一種模塊化多電平光伏并網系統及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種模塊化多電平光伏并網系統及其控制方法。采用三相六橋臂拓撲結構，每個橋臂由一個半橋模塊SM、N個組件模塊PM、一個電感L串聯組成。SM由兩個IGBT管T1～T2、兩個二極管D1～D2和一個電容C構成；PM是在SM基礎上在電容C兩端并聯一個光伏組件PV。其控制方法包括最大功率跟蹤控制、冗余模塊控制、穩壓控制和并網控制。本發明能實現局部陰影下逆變器的可靠工作和光伏組件的最大功率跟蹤，模塊化多電平結構減少了電容應力和逆變輸出諧波含量，無需直流變換電路，通過控制方法實現每個PV組件的最大功率跟蹤，比起常規的陣列全局最大功率控制方法，提高了輸出功率，減少了硬件投入。
【專利說明】一種模塊化多電平光伏并網系統及其控制方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及分布式電源，特別涉及一種模塊化多電平光伏并網系統及其控制方法。

【背景技術】
[0002]當今世界，能源問題日益突出。尋求新能源來取代日益減少的化石燃料，已成為能源發展的必然趨勢。在所有的新能源發電當中，太陽能發電地位突出，優勢明顯。太陽能是取之不盡用之不竭的能源，且儲量巨大，沒有開采和運輸環節，太陽能發電清潔無污染，不排放廢氣，對環保有利。在能源危機即將爆發，環境逐漸惡化的今天，太陽能發電技術具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。
[0003]光伏發電是太陽能的重要利用方式，是一種分布式能源，得到人們的光伏關注。光伏并網技術已經成為了光伏領域的研究熱點。在光伏并網應用中，提高光伏轉換效率和逆變輸出波形質量，對光伏并網系統的發展具有重要意義。光伏組件功率較小，難以大范圍應用。光伏陣列常常處于復雜的環境中，在陰影條件下時，易導致陣列功率失配，輸出效率下降，常規最大功率控制方法失效，而全局最大功率控制方法復雜，會使成本上升。傳統兩電平逆變器容量小，開關器件承受電壓、電流較大，直流電容應力大，且輸出諧波含量大，濾波困難。采用直流模塊式光伏系統時，雖然抗陰影能力增強，但仍采用常規逆變器，效果不佳。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是解決現有技術中，獲得光伏組件的最大功率，提高局部陰影條件下光伏系統的輸出功率和逆變器的可靠性，減小逆變輸出諧波含量的問題；同時省略直流變換電路，通過控制方法實現每個PV組件的最大功率跟蹤，減少硬件投入。
[0005]本發明所采用的技術方案為:
[0006]一種模塊化多電平光伏并網系統，采用三相六橋臂拓撲結構，每相包括上、下兩個橋臂，每個橋臂由I個半橋模塊SM、N個組件模塊PM和I個電感L串接而成，上、下橋臂連接點引出相線；三條相線接入公共電網；所述的N個組件模塊PM為PM1?PMn ；
[0007]SM由兩個IGBT管Tl?T2、兩個二極管Dl?D2和一個電容C構成；其中，IGBT管Tl的發射極與IGBT管T2的集電極相連并構成SM的正端，IGBT管Tl的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T2的發射極與電容的負極相連并構成SM的負端；D1與Tl反向并聯，D2與T2反向并聯；【反向并聯是指IGBT管的發射極和二極管的正極連接，IGBT管的集電極和二極管的負極連接】;IGBT管Tl?T2的門極均接收外部設備提供的開關信號；
[0008]PM由兩個IGBT管T3?T4、兩個二極管D3?D4和一個電容C構成；其中，IGBT管T3的發射極與IGBT管T4的集電極相連并構成PM的正端，IGBT管T3的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T4的發射極與電容的負極相連并構成PM的負端；D3與T3反向并聯，D4與T4反向并聯；IGBT管T3?T4的門極均接收外部設備提供的開關信號；在電容C的兩端并聯一個光伏組件PV ;其中PV的正極與電容C的正極相連，PV的負極與電容C的負極相連；
[0009]每相上橋臂的SMJM1~PMn、L依次串聯，即SM的正端與直流側正極相連，SM的負端與PM1正端相連，處于中間的PMn的正端與PMlri的負端相連，PMn的負端與PMlri的正端相連，η = 2,3,…，N-1，PMn負端與L 一端相連，L另一端引出相線；下橋臂L、PM1~ΡΜΝ、SM依次串聯，即L 一端引出相線，L另一端與PM1正端相連，處于中間的PM1J^正端與PMlri的負端相連，PMn的負端與ΡΜη+1的正端相連，η = 2,3, -,N-1jPMn負端與SM的正端相連，SM的負端與直流側負極相連；
[0010]所述N由光伏并網系統容量決定，

【權利要求】
