一种准Z源级联多电平逆变器的控制系统及方法

本发明涉及并网逆变器控制领域，尤其涉及一种准z源级联多电平逆变器的控制系统及方法。

背景技术：

1、z源/准z源逆变器过在逆变桥和直流源之间加入了电感和电容以及二极管组成的无源网络来代替传统两级式逆变器中间级的dc/dc变换器。准z源逆变器相比于传统逆变器最大的优势在于其利用了传统逆变器所不允许的上、下桥臂直通状态，通过直通态来使直流链电压抬升，进而达到提升直流母线电压的目的；此外由于准z源逆变器允许直通态的存在，亦无需设置死区，可以一定程度上减小输出波形的畸变率；而且由于准z源逆变器的逆变桥前串联了无源网络，所以准z源逆变器既可用作电压型逆变器(voltage sourceinverter,vsi)又可用作电流型逆变器(current source inverter,csi)，无需再并联大电容或串联大电感。基于上述优点，准z源逆变器在新能源发电、动力电池以及交流调速系统等中小功率场合获得了应用和发展。

2、近年来随着新能源发电系统装机量的上升，准z源级联多电平逆变器(quasi-z-source cascaded multilevel inverter，qzs-cmi)利用z源网络进行升压储能有利于在光伏发电或风力发电等分布式发电系统直流输入不稳定时保持直流链电压稳定，且级联的结构可以大大减小功率开关管的电压应力以及实现模块化的最大功率点跟踪。

3、准z源级联多电平逆变器的优点显著，其缺点也尤为突出。其一是由于qzs-cmi只有逆变桥一个功率变换级，所以在调制方法上抬升直流链电压和逆变存在一定的耦合关系，即调制比和直通占空比之和须小于等于一。若采用简单升压调制，由于其在传统零状态中插入了直通零状态，这样逆变器的开关频率就会变为原来的两倍，进而导致开关损耗的增加。为了解决上述问题，各种改进的调制方式应运而生，例如将全部传统零矢量替换为直通零矢量的最大升压调制、将直通信号函数化的最大恒压调制以及空间矢量调制，但是上述调制方式也都有各自缺憾并不适用于qzs-cmi的调制：最大恒压调制须将全部传统零状态替换为直通零状态，这样便无法满足qzs-cmi四象限运行的条件；最大恒压比调制只是提高了升压的范围并没有解决开关频率倍升的问题且实现方法较复杂；空间矢量调制的计算量会随着电平数的增加而成指数倍的增加。其二为qzs-cmi输出侧的谐波畸变率较高。qzs-cmi直流链电压的抬升主要来自准z源网络电感和电容的充放电，所以在一个开关周期内电容是处在一个充放电循环中，这样便造成了逆变桥的输入侧实际上并不是一个相对稳定直流电压，而是一个随着直通占空比变化的直流电压，所以这便导致逆变桥的输出侧存在较大谐波成分。目前的方法是采用对单一频率增益无限大的pr控制或者模型预测控制等闭环控制实现减小谐波畸变率。但是pr/准pr控制需要整定多个控制参数，调节难度较大；模型预测控制通过建立状态空间方程直接预测开关管的下一步动作，但是其对数学模型的依赖性较高且随着输出电平数的增加，计算量也会大大增加。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种准z源级联多电平逆变器的控制系统及方法，在减小并网电流畸变率的同时提高了系统响应速度和运行稳定性。

2、本发明第一方面提供了一种准z源级联多电平逆变器的控制系统，所述准z源级联多电平逆变器由n个准z源h桥模块级联而成，每个准z源h桥模块的h由开关管s1、s2、s3和s4构成，开关管s1、s2构成第一桥臂，开关管s3和s4构成；每个准z源h桥模块分别连接一个光伏电池；

3、所述控制系统包括分控部分和总控部分，分控部分包括直流侧升压控制单元、直流链电压控制单元和功率平衡控制单元，总控部分包括电流无差拍控制单元和mpspwm单元；

4、所述直流侧升压控制单元包括n个升压控制模块，第i个升压控制模块用以根据第i个准z源h桥模块的光伏电池的电压vpvi和电流ipvi得到该准z源h桥模块的直通占空比d0i；

