专利名称：基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种光伏发电技术，特别涉及一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法。
背景技术：
光伏发电使用范围广阔，是新能源发电中最具前景之一。太阳能电池发出电能会随着日照强度和温度等外部环境变化而波动，必须经过电力电子装置将其转换为稳定的电能才能加以利用。 电力电子装置中最基本是逆变器环节，可将直流电变换为交流电。光伏发电使用两电平逆变器居多，而三电平逆变器三电平逆变器具有电压等级高、谐波含量少的优势，主要应用在高压大功率的场合。随着功率开关器件三电平低压模块的出现，在光伏发电系统中采用三电平逆变器器将能提高发电质量以及转换效率。三电平逆变器电路主要有三类拓扑结构二极管箝位式逆变器、电容箝位式和具有独立直流电源的单元逆变桥级联式逆变器。三电平逆变器的控制方法主要有电压空间矢量调制(SVPWM)、阶梯波调制、特定谐波消去法、载波相移脉宽调制等。其中，电压空间矢量脉宽调制算法具有调制比大、能优化输出波形、易于数字实现、母线电压利用率高等优点，成为主要研究方向。太阳能电池板受到日照强度和温度等因素的影响，输出功率具有不稳定性和间歇性。需要采用合理的控制方式进行有效的功率跟踪。
发明内容
本发明是针对光伏发电中使用三电平逆变器电路比现有两电平逆变器电路效率高的问题，提出了一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法，最大限度的利用太阳能，提高发电效率。本发明的技术方案为一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统，包括光伏电池阵列，直流升压斩波电路，中点电压箝位型的三电平逆变电路和控制系统，控制系统包括直流升压斩波电路控制单元和三电平逆变电路控制单元，光伏电池阵列依次经过直流升压斩波电路和三电平逆变电路给电网供电；直流升压斩波电路控制单元采集光伏电池阵列输出直流电压和电流值，直流升压斩波电路控制单元计算数据输出调节信号到直流升压斩波电路中开关元件控制端；三电平逆变电路控制单元采集三电平逆变电路输出电流后，先后经过并网控制单元和电压空间矢量脉宽调制单元后，输出调制脉冲到中点电压箝位型三电平逆变电路，实现单位功率因数并网运行。一种基于三电平逆变器的光伏发电控制控制方法，包括基于三电平逆变器的光伏发电控制系统，具体包括如下步骤
I)、直流升压斩波电路控制单元采集采用电导增量法控制直流升压斩波电路采集光伏电池阵列输出电压U(k)和电流值I (k)，W(幻二 u(k)~ u(k-l), dl(k)= I(k)~I(k-1)，当d"MJ > - //t/时，电圧增加kU ；当dmu <-lp时，电压t/减小MJ ；当
/Λ/ = -//Lr时，到达最大功率点的电压U·，实现功率最大稳定的直流电压输出；
2)、步骤I)得到的直流电输出到中点电压箝位型三电平逆变电路，三电平逆变电路中三组并联的开关元件的中点作为三相电输出到电网；
3)设电网电压合成矢量为Ε，定义d轴与5同相，q轴与d轴垂直，且超前d轴90°，则d轴方向上的电流分量I4为有功分量，q轴方向的电流分量，力无功分量，采用锁相环跟踪电网电压的瞬间相角Θ作为坐标转换角度，三电平逆变电路输出经过dq轴坐标转换得
到d轴和q轴电流，d轴和q轴电流分别与并网给定的基准电流《和i:进行PI调节，得到
的结果再经过dq轴坐标逆转换输出三相对称电流波形，实现并网的有功无功解耦控制后，经过电压空间矢量脉宽调制运算产生调制脉冲，调制脉冲输出到三电平逆变电路开关元件 控制端，实现单位功率因数并网运行。所述电压空间矢量脉宽调制运算是采用六扇区划分方法，确立参考电压矢量的位置，计算三个合成矢量的作用时间，给出以正小矢量首发的矢量作用顺序。本发明的有益效果在于本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法，给出一种基于空间矢量脉宽调制的三相光伏发电并网逆变器的控制策略。在电网侧，对逆变器输出电流进行闭环控制，实现了电流有功分量和无功分量的解耦控制。通过仿真分析可以看出所设计的控制方法简便，系统逆变器输出并网电流具有良好的正弦性，谐波分量小，功率因数高。
