專利名稱：一種準-z源級聯多電平單相光伏并網發電系統的控制方法
技術領域：
本發明涉及光伏發電技術領域，尤其涉及一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統及控制方法。
背景技術：
光伏發電清潔環保、儲量豐富、安全可靠，是最具前景的新能源之一。應用于光伏發電系統中的功率變換器拓撲結構，主要體現為單級或兩級、兩電平或多電平的特點。其中，級聯式多電平逆變器具有諸多優點，主要體現在可實現下列目標1)無變壓器；2)輸出電壓諧波小；3)減小或省略輸出端的濾波器；4)分布式最大功率跟蹤(MPPT) ；5)易于模塊化。因而，將級聯式多電平逆變器應用于光伏發電系統日益成為研究的熱點。然而，由于光 伏電池電壓的寬范圍變化，傳統級聯多電平逆變系統在光伏應用中存在以下問題首先，系統的不同模塊間存在直流母線電壓不平衡的問題；其次，系統在設計時需要倍增逆變器的容量。如果在每個模塊引入DC/DC變換器，可控制直流母線電壓平衡，并最小化逆變器容量，但是將導致系統的費用增加、效率降低。Z-源和準Z-源逆變器以單級功率變換的形式，實現升/降壓和逆變的功能，可以適應光伏電池電壓的寬范圍變化。應用其設計光伏逆變器時，不但可以實現最小化逆變器容量，而且費用、效率和可靠性都將得到改善。論文[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.]將 Z-源逆變器和級聯H橋結合，采用新的GaN器件，構成了 IMHz開關頻率的光伏逆變器。論文分析了系統效率以及參數設計方法，但是沒有提及控制方法。專利2010102348660公開了一種儲能型級聯多電平光伏并網發電控制系統，可實現分布式最大功率跟蹤，最大限度地收集太陽能，效率高，避免了光伏電池串聯時局部陰影導致的功率損失和熱斑問題；具有多電平逆變的優點，輸出電壓諧波低，且適合高壓大功率、無變壓器并網。但是，該發明沒有公開具體的控制細節，比如，如何進行脈寬調制，以對所有準Z-源逆變器模塊進行獨立控制，如何實現各模塊的分布式最大功率跟蹤，如何保持各模塊直流母線電壓平衡控制等等。
發明內容
為了解決以上問題，本發明公開了一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統的控制方法，所述并網發電系統由2個以上準-Z源光伏發電模塊級聯組成；所述的每一個準-Z源光伏發電模塊包括四只IGBT，二極管D，第一電解電容、第二電解電容，第一電感、第二電感，光伏電池；其中，所述四只IGBT連接為一個H橋逆變器，所述第二電解電容跨接于二極管D的陽極和H橋逆變器正極間，且所述第二電解電容的正極與H橋逆變器正極相連；二極管D的陰極與所述第一電解電容的正極、所述第二電感相連；所述第二電感的另一端連接于H橋逆變器正極；第一電解電容的負極與H橋逆變器負極相連；第一電感的一端與光伏電池相連，另一端與第二電解電容的負極相連；所述第一個準-Z源光伏發電模塊的H橋逆變器左臂中間通過濾波電感連接到電網一端，電網的另一端連接到H橋逆變器右橋臂中間。一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統控制方法，包括改進型載波移相SPWM調制步驟、分布式MPPT控制和各直流母線電壓控制步驟及并網功率控制步驟。進一步，作為一種優選，所述的改進型載波移相SPWM調制步驟，包括以第j個模塊為例子，將第j個模塊H橋的左、右橋臂看作兩個功率單元，左橋臂的三角載波為S1, j,右橋臂的三角載波為S2,j, S1, j與S2,j之間的移相角為180° ,該H橋的左、右橋臂米用同一個正弦波Hij進行調制；假設單元j的準-Z源H橋逆變器在工作過程中的直通量為Dj，那么，在調制過程中需要增加一對正負直通量參考值，分別為I-Dj和Dj-I,當三角載波大于I-Dj或 小于Dj-I時，對應橋臂的上、下開關管同時開通，此時該H橋處于直通狀態，該直通狀態被加到傳統零矢量區間內，在直通區間內，H橋輸出電壓仍為0，不會改變H橋的輸出電平，因此，準-Z源H橋單元j的輸出電壓為3電平，n個模塊級聯，相鄰模塊間的載波相移為/n，總的輸出相電壓為(2n+l)電平。進一步，作為一種優選，所述的分布式MPPT控制和各直流母線電壓控制，包括每個準-Z源光伏發電模塊的MPPT控制，以及每個準-Z源光伏發電模塊的直流母線電壓平衡控制。進一步，作為一種優選，所述的每個準-Z源光伏發電模塊MPPT控制，包括對每個準-Z源光伏發電模塊，采用擾動觀察法MPPT算法，調節該模塊的直通占空比&，跟蹤其光伏電池的最大功率點；各模塊光伏電池的MPPT控制相互解耦，即使它們的工作點不同，也不會產生相互影響。進一步，作為一種優選，所述的每個準-Z源光伏發電模塊的直流母線電壓平衡控制，包括對于每個準-Z源光伏發電模塊，用電壓傳感器采集準-Z源網絡中的第一電容電
壓Va和第二電容電壓Ve2，二者相加，得到直流母線電壓峰值"^!^/將"Ppn7.與設定的參考值
鏟PNj 作比較，得到誤差ej，經過PI調節器后，輸出該模塊的功率參考值P%，為了各模塊電壓平衡，設定rp-為同一數值，但是各模塊輸出的會有差異，與各模塊光伏電池最大功率點時的光伏功率相關，P*」為每個模塊并網功率參考值，其將被輸入到并網功率控制器中，參與總的并網功率控制。進一步，作為一種優選，所述的并網功率控制，包括并網功率等于各個模塊光伏
n
電池功率的總和，所以，總的并網功率參考值為由于各模塊的級聯結構，每
J=I
,
