一種基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，屬于多電平電力電子功率變換器控制及新能源并網(wǎng)領(lǐng)域。在光伏系統(tǒng)初始啟動階段，本發(fā)明控制各子模塊對應(yīng)的光伏陣列處于最大功率跟蹤控制下，經(jīng)直流變換電路給電容預(yù)充電，使其達(dá)到預(yù)定值；在系統(tǒng)正常運行節(jié)點，本發(fā)明采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流控制，外環(huán)為定直流電壓控制和定交流電壓控制，以得到基波電壓的參考值，并以該參考值對MMC各子模塊進(jìn)行閥級控制，觸發(fā)各相橋臂中相應(yīng)子模塊上的開關(guān)器件，控制各子模塊的投入或切除，在交流側(cè)得到所期望的多電平電壓輸出。本發(fā)明適用于任意電壓等級的基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，靈活性好，控制輸出滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求。
【專利說明】-種基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，屬于多電平電力 電子功率變換器控制及新能源并網(wǎng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著環(huán)境污染和能源枯竭問題越來越嚴(yán)重，太陽能作為一種清潔的可再 生能源，已經(jīng)越來越多的受到世界各國的重視，我國開發(fā)和利用可再生能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu) 的力度也不斷加大。目前，光伏發(fā)電各項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，光伏電站的大型化和并網(wǎng)化將 是今后的發(fā)展方向和研究重點。但是，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電容量的大幅度提 升，一些問題也相應(yīng)的突顯出來，例如光伏陣列發(fā)電效率低、并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)產(chǎn)生的各種影 響、并網(wǎng)逆變器需滿足更高的要求等等。
[0003] 在大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列的數(shù)量數(shù)以萬計，最大限度的提高光伏陣 列的太陽能利用率，讓其盡可能工作在最大功率狀態(tài)，將會大幅度提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效 率。因此許多學(xué)者和專家都致力于光伏陣列最大功率跟蹤技術(shù)的研究，在現(xiàn)有算法的基礎(chǔ) 上進(jìn)行改進(jìn)或者提出新的算法；作為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，并網(wǎng)逆變器需要滿足諸 多的要求，能實現(xiàn)最大功率跟蹤，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求，具有更大的單體容量、更高的電 壓等級，有功無功實現(xiàn)解耦控制等等。目前，很多學(xué)者都在研究光伏并網(wǎng)逆變器的控制算 法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，以提高 光伏陣列的太陽能利用率，實現(xiàn)有功無功的單獨控制。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提供一種基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控 制方法，該并網(wǎng)控制方法包括以下步驟：
[0006] 1)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)啟動階段，檢測每個光伏陣列的輸出電壓和電流，將產(chǎn)生的電 能經(jīng)直流變換電路給每個子模塊的電容充電，使其達(dá)到預(yù)定值；
[0007] 2)采用定直流電壓電壓控制確定有功電流的參考值，采用定交流電壓控制確定無 功電流的參考值；
[0008] 3)將得到有功電流參考值和無功電流參考值進(jìn)行電流控制，得到MMC逆變輸出基 波電壓的參考值；
[0009] 4)以得到的基波電壓的參考值對MMC各子模塊進(jìn)行閥級控制，觸發(fā)各相橋臂中相 應(yīng)子模塊上的開關(guān)器件，控制各子模塊的投入或切除。
[0010] 所述步驟1)每個子模塊對應(yīng)的光伏陣列采用擾動觀察法對其進(jìn)行最大功率跟 蹤，使每個光伏陣列工作在最大功率點。