图I为本发明基于三电平逆变器的并网型光伏发电系统结构 图2为PV电池的产- /特性 图3为本发明电导增量法流程；
图4为本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制系统三电平逆变器空间矢量 图5为本发明扇区内部的矢量合成 图6为本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制系统控制框 图7为本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制三相电网电压和三相并网电流仿真波形 图8为本发明基于三电平逆变器的光伏发电控制三相并网电流突变时的仿真波形。
具体实施例方式图I示出并网型光伏发电系统结构。该系统主要包括光伏电池阵列(PV)，直流升压斩波电路，中点电压箝位型三电平逆变电路和控制电路。控制系统主要包括了两个部分直流升压斩波电路控制单元和三电平逆变电路控制单元。一、直流升压斩波电路控制单元是由直流电压和直流环构成，采用电导增量法调节开关兀件的占空比，实现功率最大跟踪和保持直流电压稳定；最大功率跟踪控制方法(MPPT):光伏电池阵列利用半导体材料的光伏效应制成，通过吸收收太阳光能产生电动势，输出直流电流。光伏电池的/特性曲线如图2所示。由图2 PV电池的P-U特性曲线可以看出，当PV电池的工作电压小于1、. 时，输出
功率小于最大功率4 ,且电压增大，输出功率也增大；当PV电池的工作电压大于时，输出功率小于最大功率P·,且电压继续增大，输出功率却减小。本发明采用电导增量法。该算法的基本原理是在功率最大点处特性曲线的功率为
O0由Ρ= υι’对"棚:§K:Q’ 即 ^ = ，
当d聊时，电圧增加MJ ；当<~lpj时，电压;^减小KU ；当 dljdU = - I/U时，到达最大功率点的电压Ut ^ 图3为电导增量法流程图。二、三电平逆变电路控制单元包括电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法和并网有功无功的解耦控制方法。电压空间矢量脉宽调制脉冲的产生是采用一种六扇区划分方法，确立参考电压矢量的位置，计算三个合成矢量的作用时间，给出以正小矢量首发的矢量作用顺序。并网有功无功的解耦控制是由交流电压外环和电流内环组成，采用双闭环功率解耦控制能够实现有功和无功的解耦控制，实现功率因数为I。电压空间矢量脉宽调制方法电压空间矢量脉宽调制脉冲的产生是采用一种六扇区划分方法，确立参考电压矢量的位置，计算三个合成矢量的作用时间，给出以正小矢量首发的矢量作用顺序。基本空间矢量
空间矢量调制法(SVPWM)是从电动机的角度出发，实现目标是最终获得幅值恒定的圆形磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关状态所产生的实际磁通去逼近基准磁通，由比较结果控制逆变器的开关状态，形成符合目标模式的脉冲信号。设三相正弦电压瞬时值分别为
vfl = Vm (s m ω￡ )
■ vb = Vm (smω -2πΙ3)(I)
vc = Fm sm( + Ζπ/3)
将上述a、6、c三相静止坐标转换为《%、々两相静止坐标系
_1 1 1 _「V —
I 2 Y I a ,、
屯v ⑵
2 2 Jl ' J
对应的空间矢量为
^辦)(3)式中，trs为定子瞬时空间矢量，Vt2、v,、v(为三相输出电压。通常将上述电压取为参考
