CN113078674A - 一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***即控制方法 - Google Patents

一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***即控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113078674A
CN113078674A CN202110347766.7A CN202110347766A CN113078674A CN 113078674 A CN113078674 A CN 113078674A CN 202110347766 A CN202110347766 A CN 202110347766A CN 113078674 A CN113078674 A CN 113078674A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photovoltaic
power
port
bridge arm
sub
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110347766.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113078674B (zh
Inventor
潘尚智
潘希才
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN202110347766.7A priority Critical patent/CN113078674B/zh
Publication of CN113078674A publication Critical patent/CN113078674A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113078674B publication Critical patent/CN113078674B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/22—The renewable source being solar energy
    • H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
    • H02J2300/26—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin involving maximum power point tracking control for photovoltaic sources
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***即控制方法，包括：前级三端口隔离型DC/DC光伏变换器、后级三相半桥级联MMC及其组合。前级三端口DC/DC变换器采用三绕组高频变压器进行隔离，输入端口连接光伏阵列，两个输出端口分别连接至MMC各相单元上下桥臂的两个子模块。MMC的半桥级联结构使输出电压为各子模块输出电压的叠加，通过载波移相调制大大减小输出电流谐波，从而可以直接连接中压交流、中压直流电网。该拓扑通过功率解耦控制，可以将功率解耦电容容量降低数十倍，大大减小了***的体积。此外，该拓扑相单元间的光伏功率通过直流链路以直流环流的形式平衡，因此很好的解决了光伏功率失配问题。

Description

一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***即控制 方法
技术领域
本发明涉及一种基于三端口功率通道的新型模块化拓扑结构，特别涉及一种用于三相光伏并网发电***的级联模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)直流侧电压波动抑制以及各桥臂之间光伏功率平衡的光伏发电***，属于电力电子电能变换技术领域。
背景技术
太阳能作为一种可再生清洁能源，正越来越受到人们的重视，光伏发电站正向着大型化、并网化方向发展。传统的集中式光伏阵列易使最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking,MPPT)落入局部功率最大点，导致光伏利用率低。且随着电压、功率等级的提高，传统的两电平、三电平电压源型逆变器已经无法满足要求。而MMC有模块化、易拓展、输出电流谐波小等优点，且可以实现光伏本地交流并网的同时实现远距离直流输电，在大型光伏并网***中具有很大的发展前景。通过将光伏阵列拆分为多个小模块，并分别经过DC/DC变换器连接至MMC的每个子模块，MPPT在各个模块分别实现，可以有效提高光伏利用率。