[0011] 所述步驟2)中采用定直流電壓的控制過程如下：
[0012] 檢測換流器輸出直流電壓的實測值Ud，將其與直流電壓的參考值Udref的偏差進(jìn) 行PI調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后得到的修正量加上直流電流測量值idc與K的乘積，得到結(jié)果即為有 功電流的參考值，其中K = 2Utoef/3Usd。
[0013] 所述步驟2)中無功電流的參考值的確定過程如下：
[0014] 檢測換流器輸出交流電壓的實測值Uabc，對其進(jìn)行dq變換得到d軸電壓分量 Usd，將Usd與其參考值Usd*的偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后得到的修正量即無功電流的參考 值。
[0015] 所述步驟3)中的電流控制的具體過程如下：
[0016] 檢測換流器輸出交流電的實測值iabc，對其進(jìn)行dq變換得到d、q軸電流分量 isd、isq ;將isd和isq分別與有功電流參考值和無功電流參考值進(jìn)行比較，差值分別進(jìn)行 PI調(diào)節(jié)；將調(diào)節(jié)后得到的修正量分別與d、q軸電流間的耦合項及電網(wǎng)電壓的d、q軸分量 Usd、Usq進(jìn)行運算，運算結(jié)果經(jīng)坐標(biāo)變換后為MMC逆變輸出基波電壓d、q軸的參考值。
[0017] 所述步驟4)閥級控制過程為：
[0018] A)根據(jù)MMC逆變輸出基波電壓的參考值采用PWM調(diào)制技術(shù)確定每相上下橋臂分別 需要投入的子模塊個數(shù)；
[0019] B)采集各子模塊電容電壓值，并對其進(jìn)行從大到小或從小到大的排序；
[0020] C)根據(jù)上下橋臂需要投入的子模塊個數(shù)、實際電容電壓的大小順序和橋臂電流的 方向，控制相應(yīng)子模塊的投切，以維持各子模塊電容電壓的恒定。
[0021] 所述的步驟C)中確定子模塊投切的原則為：
[0022] 如果橋臂電流處于為子模塊電容充電狀態(tài)，則根據(jù)電容電壓的排序，從電容電壓 值較小的子模塊開始，按順序投入相應(yīng)數(shù)量的子模塊，其余的全部切除；
[0023] 如果橋臂電流處于為子模塊電容放電狀態(tài)，則根據(jù)電容電壓的排序，從電容電壓 值較大的子模塊開始，按順序投入相應(yīng)數(shù)量的子模塊，其余的全部切除。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是：在光伏系統(tǒng)初始啟動階段，本發(fā)明控制各子模塊對應(yīng)的光 伏陣列處于最大功率跟蹤控制下，經(jīng)直流變換電路給電容預(yù)充電，使其達(dá)到預(yù)定值；在系統(tǒng) 正常運行節(jié)點，采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流控制，外環(huán)為定直流電壓控制和定交流電壓控 制，以得到基波電壓的參考值，并以該參考值對MMC各子模塊進(jìn)行閥級控制，觸發(fā)各相橋臂 中相應(yīng)子模塊上的開關(guān)器件，控制各子模塊的投入或切除，調(diào)節(jié)橋臂電壓間的比率并串聯(lián) 疊加各子模塊的輸出電壓，在交流側(cè)得到所期望的多電平電壓輸出。本發(fā)明適用于任意電 壓等級的基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，靈活性好，控制輸出滿足電網(wǎng)電能質(zhì) 量要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明所采用的光伏陣列控制器原理圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明模塊化多電平換流器并網(wǎng)控制原理框圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明所采用的MMC控制器原理圖；
[0029] 圖5是本發(fā)明實施例中單個光伏陣列輸出功率波形示意圖；
[0030] 圖6是本發(fā)明實施例中光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流波形示意圖；
[0031] 圖7是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流THD分析圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的說明。
