一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，包括M個(gè)光伏陣列及其升壓型DC/DC變換器、3n個(gè)隔離型反激式DC/DC變流器以及3n個(gè)H橋電壓源逆變器；通過采用超級(jí)電容直流母線電壓控制器、光伏陣列有功功率計(jì)算方法及dq同步坐標(biāo)系統(tǒng)電流跟蹤控制，得到H橋級(jí)聯(lián)多電平電壓源逆變器A、B、C三相第1個(gè)到第n個(gè)H橋電壓源逆變器的PWM控制信號(hào)；通過隔離型反激式DC/DC變換器控制方法，得到第wk個(gè)隔離型反激式DC/DC變換器電力電子開關(guān)S2的PWM控制信號(hào)；通過光伏陣列升壓型DC/DC變換器控制方法，得到j(luò)個(gè)升壓型DC/DC變換器電力電子開關(guān)S1的PWM控制信號(hào)。有益效果在于，克服了現(xiàn)有大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)使用的工頻升壓變壓器體積大、成本高的缺點(diǎn)。
【專利說明】一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光伏發(fā)電并網(wǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其 控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光伏發(fā)電技術(shù)是新能源發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】的重要組成部分，隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字 信號(hào)處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已逐漸進(jìn)入實(shí)用化。隨著新能源和分布式 發(fā)電在電力系統(tǒng)滲透率的不斷增加，以新拓?fù)浜托驴刂撇呗詾闃?biāo)志的大規(guī)模光伏發(fā)電技術(shù) 成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。1981年Nabae等人提出多電平變換器思想，出現(xiàn)了二極 管鉗位式、飛跨電容式及Η橋級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并開始應(yīng)用在大容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，為大 容量光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很好的思路。隨著新能源規(guī)劃和智能電網(wǎng)的興起，大容量、高 電壓、高可靠性的光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浼捌淇刂萍夹g(shù)成為業(yè)界亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
[0003] 中國專利CN102738825A提出一種基于模塊化多電平換流器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)， 該拓?fù)鋵⒐夥嚵型ㄟ^單一的升壓斬波電路接入直流母線，由于受制于升壓斬波電路開 關(guān)器件的耐壓和容量限制，該拓?fù)潆y以應(yīng)用于高電壓、大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)；中國專利 CN102769398A將光伏陣列、升壓斬波電路及半橋逆變電路作為一個(gè)子模塊，按照模塊化多 電平換流器拓?fù)錁?gòu)成多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于該拓?fù)涿總€(gè)光伏陣列之間采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)， 降低了裝置的可靠性，且模塊化多電平的上、下橋臂功率不均衡問題將影響交流側(cè)輸出電 流的波形質(zhì)量；中國專利CN103828217A提出一種級(jí)聯(lián)Η橋的光伏DC/AC逆變器，該拓?fù)鋵?