对于基于MMC的三相模块化光伏并网***，通常需要解决几个关键问题。
光伏面板对地寄生电容易使***产生泄漏电流，因此通常需要采用隔离型的光伏DC/DC变换器，这需要给MMC的每个子模块端口增加一个高频变压器，从而抑制泄漏电流。
MMC各个子模块的输出功率存在很大的一倍频、二倍频以及高频分量波动，通常需要在每个子模块的直流侧使用大容量的电解电容进行功率解耦，由于大容量电解电容体积庞大且寿命有限，使得整个***的占地面积大，同时使用寿命短。因此需要采用功率解耦技术来尽可能的减小功率解耦电容的容量，从而以小容量、长寿命的薄膜电容来替代电解电容，主要分为：①外加功率解耦电路，但由于需要给每个端口都增加功率解耦电路，因此硬件实现比较复杂；②采用环流控制等控制方法减小功率波动，但对于MMC同一个相单元的上下桥臂而言，环流所补偿的功率是相等的，因此仅能补偿上下臂电容纹波的二倍频共模分量，而幅度更大的一倍频、三倍频差模分量纹波无法被抵消。
由于***的各个模块分别进行MPPT控制，因此当光照强度不均匀或设备参数差异，各桥臂之间容易出现功率失配，使流入电网的电流不对称，极大限制了模块化光伏并网***的应用。目前已有的研究主要采用基频环流注入法等功率失配消除策略来解决，但这种控制方法需要采集各个模块的光伏功率，增加了***的复杂性。控制复杂且均为开环控制，平衡效果存在误差。
综上所述，现有技术的主要问题是：MMC***通常需要采用容量体积较大的电解电容进行功率解耦，影响了光伏发电***的寿命和可靠性；模块化光伏逆变器难以避免出现功率失配问题，现有的拓扑功率失配消除策略平衡能力小且平衡效果差，大大限制了这种结构的实际应用。
为提高模块化光伏并网***工程应用的可靠性，需要很好的解决光伏功率失配问题。采用新的模块化拓扑使得各相光伏功率失配被自动或采用简单的控制策略消除，以在满足有效提高光伏利用率的同时实现***的稳定运行。实现光伏并网***的高效、高功率密度，必须要解决交直流功率解耦电容容量庞大的问题，因此需要提出新的技术以减小所需的电容容量，从而可以采用长寿命、高可靠性的薄膜电容代替电解电容，在提高***功率密度的同时提高***的寿命及可靠性。
发明内容
本发明主要是针对实现基于MMC的模块化光伏并网逆变器的小型化、桥臂间功率自平衡的设计目标，鉴于现有技术中存在的问题，提出一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***，***包括前级输入端口与光伏阵列连接的三端口DC/DC变换器，输入端与所述多端口隔离型DC/DC变换器的两个输出端连接的半桥级联模块化多电平换流器，后级输出端分别用于本地交流并网与远距离直流输电；
其中，所述的三端口隔离型DC/DC变换器包含一个多绕组高频隔离变压器及两个输出整流桥，输入端口连接光伏阵列，共同组成一个光伏子模块；
所述的光伏子模块后级两个端口一个连接后级模块化多电平换流器某一相单元上桥臂的其中一个子模块，另一个连接下桥臂的其中一个子模块；连接的两个半桥子模块在各自桥臂中的位置不特定，具体选择可以综合考虑各光伏子模块高频变压器的绝缘设计优化；
所述的模块化多电平环流器为三相半桥级联拓扑，每个相单元共有上下两个桥臂，各串联一个滤波电感，连接至交流电网其中一相，每个子模块由一个半桥电路以及一个功率解耦电容组成。
在上述的一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***，每个光伏子模块的三端口DC/DC光伏变换器部分采用多个并联的方式组成多光伏阵列接入的光伏子模块，实现光伏功率等级的增加。
在上述的一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***，所述三端口隔离型DC/DC变换器采用三有源桥(TAB)变换器，隔离变压器为三绕组的高频变压器，各端口连接全桥电路以实现移相调制；各相单元上下桥臂共用同一个光伏阵列，上下桥臂光伏功率自动平衡；各相单元间的功率通过直流链路自动产生或主动注入直流环流实现平衡，实现***各桥臂光伏功率失配的消除。
在上述的一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***，包括
功率解耦控制步骤：通过三端口隔离型DC/DC变换器实现光伏接入的同时给后级模块化多电平换流器上下桥臂提供功率通道，实现上下桥臂子模块电容电压纹波差模分量的抵消；通过后级模块化多电平换流器环流控制实现子模块电容电压纹波共模分量的抵消，从而实现功率解耦电容低频纹波的完全抵消；