5、所述直流链电压控制单元根据各准z源h桥模块的电容电压和直流链电压参考值得到n个准z源h桥模块的功率参考值；

6、所述功率平衡控制单元根据n个准z源h桥模块得到总的输入功率，根据所述总的输入功率与电网电压幅值vg确定并网电流的参考值；

7、所述无差拍控制单元用以根据所述并网电流的参考值、电网电压、电网电流得到各准z源h桥模块的调制比；

8、所述mpspwm单元用以根据各准z源h桥模块的调制比和各准z源h桥模块的直通占空比生成调制信号用以控制各准z源h桥模块的开关管。

9、本发明第二发明提供了一种准z源级联多电平逆变器的控制方法，基于所述的一种准z源级联多电平逆变器的控制系统实现，包括如下步骤：

10、直流侧升压控制步骤，每个升压控制模块根据第i个准z源h桥模块的光伏电池的电压vpvi和电流ipvi得到该准z源h桥模块的直通占空比d0i；

11、直流链电压控制步骤，根据各准z源h桥模块的直流链电压和直流链电压参考值得到n个准z源h桥模块的功率参考值；

12、功率平衡控制步骤，根据n个准z源h桥模块得到总的输入功率，根据所述总的输入功率与电网电压幅值vg确定并网电流的参考值；

13、无差拍控制步骤，根据所述并网电流的参考值、电网电压、电网电流得到各准z源h桥模块的调制比；

14、mpspwm步骤，根据各准z源h桥模块的调制比和各准z源h桥模块的直通占空比生成调制信号用以控制各准z源h桥模块的开关管。

15、无差拍控制步骤，用以根据所述并网电流的参考值、电网电压、电网电流得到各准z源h桥模块的调制比；

16、mpspwm步骤，根据各准z源h桥模块的调制比和各准z源h桥模块的直通占空比生成调制信号用以控制各准z源h桥模块的开关管。

17、进一步的，第i个准z源h桥模块的直通占空比d0i的获取方法包括：

18、第i个准z源h桥模块的光伏电池的电压vpvi和电流ipvi经最大功率点跟踪控制得到光伏电池输出电压参考值vpv_refi，所述电压参考值vpv_refi与光伏电池输出的电压实际值做差后得到偏差信号epvi；

19、偏差信号epvi经pi控制得到第i个准z源h桥模块的直通占空比d0i。

20、进一步的，所述最大功率点跟踪控制方法包括：

21、在第一次搜索时，选择一个较大步长搜索最大功率点所在的区域，每当搜索方向改变时，等比例地缩小扰动的步长，进行下一轮搜索，当功率的变化值δp小于预先设定的阈值时，停止改变扰动的步长，并持续以当前的步长进行扰动。

22、进一步的，所述功率平衡控制步骤包括：

23、n个准z源h桥模块的功率参考值叠加求和得到总的输入功率pt*；

24、总的输入功率pt*与电网电压幅值vg通过下式得到并网点刘参考值

25、

26、进一步的，所述无差拍控制步骤包括：

27、建立准z源级联多电平逆变器输出电压模型为：

28、

29、通过线性外推法得到k+1时刻的电网电压值并将其代入所述逆变器输出电压模型中得到逆变器输出电压的预测值所述k+1时刻的电网电压值为

30、

31、进而得到第i个准z源h桥模块的调制比mi(k)为：

32、

33、其中，αi为第i个准z源h桥模块的功率匹配因子。

34、进一步的，所述功率匹配因子αi为：

35、

36、其中，pi*为第i个准z源h桥模块的功率参考值，pt*为总的输入功率。

37、进一步的，所述准z源级联多电平逆变器的控制方法包括网侧电感参数辨识的步骤，对准z源级联多电平逆变器的网侧电感通过带有遗忘因子的最小二乘法进行实时辨识。

38、进一步的，所述mpspwm步骤包括：

39、第i个准z源h桥模块中，同一桥臂上的两个开关管的载波的幅值相位差为d0i，开关管s1和开关管s4的驱动信号共用一个载波，调制波相位差为π，开关管s2和开关管s3的驱动信号共用一个载波，调制波相位差为π。

40、本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

41、1、本发明采用总分式的控制方式，使各准z源h桥模块分别实现了独立的mppt控制，还可以保证在各光伏电池输出功率的不同的情况下，仍然可以维持直流链电压的稳定，继而保证供电的稳定性。

42、2、通过功率均衡方法获取各准z源h桥模块的功率参考值，通过直流侧升压控制方法实现获取各准z源h桥模块的直通占空比，各准z源h桥模块的功率参考值和直通占空比通过总的无差拍控制得到各准z源h桥模块的调制比，在减小并网电流谐波畸变率的同时提高了系统的快速性和稳定性。

43、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。