专利名称：一种准-z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统及控制方法。
背景技术：
光伏发电清洁环保、储量丰富、安全可靠，是最具前景的新能源之一。应用于光伏发电系统中的功率变换器拓扑结构，主要体现为单级或两级、两电平或多电平的特点。其中，级联式多电平逆变器具有诸多优点，主要体现在可实现下列目标1)无变压器；2)输出电压谐波小；3)减小或省略输出端的滤波器；4)分布式最大功率跟踪(MPPT) ；5)易于模块化。因而，将级联式多电平逆变器应用于光伏发电系统日益成为研究的热点。然而，由于光 伏电池电压的宽范围变化，传统级联多电平逆变系统在光伏应用中存在以下问题首先，系统的不同模块间存在直流母线电压不平衡的问题；其次，系统在设计时需要倍增逆变器的容量。如果在每个模块引入DC/DC变换器，可控制直流母线电压平衡，并最小化逆变器容量，但是将导致系统的费用增加、效率降低。Z-源和准Z-源逆变器以单级功率变换的形式，实现升/降压和逆变的功能，可以适应光伏电池电压的宽范围变化。应用其设计光伏逆变器时，不但可以实现最小化逆变器容量，而且费用、效率和可靠性都将得到改善。论文[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.]将 Z-源逆变器和级联H桥结合，采用新的GaN器件，构成了 IMHz开关频率的光伏逆变器。论文分析了系统效率以及参数设计方法，但是没有提及控制方法。专利2010102348660公开了一种储能型级联多电平光伏并网发电控制系统，可实现分布式最大功率跟踪，最大限度地收集太阳能，效率高，避免了光伏电池串联时局部阴影导致的功率损失和热斑问题；具有多电平逆变的优点，输出电压谐波低，且适合高压大功率、无变压器并网。但是，该发明没有公开具体的控制细节，比如，如何进行脉宽调制，以对所有准Z-源逆变器模块进行独立控制，如何实现各模块的分布式最大功率跟踪，如何保持各模块直流母线电压平衡控制等等。
发明内容
为了解决以上问题，本发明公开了一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法，所述并网发电系统由2个以上准-Z源光伏发电模块级联组成；所述的每一个准-Z源光伏发电模块包括四只IGBT，二极管D，第一电解电容、第二电解电容，第一电感、第二电感，光伏电池；其中，所述四只IGBT连接为一个H桥逆变器，所述第二电解电容跨接于二极管D的阳极和H桥逆变器正极间，且所述第二电解电容的正极与H桥逆变器正极相连；二极管D的阴极与所述第一电解电容的正极、所述第二电感相连；所述第二电感的另一端连接于H桥逆变器正极；第一电解电容的负极与H桥逆变器负极相连；第一电感的一端与光伏电池相连，另一端与第二电解电容的负极相连；所述第一个准-Z源光伏发电模块的H桥逆变器左臂中间通过滤波电感连接到电网一端，电网的另一端连接到H桥逆变器右桥臂中间。一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，包括改进型载波移相SPWM调制步骤、分布式MPPT控制和各直流母线电压控制步骤及并网功率控制步骤。进一步，作为一种优选，所述的改进型载波移相SPWM调制步骤，包括以第j个模块为例子，将第j个模块H桥的左、右桥臂看作两个功率单元，左桥臂的三角载波为S1, j,右桥臂的三角载波为S2,j, S1, j与S2,j之间的移相角为180° ,该H桥的左、右桥臂米用同一个正弦波Hij进行调制；假设单元j的准-Z源H桥逆变器在工作过程中的直通量为Dj，那么，在调制过程中需要增加一对正负直通量参考值，分别为I-Dj和Dj-I,当三角载波大于I-Dj或 小于Dj-I时，对应桥臂的上、下开关管同时开通，此时该H桥处于直通状态，该直通状态被加到传统零矢量区间内，在直通区间内，H桥输出电压仍为0，不会改变H桥的输出电平，因此，准-Z源H桥单元j的输出电压为3电平，n个模块级联，相邻模块间的载波相移为/n，总的输出相电压为(2n+l)电平。进一步，作为一种优选，所述的分布式MPPT控制和各直流母线电压控制，包括每个准-Z源光伏发电模块的MPPT控制，以及每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制。进一步，作为一种优选，所述的每个准-Z源光伏发电模块MPPT控制，包括对每个准-Z源光伏发电模块，采用扰动观察法MPPT算法，调节该模块的直通占空比&，跟踪其光伏电池的最大功率点；各模块光伏电池的MPPT控制相互解耦，即使它们的工作点不同，也不会产生相互影响。进一步，作为一种优选，所述的每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制，包括对于每个准-Z源光伏发电模块，用电压传感器采集准-Z源网络中的第一电容电
压Va和第二电容电压Ve2，二者相加，得到直流母线电压峰值"^!^/将"Ppn7.与设定的参考值
铲PNj 作比较，得到误差ej，经过PI调节器后，输出该模块的功率参考值P%，为了各模块电压平衡，设定rp-为同一数值，但是各模块输出的会有差异，与各模块光伏电池最大功率点时的光伏功率相关，P*」为每个模块并网功率参考值，其将被输入到并网功率控制器中，参与总的并网功率控制。进一步，作为一种优选，所述的并网功率控制，包括并网功率等于各个模块光伏
n
电池功率的总和，所以，总的并网功率参考值为由于各模块的级联结构，每