[0033] 本發(fā)明所針對的模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由三相六 個橋臂構(gòu)成，每個橋臂由耦合或者非耦合的電感和若干個完全相同的PSM模塊級聯(lián)構(gòu)成。 每個PSM模塊包含光伏陣列、DC-DC變換和SM模塊，而每個SM模塊又由兩個IGBT，兩個反 向二極管和一個直流電容組成。如圖2所示，每個PSM模塊中的光伏陣列通過檢測其輸出 電壓和電流，進(jìn)行最大功率跟蹤控制，得到的參考電壓通過PWM控制器得出直流變換電路 中開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，控制光伏陣列工作在最大功率點，盡可能多的輸出功率，對子模塊 電容進(jìn)行充電或直接向換流器提供電能。
[0034] 系統(tǒng)初始啟動階段，每個子模塊對應(yīng)的光伏陣列在最大功率跟蹤控制下，將產(chǎn)生 的電能經(jīng)直流變換電路給每個子模塊的電容充電，使其達(dá)到預(yù)定值；系統(tǒng)正常運行階段，通 過PWM調(diào)制技術(shù)對MMC各子模塊進(jìn)行控制，觸發(fā)各相橋臂中相應(yīng)子模塊上的開關(guān)器件，控制 各子模塊的投入或切除，以保證各子模塊電容電壓一致且恒定。同時對系統(tǒng)進(jìn)行雙閉環(huán)控 制，如圖3和圖4所示，內(nèi)環(huán)為電流控制，外環(huán)為定直流電壓控制和定交流電壓控制。調(diào)節(jié) 橋臂電壓間的比率并串聯(lián)疊加各子模塊的輸出電壓，在交流側(cè)得到所期望的多電平電壓輸 出。
[0035] 上述基于模塊化多電平換流器的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，其具體實施步驟 為：
[0036] 1每個PSM模塊中的光伏陣列通過檢測其輸出電壓和電流，進(jìn)行最大功率跟蹤控 制，得到的參考電壓通過PWM控制器得出直流變換電路中開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，控制光伏 陣列工作在最大功率點，盡可能多的輸出功率，對子模塊電容進(jìn)行充電或直接向換流器提 供電能。
[0037] 通過檢測得到每個光伏陣列的輸出電壓和電流，采用擾動觀察法對每個光伏陣列 進(jìn)行最大功率跟蹤，使其工作在最大功率點，也可采用其他最大功率跟蹤控制算法。
[0038] 2.通過檢測得到直流電壓的實測值Ud，與直流電壓的參考值Udref的偏差經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后，修正量加上直流電流測量值idc與K(K = 2Ud,ef/3Usd)的乘積作為有功電流isd的 參考值；
[0039] 3.通過檢測得到換流器輸出交流電壓的實測值Uabc，經(jīng)dq變換后得到d軸電壓 分量Usd，與參考值*Usd比較后，差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，輸出作為無功電流i sq的參考值；
[0040] 4.通過檢測得到換流器輸出交流電流的實測值iabc，經(jīng)dq變換后得到d、q軸電 流分量isd、isq，分別與從定直流電壓控制器和定交流電壓控制器得到的d、q軸電流分量 參考值進(jìn)行比較，差值經(jīng)PI控制器，輸出與d、q軸電流間的耦合項及電網(wǎng)電壓的d、q軸分 量U sd、Usq進(jìn)行運算，運算結(jié)果經(jīng)坐標(biāo)變換（dq到三相電壓）后為MMC逆變輸出基波電壓的 參考值。
[0041] 5.以得到的基波電壓的參考值對MMC各子模塊進(jìn)行閥級控制，觸發(fā)各相橋臂中相 應(yīng)子模塊上的開關(guān)器件，控制各子模塊的投入或切除。
[0042] 閥級控制環(huán)節(jié)主要包括調(diào)制、排序和選擇三部分，子模塊電容電壓的恒定就是通 過這三部分實現(xiàn)的。首先通過適用于MMC的調(diào)制技術(shù)（PWM)確定每相上下橋臂分別需要投 入的子模塊數(shù)，然后采集各子模塊電容電壓值，對其進(jìn)行從大到小或從小到大的排序，最后 根據(jù)上下橋臂需投入的子模塊數(shù)、實際電容電壓的大小順序以及橋臂電流的方向，按照如 下原則進(jìn)行子模塊投入或切除的選擇，以維持各子模塊電容電壓的恒定：
[0043] ①如若橋臂電流處于為子模塊電容充電狀態(tài)，則根據(jù)電容電壓的排序，從電容電 壓值較小的子模塊開始，按順序投入相應(yīng)數(shù)量的子模塊，其余的全部切除；
[0044] ②如若橋臂電流處于為子模塊電容放電狀態(tài)，則根據(jù)電容電壓的排序，從電容電 壓值較大的子模塊開始，按順序投入相應(yīng)數(shù)量的子模塊，其余的全部切除。
[0045] 采用上述控制方法對圖1的光伏系統(tǒng)進(jìn)行控制，假設(shè)0. 6s之前光照為1000W/m2， 溫度為25°C，0. 6s以后光照降為800W/m2,溫度降為23°C，采用擾動觀察法實現(xiàn)最大功率跟 蹤，當(dāng)光照為l〇〇〇W/m 2時，其輸出功率為85kW左右，0. 6s之后當(dāng)光照降為800W/m2時，每個 光伏陣列輸出功率降為67kW左右，如圖5所示。