光伏陣列接入Η橋逆變器直流母線，各個(gè)光伏陣列按照串聯(lián)的結(jié)構(gòu)接入交流電網(wǎng)，同樣存 在可靠性低、交直流之間缺少電氣隔離，裝置電磁兼容性差的缺點(diǎn)。從現(xiàn)有文獻(xiàn)及專利來 看，傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用普通的兩電平或三電平變流器接入電網(wǎng)，難以適應(yīng)于高電壓、 大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)需求。現(xiàn)有文獻(xiàn)及專利未能充分利用多電平拓?fù)涞膬?yōu)勢，未綜 合考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性、交直流系統(tǒng)之間的電氣隔離、以及高電壓大容量工程應(yīng)用的技 術(shù)需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入 電網(wǎng)時(shí)使用的工頻升壓變壓器體積大、成本高，且難以對(duì)大規(guī)模光伏陣列進(jìn)行統(tǒng)一控制，以 及大容量兩電平電壓源逆變器電流大、開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗大等不足，而提出一種多電平 光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 包括Μ個(gè)光伏陣列及其升壓型DC/DC變換器、3η個(gè)隔離型反激式DC/DC變流器以及3η個(gè)Η 橋電壓源逆變器，所述光伏陣列正極通過各自的升壓型DC/DC變換器與統(tǒng)一的直流母線udc 的正極連接，負(fù)極通過各自的升壓型DC/DC變換器與統(tǒng)一的直流母線ud。的負(fù)極連接；每個(gè) 隔離型反激式DC/DC變流器輸入端分別與統(tǒng)一的直流母線叫。的正極連接，輸出端分別與每 個(gè)級(jí)聯(lián)Η橋多電平電壓源逆變器的直流母線連接。
[0006] 進(jìn)一步地，所述光伏陣列的升壓型DC/DC變換器采用Boost型拓?fù)?，由防倒灌二極 管Di、電感U、儲(chǔ)能電容、二極管D 2和絕緣柵雙極晶體管Si構(gòu)成，所述防倒灌二極管Di的 負(fù)極與電感U的一端連接；所述電感U-端與防倒灌二極管Di的負(fù)極連接，另一端與二極 管D 2的正極連接；所述儲(chǔ)能電容q -端與防倒灌二極管Di的負(fù)極連接，另一端與絕緣柵雙 極晶體管Si的發(fā)射極連接，所述二極管D2的負(fù)極與直流母線u d。的正極連接；所述絕緣柵 雙極晶體管Si的集電極與二極管D2的正極連接，發(fā)射極與直流母線u d。的負(fù)極連接。
[0007] 進(jìn)一步地，所述隔離型反激式DC/DC變換器由隔離變壓器、原邊絕緣柵雙極晶體 管S 2、副邊二極管D3構(gòu)成，所述隔離變壓器原邊同名端與直流母線ud。的正極相連，隔離變 壓器原邊非同名端與絕緣柵雙極晶體管S 2的集電極連接，隔離變壓器副邊非同名端與二極 管D3的正極連接；所述原邊絕緣柵雙極晶體管S 2的集電極與隔離變壓器原邊非同名端相 連，發(fā)射極與直流母線ud。的負(fù)極連接。
[0008] 進(jìn)一步地，所述級(jí)聯(lián)Η橋多電平電壓源逆變器分為A、B、C三相，每相包括η個(gè)Η橋 型電壓源逆變器，所述Η橋型電壓源逆變器由4個(gè)絕緣柵雙極型晶體管：S n、S12、S13、S14,4 個(gè)反并聯(lián)二極管：D n、D12、D13、D14及直流側(cè)電容C2構(gòu)成，S n的發(fā)射極與S12的集電極連接， S13的發(fā)射極與S14的集電極連接，Sn、S13的集電極與直流側(cè)電容C 2的正極連接，S12、S14的 發(fā)射極與直流側(cè)電容C2的負(fù)極連接，5 11、512、513、514分別反并聯(lián)011、0 12、013、014;且每個(gè)!1橋 逆變器直流側(cè)通過隔離型反激式DC/DC變換器與直流母線u d。相連，A、B、C三相均采用η個(gè) Η橋型電壓源逆變器級(jí)聯(lián)拓?fù)浣尤雽?duì)應(yīng)的三相交流電網(wǎng)，所述交流電網(wǎng)由電感、電阻以及交 流電源構(gòu)成，所述電感、電阻以及交流電源依次連接。