J=I
,
个模块注入电网的电流相同，电网电流的峰值为iid =式中，^ 为电网相电压
vgridgrid
有效值；实时检测电网的电压，采用锁相环技术，得到电网电压的相位，应用电网电压相位和电网电流峰值，经过三角函数，得到并网电流的期望值rgHd，将并网电流实际值i#id与i*grid作比较，经过PI调节器，得到该准-Z源级联多电平单相光伏发电逆变器的期望电压Vtotal，该电压信号将用于产生级联系统中每个模块的调制度nv j=l，2，...，n，由于每个模
Jrf
块提供的并网功率不同，定义各模块所提供功率的比例系数为《；.= +，j = l，2，...，n，
权利要求
1.一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，所述并网发电系统由2个以上准-Z源光伏发电模块级联组成；所述的每一个准-Z源光伏发电模块包括四只IGBT，二极管D，第一电解电容、第二电解电容，第一电感、第二电感，光伏电池；其中，所述四只IGBT连接为一个H桥逆变器，所述第二电解电容跨接于二极管D的阳极和H桥逆变器正极间，且所述第二电解电容的正极与H桥逆变器正极相连；二极管D的阴极与所述第一电解电容的正极、所述第二电感相连；所述第二电感的另一端连接于H桥逆变器正极；第一电解电容的负极与H桥逆变器负极相连；第一电感的一端与光伏电池相连,另一端与第二电解电容的负极相连；所述第一个准-Z源光伏发电模块的H桥逆变器左桥臂中间通过滤波电感连接到电网一端，电网的另一端连接到H桥逆变器右桥臂中间； 其特征在于，包括改进型载波移相SPWM调制步骤、分布式MPPT控制和各直流母线电压控制步骤及并网功率控制步骤。
2.如权利要求I所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的改进型载波移相SPWM调制步骤，包括以第j个模块为例子，将第j个模块H桥的左、右桥臂看作两个功率单元，左桥臂的三角载波为Sm,右桥臂的三角载波为S2,」，Shj与S2, j之间的移相角为180°，该H桥的左、右桥臂采用同一个正弦波进行调制；假设单元j的准-Z源H桥逆变器在工作过程中的直通量为Dj，那么，在调制过程中需要增加一对正负直通量参考值，分别为I-Dj和Dj-I,当三角载波大于I-Dj或小于Dj-I时，对应桥臂的上、下开关管同时开通，此时该H桥处于直通状态，该直通状态被加到传统零矢量区间内，在直通区间内，H桥输出电压仍为0，不会改变H桥的输出电平，因此，准-Z源H桥单元j的输出电压为3电平，n个模块级联，相邻模块间的载波相移为n/n，总的输出相电压为(2n+l)电平。
3.如权利要求I所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的分布式MPPT控制和各直流母线电压控制，包括每个准-Z源光伏发电模块的MPPT控制，以及每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制。
4.如权利要求3所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的每个准-Z源光伏发电模块MPPT控制，包括对每个准-Z源光伏发电模块，采用扰动观察法MPPT算法，调节该模块的直通占空比Dp跟踪其光伏电池的最大功率点；各模块光伏电池的MPPT控制相互解耦，即使它们的工作点不同，也不会产生相互影响。
5.如权利要求3所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的每个准-Z源光伏发电模块的直流母线电压平衡控制，包括对于每个准-Z源光伏发电模块，用电压传感器采集准-Z源网络中的第一电容电压Va和第二电容电压Vc2，二者相加，得到直流母线电压峰值^PN/。将胃与设定的参考值fV胃作比较，得到误差4，经过PI调节器后，输出该模块的功率参考值P、为了各模块电压平衡，设定沪PNj 为同一数值，但是各模块输出的会有差异，与各模块光伏电池最大功率点时的光伏功率相关，P*j为每个模块并网功率参考值，其将被输入到并网功率控制器中，参与总的并网功率控制。
6.如权利要求2所述一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统控制方法，其特征在于，所述的并网功率控制，包括并网功率等于各个模块光伏电池功率的总和，所以，总的并网功率参考值力
全文摘要
本发明公开了一种准-Z源级联多电平单相光伏并网发电系统的控制方法，每块光伏电池配以独立的准-Z源逆变器作为一个发电模块，若干个这样的模块串联构成准-Z源级联多电平单相光伏发电系统，集合了准-Z源逆变器和级联多电平逆变器的众多优势，针对该系统，发明了改进型载波移相SPWM调制方法，分布式MPPT控制，各直流母线电压控制，及并网功率控制。应用本发明的控制方法，可有效运行准-Z源级联多电平单相光伏发电系统，最大限度地收集太阳能，实现多电平输出电压和升压控制。即使光伏电池电压宽范围变化，各模块直流母线峰值电压均恒定，确保了逆变器容量最小。为此，实现低费用、高效率和高可靠性的光伏发电。
文档编号H02J3/46GK102709941SQ201210160780
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者孙东森, 葛宝明 申请人:北京交通大学