一种多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除装置的制作方法

本实用新型涉及分布式电源多电平电力电子功率变换器控制技术领域，尤其涉及一种多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除装置。

背景技术：

近年来，随着环境污染和能源枯竭问题越来越严重，太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经越来越多的受到世界各国的重视，我国开发和利用可再生能源、优化能源结构的力度也不断加大。目前，光伏发电各项技术已经趋于成熟，光伏电站的大型化和并网化将是今后的发展方向和研究重点。但是，随着光伏产业的迅速发展，光伏发电容量的大幅度提升，一些问题也相应的突显出来，例如光伏阵列发电效率低、光伏并网发电对电网影响大、并网逆变器需满足更高的要求等。

目前的太阳能光伏发电基本都以交流并网的形式为主，无论是集中式光伏逆变器还是分布式光伏逆变器，其输出电压都比较低，多为400V以下，如果要将光伏发电并网，则需要通过逆变器后再经过变压器升压整流后再并入直流配电网。此系统设备多、占地面积大、结构复杂、转换效率低等不足。虽然新提出的模块化多电平光伏逆变器弥补了以上不足，但是当交流系统经常出现电压跌落、交流侧故障、负荷投切等情况，则会出现三相交流系统不对称情况，针对不对称的故障问题，现有文献未涉及模块化多电平光伏逆变器的控制。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除装置，实现电网电压不对称分量的检测与消除，通过控制负序分量抑制功率出现的二倍频分量，无需注入额外的零序电压等，就可保证三相电压、功率的平衡，其方法简单，易于工程的实现。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除装置，包括光伏板、模块化多电平光伏逆变器和控制电路模块；

所述光伏板包括若干串并联的光伏阵列模块，所述光伏阵列模块的等效电路包括太阳能电池组件集合体的太阳能电池组件、并联二极管、并联电阻及并联电容和串联电阻；所述并联二极管和并联电阻均并联在太阳能电池组件上构成太阳能电池组件集合体，并联电容并联在太阳能电池组件集合体两端构成并联结构；串联电阻与所述并联结构串联，该串联结构的两端为光伏阵列模块的输出端；

所述模块化多电平光伏逆变器采用三相六桥臂拓扑结构，其中三相的每相均包括上、下两个桥臂，每一个桥臂均包括n个子单元模块，n至少为2；所述子单元模块的输入端连接光伏阵列模块的输出端，子单元模块的输出端连接三相交流电网；

所述子单元模块包括DC/DC变换器和SM单元，所述DC/DC变换器的输入端接入光伏阵列模块，输出端接入SM单元；所述SM单元包括两个开关管VT1与VT2、两个二极管 VD1与VD2、并联电容C和开关K，开关管VT1与VT2通过发射极和集电极进行串联，两个二极管VD1与VD2分别并联在开关管VT1的集电极和发射极之间与VT2的集电极和发射极之间，且开关管的发射极与对应二极管的阳极连接，并联电容C并联在两个开关管串联结构的两端，开关K并联在开关管VT2的集电极和发射极之间，并且开关K的两端作为SM单元的输入端。

所述DC/DC变换器为隔离型DC/DC变换器。

所述子单元模块的工作模式包括放电模式和充电模式，具体根据开关管不同的导通和关断状态，实现不同的工作状态，子单元模块具体工作状态包括：

(1)闭锁状态：VTI和VT2都不施加触发信号，二者为关断状态；子单元模块的闭锁状态在模块化多电平光伏逆变器的启动或发生故障时使用；

(2)投入状态：当VT1导通且VT2为关断状态时，子单元模块断口电压为子单元模块中并联电容C两端的电压，子单元模块电容工作在充电或放电状态，此状态也称之为全电压状态；

(3)切除状态：当VT1关断且VT2为导通状态时，子单元模块端口电压为0，子单元模块电容不参与工作，此状态也称之为零电压状态；当工作时保证任何时刻每相投入的子单元模块数恒定为N，此时单个子单元模块的电压为Udc＝NUc，其中Uc为并联电容C两端的电压。