1.一種模塊化多電平光伏并網系統,其特征在于:米用三相六橋臂拓撲結構，每相包括上、下兩個橋臂，每個橋臂由I個半橋模塊SM、N個組件模塊PM和I個電感L串接而成，上、下橋臂連接點引出相線；三條相線接入公共電網；所述的N個組件模塊PM為PM1~PMn ; SM由兩個IGBT管Tl~T2、兩個二極管Dl~D2和一個電容C構成；其中，IGBT管Tl的發射極與IGBT管T2的集電極相連并構成SM的正端，IGBT管Tl的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T2的發射極與電容的負極相連并構成SM的負端；D1與Tl反向并聯，D2與T2反向并聯；IGBT管Tl~T2的門極均接收外部設備提供的開關信號； PM由兩個IGBT管T3~T4、兩個二極管D3~D4和一個電容C構成；其中，IGBT管T3的發射極與IGBT管T4的集電極相連并構成PM的正端，IGBT管T3的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T4的發射極與電容的負極相連并構成PM的負端；D3與T3反向并聯，D4與T4反向并聯；IGBT管T3~T4的門極均接收外部設備提供的開關信號；在電容C的兩端并聯一個光伏組件PV ;其中PV的 正極與電容C的正極相連，PV的負極與電容C的負極相連；每相上橋臂的SMlM1~PMn、L依次串聯，即SM的正端與直流側正極相連，SM的負端與PM1正端相連，處于中間的PMn的正端與PMlri的負端相連，PMn的負端與ΡΜη+ι的正端相連，η=2,3,…，N-1，PMn負端與L 一端相連，L另一端引出相線；下橋臂L、PM1~ΡΜΝ、SM依次串聯，即L 一端引出相線，L另一端與PM1正端相連，處于中間的PMn的正端與PMlri的負端相連，PMn的負端與ΡΜη+1的正端相連，η = 2,3,…，N-1, PMn負端與SM的正端相連，SM的負端與直流側負極相連； 所述N由光伏并網系統容量決定，
，其中Ptotal為傳輸的總功率，Ppv為每個L6尸押」光伏組件的功率。
2.根據權利要求1所述的模塊化多電平光伏并網系統，其特征在于:N= 2。
3.一種模塊化多電平光伏并網系統控制方法，其特征在于:包括(I)組件模塊PM控制方法和(2)冗余半橋模塊SM控制方法； (1)組件模塊PM控制方法為: 每一相上橋臂中的每個組件模塊PM的調制波表達式為
每一相下橋臂中的每個組件模塊PM的調制波表達式為
其中Urea為最大功率跟蹤控制環節得到的電壓的控制分量，Urea為穩壓控制環節得到的穩壓控制的參考量，%為并網控制環節中下橋臂的電壓參考值，%為并網控制環節中下橋臂的電壓參考值； 將得到的Upjn作為每一相上橋臂中的每個組件模塊PM中IGBT管Tl~T2的門極信號的調制波；將得到的Unjn作為每一相下橋臂中的每個組件模塊PM中IGBT管的門極信號的調制波； (2)冗余半橋模塊SM控制方法為: 計算Λ Usm = Uncref- Σ Upv。，其中Λ Usm為冗余模塊的電壓基準值，Ulltof為直流側電壓設定值，Σ Uptc為該橋臂所有的組件模塊的輸出電壓之和；Λ Uss^過第二比例調節器后，與橋臂電流經符號修正后的結果相乘，得到該相冗余半橋模塊的電壓調制波Usilref ； 將得到的Usilref作為冗余半橋模塊SM中IGBT管的門極信號的調制波。
4.根據權利要求3所述的模塊化多電平光伏并網系統控制方法，其特征在于:所述最大功率跟蹤控制環節具體為: 采用擾動觀察法，將擾動步長Λ U作為最大功率跟蹤環節的輸入，經第一比例調節器后與檢測到的橋臂電流經符號修正后的結果相乘，得到電壓的控制分量UrefA。
5.根據權利要求3所述的模塊化多電平光伏并網系統控制方法，其特征在于:所述穩壓控制環節具體為: 計算U。，即一相內各PM模塊電容電壓與半橋子模塊電壓之和的1/2:
，將Uc與給定的直流側電壓設定值UD&ef比較后，經第一
PI調節器得到環流參考值i_PMf ；iLoop與i_PMf的差值經過第二 PI調節器后的輸出作為穩壓控制的參考量UMfB ;其中環流通過測量上下橋臂的電流計算得到,
，其中ip為該相中上橋臂的電流，in為該相中下橋臂的電流。
6.根據權利要求3所述的模塊化多電平光伏并網系統控制方法，其特征在于:所述并網控制環節，外環采用電壓控制，內環采用電流控制；直流側電壓設定值UD&rf與實際值Udc比較后的差值經過第三PI調節器后得到內環有功電流idMf，無功電流分量i_f設定為O ;idref與交流側電流經abc/DQ變換得到的有功分量id比較后的差值經第四PI調節器得到有功電壓基準值Udref ； iqref與交流側電流經abc/DQ變換得到的無功分量i,比較后的差值經第五PI調節器得到無功電壓基準值Uqref ;然后通過DQ/abc變換輸出三相基本調制量Upref ；得到上橋臂電壓參考值為，
下橋臂電壓參考值為
7.根據權利要求3所述的模塊化多電平光伏并網系統控制方法，其特征在于:所述第二比例調節器的比例系數Kptl = 0.05。
8.根據權利要求4所述的模塊化多電平光伏并網系統控制方法，其特征在于:所述第一比例調節器的比例系數Kp = 0.05。
9.根據權利要求5所述的模塊化多電平光伏并網系統控制方法，其特征在于:所述第一 PI調節器的比例系數Kp1 = 5，積分系數K11 = 500 ;第二 PI調節器的比例系數Kp2 = 5，積分系數K12 = 100。
10.根據權利要求6所述的模塊化多電平光伏并網系統控制方法，其特征在于:所述第三PI調節器的比例系數Kp3 = 10，積分系數K13 = 2000 ;第四PI調節器的比例系數Kp4 =.0.6，積分系數K14 = 600 ;第五PI調節器的比例系數Kp5 = 0.6，積分系數K15 = 600。
【文檔編號】G05F1/67GK104167760SQ201410362336
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】榮飛, 劉誠, 唐慶, 朱斌, 徐業事 申請人:湖南大學