[0009] 進(jìn)一步地，所述一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還包括超級(jí)電容CS1以及超級(jí) 電容C S2，所述超級(jí)電容CS1以及超級(jí)電容CS2與直流母線ud。兩端連接。
[0010] 本發(fā)明還提供了 一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方法，通過Η橋級(jí)聯(lián)多電平電壓源 逆變器控制方法，分別得到A、B、C三相第1個(gè)到第η個(gè)Η橋電壓源逆變器的PWM控制信號(hào)；
[0011] 通過隔離型反激式DC/DC變換器控制方法，得到第w相第k個(gè)隔離型反激式DC/DC 變換器電力電子開關(guān)S2的PWM控制信號(hào)，所述w代表A、B、C相，k取值范圍為1到η ;
[0012] 通過光伏陣列升壓型DC/DC變換器控制方法，得到j(luò)個(gè)升壓型DC/DC變換器電力 電子開關(guān)Si的PWM控制信號(hào)，所述j的取值為1到M。
[0013] 進(jìn)一步地，所述Η橋級(jí)聯(lián)多電平電壓源逆變器控制方法包括如下步驟：
[0014] 采用鎖相環(huán)從電網(wǎng)電壓ua、ub、u。中提取電網(wǎng)電壓相位Θ 將A、B、C三相Η橋級(jí) 聯(lián)多電平變流器的輸出電流ia、ib、i。經(jīng)過ABC靜止坐標(biāo)到dq同步坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 ：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于，包括Μ個(gè)光伏陣列及其升壓型DC/ DC變換器、3n個(gè)隔離型反激式DC/DC變流器以及3n個(gè)Η橋電壓源逆變器，所述光伏陣列正 極通過各自的升壓型DC/DC變換器與統(tǒng)一的直流母線u d。的正極連接，負(fù)極通過各自的升壓 型DC/DC變換器與統(tǒng)一的直流母線ud。的負(fù)極連接；每個(gè)隔離型反激式DC/DC變流器輸入端 分別與統(tǒng)一的直流母線％。的正極連接，輸出端分別與每個(gè)級(jí)聯(lián)Η橋多電平電壓源逆變器的 直流母線連接，其中Μ為光伏陣列及升壓型DC/DC變換器個(gè)數(shù)，η為交流側(cè)A、B、C三相各自 包含的級(jí)聯(lián)Η橋逆變器個(gè)數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光伏陣 列的升壓型DC/DC變換器采用Boost型拓?fù)?，由防倒灌二極管Di、電感U、儲(chǔ)能電容q、二極 管D 2和絕緣柵雙極晶體管Si構(gòu)成，所述防倒灌二極管Di的負(fù)極與電感U的一端連接；所 述電感U-端與防倒灌二極管Di的負(fù)極連接，另一端與二極管D 2的正極連接；所述儲(chǔ)能電 容q-端與防倒灌二極管Di的負(fù)極連接，另一端與絕緣柵雙極晶體管Si的發(fā)射極連接，所 述二極管D 2的負(fù)極與直流母線ud。的正極連接；所述絕緣柵雙極晶體管Si的集電極與二極 管D2的正極連接，發(fā)射極與直流母線u d。的負(fù)極連接。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于，所述隔離型 反激式DC/DC變換器由隔離變壓器、原邊絕緣柵雙極晶體管S 2、副邊二極管D3構(gòu)成，所述隔 離變壓器原邊同名端與直流母線ud。的正極相連，隔離變壓器原邊非同名端與絕緣柵雙極 晶體管S 2的集電極連接，隔離變壓器副邊非同名端與二極管D3的正極連接；所述原邊絕緣 柵雙極晶體管S 2的集電極與隔離變壓器原邊非同名端相連，發(fā)射極與直流母線ud。的負(fù)極 連接。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于，所述級(jí)聯(lián)Η橋 多電平電壓源逆變器分為A、B、C三相，每相包括η個(gè)Η橋型電壓源逆變器，所述Η橋型電 壓源逆變器由4個(gè)絕緣柵雙極型晶體管：S n、S12、S13、S14,4個(gè)反并聯(lián)二極管：D n、D12、D13、D14 及直流側(cè)電容C2構(gòu)成，的發(fā)射極與S12的集電極連接，S13的發(fā)射極與S 14的集電極連接， Sn、S13的集電極與直流側(cè)電容C2的正極連接，S12、S 14的發(fā)射極與直流側(cè)電容C2的負(fù)極連 接，511、512、5 13、514分別反并聯(lián)011、012、013、0 14;且每個(gè)!1橋逆變器直流側(cè)通過隔離型反激式 DC/DC變換器與直流母線ud。