個模塊注入電網的電流相同，電網電流的峰值為iid =式中，^ 為電網相電壓
vgridgrid
有效值；實時檢測電網的電壓，采用鎖相環技術，得到電網電壓的相位，應用電網電壓相位和電網電流峰值，經過三角函數，得到并網電流的期望值rgHd，將并網電流實際值i#id與i*grid作比較，經過PI調節器，得到該準-Z源級聯多電平單相光伏發電逆變器的期望電壓Vtotal，該電壓信號將用于產生級聯系統中每個模塊的調制度nv j=l，2，...，n，由于每個模
Jrf
塊提供的并網功率不同，定義各模塊所提供功率的比例系數為《；.= +，j = l，2，...，n，
權利要求
1.一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統控制方法，所述并網發電系統由2個以上準-Z源光伏發電模塊級聯組成；所述的每一個準-Z源光伏發電模塊包括四只IGBT，二極管D，第一電解電容、第二電解電容，第一電感、第二電感，光伏電池；其中，所述四只IGBT連接為一個H橋逆變器，所述第二電解電容跨接于二極管D的陽極和H橋逆變器正極間，且所述第二電解電容的正極與H橋逆變器正極相連；二極管D的陰極與所述第一電解電容的正極、所述第二電感相連；所述第二電感的另一端連接于H橋逆變器正極；第一電解電容的負極與H橋逆變器負極相連；第一電感的一端與光伏電池相連,另一端與第二電解電容的負極相連；所述第一個準-Z源光伏發電模塊的H橋逆變器左橋臂中間通過濾波電感連接到電網一端，電網的另一端連接到H橋逆變器右橋臂中間； 其特征在于，包括改進型載波移相SPWM調制步驟、分布式MPPT控制和各直流母線電壓控制步驟及并網功率控制步驟。
2.如權利要求I所述一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統控制方法，其特征在于，所述的改進型載波移相SPWM調制步驟，包括以第j個模塊為例子，將第j個模塊H橋的左、右橋臂看作兩個功率單元，左橋臂的三角載波為Sm,右橋臂的三角載波為S2,」，Shj與S2, j之間的移相角為180°，該H橋的左、右橋臂采用同一個正弦波進行調制；假設單元j的準-Z源H橋逆變器在工作過程中的直通量為Dj，那么，在調制過程中需要增加一對正負直通量參考值，分別為I-Dj和Dj-I,當三角載波大于I-Dj或小于Dj-I時，對應橋臂的上、下開關管同時開通，此時該H橋處于直通狀態，該直通狀態被加到傳統零矢量區間內，在直通區間內，H橋輸出電壓仍為0，不會改變H橋的輸出電平，因此，準-Z源H橋單元j的輸出電壓為3電平，n個模塊級聯，相鄰模塊間的載波相移為n/n，總的輸出相電壓為(2n+l)電平。
3.如權利要求I所述一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統控制方法，其特征在于，所述的分布式MPPT控制和各直流母線電壓控制，包括每個準-Z源光伏發電模塊的MPPT控制，以及每個準-Z源光伏發電模塊的直流母線電壓平衡控制。
4.如權利要求3所述一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統控制方法，其特征在于，所述的每個準-Z源光伏發電模塊MPPT控制，包括對每個準-Z源光伏發電模塊，采用擾動觀察法MPPT算法，調節該模塊的直通占空比Dp跟蹤其光伏電池的最大功率點；各模塊光伏電池的MPPT控制相互解耦，即使它們的工作點不同，也不會產生相互影響。
5.如權利要求3所述一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統控制方法，其特征在于，所述的每個準-Z源光伏發電模塊的直流母線電壓平衡控制，包括對于每個準-Z源光伏發電模塊，用電壓傳感器采集準-Z源網絡中的第一電容電壓Va和第二電容電壓Vc2，二者相加，得到直流母線電壓峰值^PN/。將胃與設定的參考值fV胃作比較，得到誤差4，經過PI調節器后，輸出該模塊的功率參考值P、為了各模塊電壓平衡，設定滬PNj 為同一數值，但是各模塊輸出的會有差異，與各模塊光伏電池最大功率點時的光伏功率相關，P*j為每個模塊并網功率參考值，其將被輸入到并網功率控制器中，參與總的并網功率控制。
6.如權利要求2所述一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統控制方法，其特征在于，所述的并網功率控制，包括并網功率等于各個模塊光伏電池功率的總和，所以，總的并網功率參考值力
全文摘要
本發明公開了一種準-Z源級聯多電平單相光伏并網發電系統的控制方法，每塊光伏電池配以獨立的準-Z源逆變器作為一個發電模塊，若干個這樣的模塊串聯構成準-Z源級聯多電平單相光伏發電系統，集合了準-Z源逆變器和級聯多電平逆變器的眾多優勢，針對該系統，發明了改進型載波移相SPWM調制方法，分布式MPPT控制，各直流母線電壓控制，及并網功率控制。應用本發明的控制方法，可有效運行準-Z源級聯多電平單相光伏發電系統，最大限度地收集太陽能，實現多電平輸出電壓和升壓控制。即使光伏電池電壓寬范圍變化，各模塊直流母線峰值電壓均恒定，確保了逆變器容量最小。為此，實現低費用、高效率和高可靠性的光伏發電。
文檔編號H02J3/46GK102709941SQ201210160780
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月22日 優先權日2012年5月22日
發明者孫東森, 葛寶明 申請人:北京交通大學