电压经逆变器开关管的开通与关断后，各相输出电压分别为4/2,0和-[；d/2。因为逆变器有三个桥臂，所以共有27种基本矢量，如图4所示。空间矢量用P、O、N三个字母表示，分别代表A、B、C三相开关管的开断状态，其中P代表正，O代表0，N代表负。图4中，空间矢量分为三种大矢量6个，中矢量6个，小矢量12个和3个零矢量。基本矢量时间的计算
图4矢量六边形可以划分为6个扇区I VI，每个扇区如图5所示。图5中又划分为6个小区域。根据一定的数学模型，判断参考矢量所在区域，由NTV (Nearest TriangleVectors)法则选择合成基本矢量。合成矢量确定后，根据伏秒原理计算相应矢量的作用。例如图5中Ur4位于第5小区，由最近的三个矢量Oi、Ui和IT4组成,根据伏秒原
理得
权利要求
1.一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统，其特征在于，包括光伏电池阵列，直流升压斩波电路，中点电压箝位型的三电平逆变电路和控制系统，控制系统包括直流升压斩波电路控制单元和三电平逆变电路控制单元，光伏电池阵列依次经过直流升压斩波电路和三电平逆变电路给电网供电；直流升压斩波电路控制单元采集光伏电池阵列输出直流电压和电流值，直流升压斩波电路控制单元计算数据输出调节信号到直流升压斩波电路中开关元件控制端；三电平逆变电路控制单元采集三电平逆变电路输出电流后，先后经过并网控制单元和电压空间矢量脉宽调制单元后，输出调制脉冲到中点电压箝位型三电平逆变电路，实现单位功率因数并网运行。
2.一种基于三电平逆变器的光伏发电控制控制方法，包括基于三电平逆变器的光伏发电控制系统，其特征在于，具体包括如下步骤 1)、直流升压斩波电路控制单元采集采用电导增量法控制直流升压斩波电路采集光伏电池阵列输出电压U(k)和电流值I (k)，W(幻二 u(k)~ u(k-l), dl(k)= I(k)~I(k-1)，当d"dU > - I/U时，电压t/增加MJ ；当<-lfU时，电压减小MJ ；当也/Λ/=-//t/时，到达最大功率点的电压^·,实现功率最大稳定的直流电压输出； 2)、步骤I)得到的直流电输出到中点电压箝位型三电平逆变电路，三电平逆变电路中三组并联的开关元件的中点作为三相电输出到电网； 3)设电网电压合成矢量为E，定义d轴与！同相，q轴与d轴垂直，且超前d轴90°，则d轴方向上的电流分量Id为有功分量，q轴方向的电流分量&为无功分量，采用锁相环跟踪电网电压的瞬间相角Θ作为坐标转换角度，三电平逆变电路输出经过dq轴坐标转换得到d轴和q轴电流，d轴和q轴电流分别与并网给定的基准电流< 和i:进行PI调节，得到的结果再经过dq轴坐标逆转换输出三相对称电流波形，实现并网的有功无功解耦控制后，经过电压空间矢量脉宽调制运算产生调制脉冲，调制脉冲输出到三电平逆变电路开关元件控制端，实现单位功率因数并网运行。
3.根据权利要求2所述基于三电平逆变器的光伏发电控制控制方法，其特征在于，所述电压空间矢量脉宽调制运算是采用六扇区划分方法，确立参考电压矢量的位置，计算三个合成矢量的作用时间，给出以正小矢量首发的矢量作用顺序。
全文摘要
本发明涉及一种基于三电平逆变器的光伏发电控制系统和控制方法，光伏电池阵列依次经过直流升压斩波电路和三电平逆变电路给电网供电；直流升压斩波电路控制单元采集光伏电池阵列输出直流电压和电流值，直流升压斩波电路控制单元计算数据输出调节信号到直流升压斩波电路中开关元件控制端；三电平逆变电路控制单元采集三电平逆变电路输出电流后，先后经过并网控制单元和电压空间矢量脉宽调制单元后，输出调制脉冲到中点电压箝位型三电平逆变电路，实现单位功率因数并网运行。系统对逆变器输出电流进行闭环控制，实现了电流有功分量和无功分量的解耦控制。所设计的控制方法简便，系统逆变器输出并网电流具有良好的正弦性，谐波分量小，功率因数高。
文档编号H02J3/18GK102916438SQ20121024368
公开日2013年2月6日 申请日期2012年7月16日 优先权日2012年7月16日
发明者屈克庆, 潘雪涛, 邢月红 申请人:上海电力学院