[0046] 圖6為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流，0.6s之前，其幅值為720A左右，波形較好，諧波含 量較少，其THD為0. 80%，如圖7所示，當(dāng)光照降為800W/m2后，由于輸出功率降低，逆變輸 出電流幅值降為565A左右，THD為0. 72%，這充分說明該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)送入電網(wǎng)的電流諧 波含量少，不僅可以減小并網(wǎng)污染，還可降低濾波投入，甚至無需濾波器，節(jié)省項目成本。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在于，該并網(wǎng)控制方法 包括以下步驟： 1) 在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)啟動階段，檢測每個光伏陣列的輸出電壓和電流，將產(chǎn)生的電能經(jīng) 直流變換電路給每個子模塊的電容充電，使其達(dá)到預(yù)定值； 2) 采用定直流電壓電壓控制確定有功電流的參考值，采用定交流電壓控制確定無功電 流的參考值； 3) 將得到有功電流參考值和無功電流參考值進(jìn)行電流控制，得到MMC逆變輸出基波電 壓的參考值； 4) 以得到的基波電壓的參考值對MMC各子模塊進(jìn)行閥級控制，觸發(fā)各相橋臂中相應(yīng)子 模塊上的開關(guān)器件，控制各子模塊的投入或切除。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在 于，所述步驟1)每個子模塊對應(yīng)的光伏陣列采用擾動觀察法對其進(jìn)行最大功率跟蹤，使每 個光伏陣列工作在最大功率點。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在 于，所述步驟2)中采用定直流電壓的控制過程如下： 檢測換流器輸出直流電壓的實測值Ud，將其與直流電壓的參考值Udref的偏差進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后得到的修正量加上直流電流測量值idc與K的乘積，得到結(jié)果即為有功電流 的參考值，其中K = 2Utoef/3Usd。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在 于，所述步驟2)中無功電流的參考值的確定過程如下： 檢測換流器輸出交流電壓的實測值Uabc，對其進(jìn)行dq變換得到d軸電壓分量Usd，將 Usd與其參考值Usd*的偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后得到的修正量即無功電流的參考值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在 于，所述步驟3)中的電流控制的具體過程如下： 檢測換流器輸出交流電的實測值iabc，對其進(jìn)行dq變換得到d、q軸電流分量isd、 isq ;將isd和isq分別與有功電流參考值和無功電流參考值進(jìn)行比較，差值分別進(jìn)行PI調(diào) 節(jié)；將調(diào)節(jié)后得到的修正量分別與d、q軸電流間的耦合項及電網(wǎng)電壓的d、q軸分量U sd、Usq 進(jìn)行運算，運算結(jié)果經(jīng)坐標(biāo)變換后為MMC逆變輸出基波電壓的參考值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在 于，所述步驟4)閥級控制過程為： A) 根據(jù)MMC逆變輸出基波電壓的參考值采用PWM調(diào)制技術(shù)確定每相上下橋臂分別需要 投入的子模塊個數(shù)； B) 采集各子模塊電容電壓值，并對其進(jìn)行從大到小或從小到大的排序； C) 根據(jù)上下橋臂需要投入的子模塊個數(shù)、實際電容電壓的大小順序和橋臂電流的方 向，控制相應(yīng)子模塊的投切，以維持各子模塊電容電壓的恒定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)控制方法，其特征在 于，所述的步驟C)中確定子模塊投切的原則為： 如果橋臂電流處于為子模塊電容充電狀態(tài)，則根據(jù)電容電壓的排序，從電容電壓值較 小的子模塊開始，按順序投入相應(yīng)數(shù)量的子模塊，其余的全部切除； 如果橋臂電流處于為子模塊電容放電狀態(tài)，則根據(jù)電容電壓的排序，從電容電壓值較 大的子模塊開始，按順序投入相應(yīng)數(shù)量的子模塊，其余的全部切除。
【文檔編號】H02M7/483GK104092239SQ201410295096
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】趙倩, 郝俊芳, 張群, 嚴(yán)兵, 王柏恒, 陳朋 申請人:國家電網(wǎng)公司, 許繼集團(tuán)有限公司, 許繼電氣股份有限公司