将扰动步长Λ U作为最大功率跟踪环节的输入，经第一比例调节器后与检测到的桥臂电流经符号修正后的结果相乘，得到电压的控制分量UrefA。
5.根据权利要求3所述的模块化多电平光伏并网系统控制方法，其特征在于:所述稳压控制环节具体为: 计算U。，即一相内各PM模块电容电压与半桥子模块电压之和的1/2:
，将Uc与给定的直流侧电压设定值UD&ef比较后，经第一
PI调节器得到环流参考值i_PMf ；iLoop与i_PMf的差值经过第二 PI调节器后的输出作为稳压控制的参考量UMfB ;其中环流通过测量上下桥臂的电流计算得到,
，其中ip为该相中上桥臂的电流，in为该相中下桥臂的电流。
6.根据权利要求3所述的模块化多电平光伏并网系统控制方法，其特征在于:所述并网控制环节，外环采用电压控制，内环采用电流控制；直流侧电压设定值UD&rf与实际值Udc比较后的差值经过第三PI调节器后得到内环有功电流idMf，无功电流分量i_f设定为O ;idref与交流侧电流经abc/DQ变换得到的有功分量id比较后的差值经第四PI调节器得到有功电压基准值Udref ； iqref与交流侧电流经abc/DQ变换得到的无功分量i,比较后的差值经第五PI调节器得到无功电压基准值Uqref ;然后通过DQ/abc变换输出三相基本调制量Upref ；得到上桥臂电压参考值为，
下桥臂电压参考值为
7.根据权利要求3所述的模块化多电平光伏并网系统控制方法，其特征在于:所述第二比例调节器的比例系数Kptl = 0.05。
8.根据权利要求4所述的模块化多电平光伏并网系统控制方法，其特征在于:所述第一比例调节器的比例系数Kp = 0.05。
9.根据权利要求5所述的模块化多电平光伏并网系统控制方法，其特征在于:所述第一 PI调节器的比例系数Kp1 = 5，积分系数K11 = 500 ;第二 PI调节器的比例系数Kp2 = 5，积分系数K12 = 100。
10.根据权利要求6所述的模块化多电平光伏并网系统控制方法，其特征在于:所述第三PI调节器的比例系数Kp3 = 10，积分系数K13 = 2000 ;第四PI调节器的比例系数Kp4 =.0.6，积分系数K14 = 600 ;第五PI调节器的比例系数Kp5 = 0.6，积分系数K15 = 600。
【文档编号】G05F1/67GK104167760SQ201410362336
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】荣飞, 刘诚, 唐庆, 朱斌, 徐业事 申请人:湖南大学