相連，A、B、C三相均采用η個(gè)Η橋型電壓源逆變器級(jí)聯(lián)拓?fù)浣?入對(duì)應(yīng)的三相交流電網(wǎng)，所述交流電網(wǎng)由電感、電阻以及交流電源構(gòu)成，所述電感、電阻以 及交流電源依次連接。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括超級(jí) 電容CS1以及超級(jí)電容C S2，所述超級(jí)電容CS1以及超級(jí)電容CS2分別與直流母線ud。兩端連 接。
6. -種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，通過Η橋級(jí)聯(lián)多電平電壓源逆變 器控制方法，分別得到A、B、C三相第1個(gè)到第η個(gè)Η橋電壓源逆變器的PWM控制信號(hào)； 通過隔離型反激式DC/DC變換器控制方法，得到第w相第k個(gè)隔離型反激式DC/DC變 換器電力電子開關(guān)S2的PWM控制信號(hào)，所述w代表A、B、C相，k取值范圍為1到η ; 通過光伏陣列升壓型DC/DC變換器控制方法，得到j(luò)個(gè)升壓型DC/DC變換器電力電子 開關(guān)Si的PWM控制信號(hào)，所述j的取值為1到M。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述Η橋級(jí)聯(lián) 多電平電壓源逆變器控制方法包括如下步驟： 采用鎖相環(huán)從電網(wǎng)電壓Ua、ub、u。中提取電網(wǎng)電壓相位Θ 將A、B、C三相Η橋級(jí)聯(lián)多 電平變流器的輸出電流ia、ib、i。經(jīng)過ABC靜止坐標(biāo)到dq同步坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：
(1) 其中，id、i,為同步坐標(biāo)系統(tǒng)下d、q軸電流，Θ ^為鎖相環(huán)捕獲的電網(wǎng)電壓相位信息； 求取超級(jí)電容CS1和CS2構(gòu)成的直流母線電壓參考值udc^f與直流母線電壓實(shí)際值u d。 的偏差： Udc，err ^dc, ref ^dc 將Udc^"作為直流母線電壓控制器的輸入信號(hào)，其中直流母線電壓控制器為：
(3) 其中，s為拉普拉斯算子，kRdc;1、kMc;1分別為直流母線電壓控制器的比例、積分系數(shù)， 直流母線電壓控制器輸出量id#fl為Η橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器d軸第一個(gè)電流參考值id# fl， 通過光伏陣列有功功率計(jì)算方法計(jì)算出多電平變流器d軸第二個(gè)電流參考量id#f2，求取 和電網(wǎng)電流d軸分量i d的偏差量： id, err ^d, refl^~-^d, ref2 (4) 將d軸電流偏差量_作為比例積分電流控制器的輸入量，其中d軸電流控制器為：
(5) 其中，、d、ki;d分別為d軸電流控制器的比例、積分系數(shù)； 多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)d軸控制信號(hào)的電壓參考值Uc;(Urf表示為： Ucd,ref = Ud+Uld+Uq；ff (6) 其中，uld為d軸電流控制器輸出信號(hào)，ud為電網(wǎng)電壓d軸分量，U(LffSq軸電流量i, 前饋分量，表示為： uq,ff = ?Lsiq (7) 其中，ω為電網(wǎng)頻率，LsS多電平變流器交流側(cè)電感量。采用類似的方法，求取q軸電 流參考值和電網(wǎng)電流q軸分量的偏差量： iq，err iq，ref iq (8) 將q軸電流偏差量、作為比例積分電流控制器的輸入量，其中q軸電流控制器為：