所述控制电路模块包括触发电路、信号输入电路、驱动放大电路、信号处理控制单元和不对称分量检测消除单元；所述触发电路通过触发器连接模块化多电平光伏逆变器中的各电子器件；所述信号输入电路的输入端连接光伏阵列模块的输出端，信号输入电路的输出端连接驱动放大电路输入端；所述驱动放大电路的输出端连接信号处理控制单元和不对称分量检测消除单元；所述信号处理控制单元和不对称分量检测消除单元均采用DSP处理器实现；所述信号处理控制单元的输出端接入模块化多电平光伏逆变器；所述不对称分量检测消除单元包括不对称分量检测单元和不对称分量消除单元。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型提供的一种多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除装置，其中的模块化多电平光伏逆变器，采用开关管和二极管的半桥电路，使得逆变器的控制更为简单，提高了系统控制的可靠性，而且减少了开关器件的使用，具有经济性，适用于很多电压等级，灵活性更好，操作方法简单易行，适用于工程应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的光伏阵列模块等效电路图；

图3为本实用新型实施例提供的模块化多电平光伏逆变器拓扑图；

图4为图3中SM单元结构图；

图5为本实用新型实施例提供的多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除方法的流程图；

图6为本实用新型实施例提供的不对称状态下锁相环相序分解环节结构图；

图7为本实用新型实施例提供的交流系统不对称状态下抑制负序电流模块化多电平光伏逆变器控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实施例提供的一种多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除装置，包括光伏板、模块化多电平光伏逆变器和控制电路模块。

光伏板包括若干串并联的光伏阵列模块，所述光伏阵列模块的等效电路如图2所示，包括太阳能电池组件集合体的太阳能电池组件、并联二极管D、并联电阻Rsh及并联电容C和串联电阻Rs。并联二极管D和并联电阻Rsh均并联在太阳能电池组件上构成太阳能电池组件集合体，并联电容C并联在太阳能电池组件集合体两端构成并联结构；串联电阻Rs与所述并联结构串联，该串联结构的两端为光伏阵列模块的输出端。Iph为光伏电池经由光照射后所产生的电流；Rsh为材料内部等效并联电阻；Rs为材料内部等效串联电阻；I为光伏电池输出电流；Uoc为光伏电池输出电压；ID为暗电流，无光照情况时，有外电压作用下PN结内流过的单相电流。

所述模块化多电平光伏逆变器如图3所示，采用三相六桥臂拓扑结构，其中三相的每相均包括上、下两个桥臂，每一个桥臂均包括n个子单元模块，n至少为2；所述子单元模块的输入端连接光伏阵列模块的输出端，子单元模块的输出端连接三相交流电网。

所述子单元模块包括DC/DC变换器和SM单元，DC/DC变换器的输入端接入光伏阵列模块，输出端接入SM单元，DC/DC变换器为隔离型DC/DC变换器。SM单元如图4所示，包括两个开关管VT1与VT2、两个二极管VD1与VD2、并联电容C和开关K，开关管VT1 与VT2通过发射极和集电极进行串联，两个二极管VD1与VD2分别并联在开关管VT1的集电极和发射极之间与VT2的集电极和发射极之间，且开关管的发射极与对应二极管的阳极连接，并联电容C并联在两个开关管串联结构的两端，开关K并联在开关管VT2的集电极和发射极之间，并且开关K的两端作为SM单元的输入端。

子单元模块的工作模式包括放电模式和充电模式，具体根据开关管不同的导通和关断状态，实现不同的工作状态，子单元模块具体工作状态包括：

(1)闭锁状态：VTI和VT2都不施加触发信号，二者为关断状态；子单元模块的闭锁状态在模块化多电平换流器的启动或发生故障时使用；

(2)投入状态：当VT1导通且VT2为关断状态时，子单元模块断口电压为子单元模块中并联电容C两端的电压，子单元模块电容工作在充电或放电状态，此状态也称之为全电压状态；

(3)切除状态：当VT1关断且VT2为导通状态时，子单元模块端口电压为0，子单元模块电容不参与工作，此状态也称之为零电压状态；当工作时保证任何时刻每相投入的子单元模块数恒定为N，此时单个子单元模块的电压为Udc＝NUc，其中Uc为并联电容C两端的电压。

控制电路模块包括触发电路、信号输入电路、驱动放大电路、信号处理控制单元和不对称分量检测消除单元。触发电路通过触发器连接模块化多电平光伏逆变器中的各电子器件，通过发送触发脉冲电压进行触发。信号输入电路的输入端连接光伏阵列模块的输出端，用于获取电压电流输入信号，信号输入电路的输出端连接驱动放大电路输入端。驱动放大电路用于将输入信号放大，其输出端连接信号处理控制单元和不对称分量检测消除单元。信号处理控制单元和不对称分量检测消除单元均采用DSP处理器实现。

信号处理控制单元包括的控制策略有载波移相调制策略、双闭环控制策略、环流抑制策略、电容电压控制策略，其输出端接入模块化多电平光伏逆变器，即将最后处理并控制好的信号输出并入电网。

不对称分量检测消除单元包括不对称分量检测单元和不对称分量消除单元。

不对称分量检测单元包括获取光伏阵列经过最大功率跟踪控制得到的直流电压Ud，其直流电压需经过模块化多电平光伏逆变器得到三相电压，对其三相电压进行判断；正常情况下，电网电压为正弦波或近似正弦波，不能直接进行比较；因此，需将三相电网电压分别求取其有效值，再与限定值进行比较。经过电网电压不对称控制算法，电网电压A、B、C三相任意一相超出国标范围，即为三相电压不对称，进而检测模块化多电平光伏逆变器输出的三相电压中是否存在负序电压、负序电流分量。

不对称分量消除单元将检测到的不对称分量进行处理，包括不对称状态下锁相环相序分解环节和消除控制单元，用于对模块化多电平光伏逆变器输出的三相电压进行不对称状态下锁相环相序分解，实现对正序电压和负序电压、正序电流和负序电流的分解，从中提取并消除负序电压、负序电流分量，使其置为零。

多电平光伏逆变器的不对称分量检测与消除方法，采用上述的检测与消除装置实现，如图5所示，光伏阵列通过最大功率跟踪控制得到直流电压，经过模块化多电平逆变器的载波移相调制技术和双闭环控制策略、环流抑制策略等获得三相电压，经过不对称分量检测消除单元检测三相电压不对称分量，对于不对称分量，需要实现正序电流和负序电流的单独控制，因此设计出相序分解环节实现对正序电压和负序电压、正序电流和负序电流的分解，最后设计消除方法，此方案通过控制负序电流分量抑制功率出现的二倍频分量，此方案无需注入额外的零序电压等，提取负序电流置为零，就可保证三相电压、功率的平衡。具体包括不对称分量检测法和不对称分量消除法。

所述不对称分量检测法首先获取光伏阵列经过最大功率跟踪控制得到的直流电压Ud，其直流电压需经过模块化多电平光伏逆变器得到三相电压，对其三相电压进行判断；正常情况下，电网电压为正弦波或近似正弦波，不能直接进行比较，需将三相电网电压分别求取其有效值，再与限定值进行比较，经过电网电压不对称控制算法，电网电压A、B、C三相任意一相超出国标范围的限定值，即为三相电压不对称。

所述不对称分量消除法将检测到的不对称分量进行处理，包括不对称状态下锁相环相序分解环节和消除控制环节；

所述不对称状态下锁相环相序分解环节，如图6所示，首先提取三相电压usa、usb、usc经过派克变换环节将三相电压变成静止坐标系下的两相电压Usα、Usβ，易于控制，然后经过延时环节，将电压滞后四分之一周期经过等效变换关系，实现对正序电压和负序电压、正序电流和负序电流的分解，通过锁相环获取相角θ得到同步旋转坐标系下的电压Usb、Usq。

所述不对称状态下消除控制环节，从抑制负序电流角度出发，设计出相关控制策略，用以提高系统运行的可靠性，如图7所示，对不对称状态下的内环正序和负序电流控制器解耦，进而提取负序电流，并置其为零。

所述不对称状态下的内环正序和负序电流控制器根据模块化多电平光伏逆变器低频暂态数学模型进行设计，所述模块化多电平光伏逆变器低频暂态数学模型如式(1)和式(2)所示；

其中，R、L分别为模块化多电平光伏逆变器的等效电阻、电感；usd、usq分别为交流侧三相基波电压在d、g轴上的分量，ucd、ucq分别为模块化多电平光伏逆变器输出电压在d、q 轴上的分量，isd、isq分别为系统交流侧三相电流在d、g轴的分量，上标正负号分别表示正序分量和负序分量；ω为角速度；

由式(1)和式(2)可以看出d、q轴分量存在耦合关系，此时为设计内环正序电流和负序电流解耦控制系统，设其中，λ和μ均为引入的PI控制器参数，分别为d轴的正序有功电流指令和负序有功电流参考值，分别为q轴的正序有功电流指令和负序有功电流参考值；则内环正序电流和负序电流控制器的数学模型分别如式(3)和式(4)所示；

根据系统在不对称状态下的数学模型得知，负序电流的接入是造成故障的主要原因之一，故针对负序电流，设计以下抑制控制策略：

设式(3)中的d、q轴负序电流参考值分别为：

根据以上分析，此时已将系统在不对称状态下的消除控制器设计完毕。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。