(9) 其中，kM、k^分別為q軸電流控制器的比例、積分系數(shù)； 多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)q軸控制信號(hào)的電壓參考值u%表示為： Ucq,ref = Uq+Ulq-Ud；ff (10) 其中，ulq為q軸電流控制器輸出信號(hào)，u,為電網(wǎng)電壓q軸分量，ud，ffSd軸電流量i d 前饋分量，ud，ff表示為： ud，ff=?Lsid (11) 將d、q軸控制信號(hào)參考量進(jìn)行dq同步坐標(biāo)到ABC靜止坐標(biāo)變換：
(12) 其中，ua，,ef、ub，,ef、ue，, ef分別為A、B、C三相靜止坐標(biāo)下控制信號(hào)參考量,將這三個(gè)控制 信號(hào)分別在A、B、C三相靜止坐標(biāo)下進(jìn)行載波移相PWM調(diào)制，每相第k個(gè)Η橋的PWM載波移 相角度為η /k，分別得到A、B、C三相第1個(gè)到第η個(gè)Η橋逆變器的PWM控制信號(hào)，其中k 為1到η的自然數(shù)，π為圓周率。
8. 如權(quán)利要求6所述的一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述隔離型 反激式DC/DC變換器控制方法包括以下步驟： 求取第w相、第k個(gè)Η橋逆變器直流母線電壓參考值uwtMf與實(shí)際值uwk的偏差信號(hào)： ^wk, err ^wk, ref ^wk (13) 將偏差信號(hào)通過比例積分電壓控制器：
(14) 其中，、fb、kiifb分別為反激式DC/DC變換器電壓控制器的比例、積分系數(shù)，其輸出量d wk 與高頻載波進(jìn)行比較運(yùn)算，得到wk個(gè)隔離型反激式DC/DC變換器電力電子開關(guān)S2的PWM控 制信號(hào)。
9. 如權(quán)利要求6所述的一種多電平光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于，所述光伏陣 列升壓型（Boost型）DC/DC變換器控制方法包括以下步驟：將第j個(gè)光伏陣列輸出電壓u PVij 和輸出電流iPu作為輸入信號(hào)，采用最大功率跟蹤算法即MPPT，得到輸出信號(hào)為，求取 Uj，ref與的偏差信號(hào)： Upv，err ^j, ref ^PV, j (15) 將偏差信號(hào)通過比例積分電壓控制器：
(16) 其中，、w、分別為第j個(gè)升壓型（Boost型）DC/DC變換器電容Q電壓控制器的 比例、積分系數(shù)，比例積分電壓控制器Gw (s)的輸出信號(hào)為第j個(gè)升壓型（Boost型） DC/DC變換器電容Q的參考電壓，將iw，,ef與iPV，」求差，得第j個(gè)升壓型DC/DC變換器電感 U的參考電流為： ^Lj, ref ^Cj，ref ^Ρν，」· (17) 將與電感U電流iu求差，得電感Q電流偏差信號(hào)參考值： Lj, err ^Lj, ref ^Lj (18) 將偏差信號(hào)通過比例積分電壓控制器：
(19) 其中，kPm、ki;u分別為第j個(gè)升壓型（Boost型）DC/DC變換器電感Q電流控制器的比 例、積分系數(shù)，將其輸出量dPVj與高頻載波進(jìn)行比較運(yùn)算，得到j(luò)個(gè)升壓型（Boost型）DC/ DC變換器電力電子開關(guān)Si的PWM控制信號(hào)。
10.如權(quán)利要求7所述的Η橋級(jí)聯(lián)多電平電壓源逆變器控制方法，其特征在于，所述光 伏陣列有功功率計(jì)算方法包括以下步驟：將第j個(gè)光伏陣列輸出電壓uPVj和輸出電流iPVij 作為輸入信號(hào)，求取從j = 1到j(luò) = Μ總共Μ個(gè)光伏陣列總的有功功率為：
(20) 將光伏陣列中的有功功率通過低通濾波器：
(21) 其中，s為拉普拉斯算子，hPF為低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。通過該低通濾波器求取光伏 陣列有功功率的平均值PPVi av，權(quán)利要求7所述的多電平光伏變流器d軸電流的第二個(gè)參考 信號(hào)為：
(22) 其中，udc，ref為超級(jí)電容CS1和CS2直流母線u dc的電壓參考值。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK104158212SQ201410384345
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】韓楊 申請人:電子科技大學(xué)