桥臂内各模块间的光伏功率失配消除步骤：通过比较子模块功率解耦电容电压与桥臂平均值，通过PI控制器产生一个初值为1的调节系数，半桥电路输出电压的交流分量参考值和直流分量参考值需同时乘以该系数并相加以作为半桥电路调节后的输出电压参考，从而在调节该子模块的输出功率的同时避免共模分量纹波抵消的失效。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)基于MMC***使得在实现光伏接入本地交流电网的同时实现远距离直流输电。同时，模块化的拓扑结构由多个光伏子模块组成，结构灵活、易于扩展且可实现冗余控制。每个光伏子模块分别进行最大功率跟踪控制，有效避免了集中式结构光伏***当出现局部阴影或故障时出现局部功率最大点的问题，大大提高***的光伏利用率。
(2)三端口DC/DC变换器在MMC每个相单元的上下桥臂间建立了一个功率通道，从而可以实现一倍频、三倍频的脉动功率在前级三绕组的高频变压器内抵消，实现上下桥臂子模块功率解耦电容差模分量低频纹波的抵消；采用MMC***的二倍频环流控制，在相单元间进行二倍频脉动功率的抵消，从而实现各相单元上下桥臂子模块功率解耦电容共模分量低频纹波的抵消，实现低频纹波的完全消除。通过仿真结果比较，功率解耦电容的容值可以减小30倍以上。此外，通过提高***的开关频率，可以进一步减小电容的容值，同时采用载波移相调制，可以使桥臂串联滤波电感也得到减小。
(3)每个相单元上下桥臂连接的是同一个光伏阵列，因此上下桥臂间不存在功率失配问题；相单元间由于存在一个共同的直流链路，因此相单元的功率会通过直流链路以直流环流的形式自动平衡，或主动采用直流环流控制以加快平衡速度，因此相单元间的功率失配可以被消除。因此该拓扑结构可以很好的解决光伏功率失配的问题，大大提高***并网的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的***整体拓扑图。
图2a为本发明实施例的三绕组变压器等效模型。
图2b为本发明实施例的三绕组变压的“Δ”等效电路。
图3a为本发明实施例基于TAB移相调制的功率解耦控制框图。
图3b为本发明实施例基于MMC二倍频环流控制的功率解耦控制框图。
图4为本发明实施例功率失配消除策略框图。
图5为本发明实施例的整体控制框图。
图6a为本发明实施例的功率解耦电容电压仿真波形。
图6b为传统拓扑在不采用功率解耦控制时的电容电压仿真波形。
图7a为本发明实施例的不均匀光照时输出电流仿真波形图。
图7b为本发明实施例的不均匀光照时***环流仿真波形图。
具体实施例
本发明的核心是提供一种用于大型光伏并网***的模块化电路拓扑，该拓扑具有模块化、易拓展的优点，在实现本地交流并网的同时实现远距离直流输电。与传统基于MMC的光伏并网***相比，功率解耦电容的容量可以被降低数十倍，大大提高***的功率密度。
本发明提出一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网逆变器拓扑结构，其特征在于：***包括前级输入端口与光伏阵列连接的三端口DC/DC变换器，输入端与所述多端口隔离型DC/DC变换器的两个输出端连接的半桥级联模块化多电平换流器，后级输出端分别用于本地交流并网与远距离直流输电
所述的三端口DC/DC变换器为将上下桥臂的两个子模块光伏变换器的隔离变压器集成为一个三绕组高频变压器，即采用三有源桥(Triple Active Bridge,TAB)等隔离型三端口DC/DC变换器。输入端口连接光伏阵列，构成一个光伏子模块。
所述的模块化多电平换流器为三相半桥级联MMC拓扑，各个子模块为一个半桥电路并联一个功率解耦电容。
所述的相单元为MMC同一相的所有级联半桥子模块，共有上下两个桥臂，各串联一个滤波电感，连接至交流电网其中一相。半桥级联使得相单元上下两个端子可以连接至中高压直流电网，从而进行远距离直流输电。
所述的光伏子模块包括一个三绕组变压器，一次侧串联一个辅助电感与一个H桥电路连接并连接至光伏阵列，同时并联一个光伏板端电容抑制光伏输入的电压纹波；二次侧的两个绕组各与一个H桥连接。每个光伏子模块的两个输出端口分别连接至后级MMC各相上下桥臂的其中一个子模块功率解耦电容两端。由于每个桥臂有N个子模块，因此***的每相将包含N个光伏子模块。在实现MPPT控制的同时实现上下桥臂功率的交换。
所述的三绕组高频变压器是指一次侧具有1个绕组，二次侧为两个均衡的绕组，分别对应于MMC上下桥臂两个子模块输出，所有绕组均绕制在同一磁芯上的三绕组变压器。用于原边-副边、副边-副边之间的电气隔离，以及用于交直流功率波动的功率解耦，同时可以提供电压增益，减小输入端口的串联光伏板个数。
所述的隔离型三端口DC/DC变换器采用三绕组高频变压器进行隔离，前级接光伏阵列以及谐振元件，后级两个端口整流输出。除了TAB外，还可以采用三端口LLC谐振变换器等结构以实现软开关，从而提高前级的开关频率，可以进一步减小变换器的体积并提高效率。
由于上下桥臂每一对子模块共用同一个光伏阵列，因此上下桥臂间不存在功率失配。相单元间的光伏功率通过直流链路自动平衡，即使不额外采用功率失配消除策略，也可以实现桥臂间的功率平衡，因此所述光伏变换器还可以很好的解决功率失配问题。
本发明还提供了一种利用上述拓扑***的控制方法，其特征在于：
所述的三端口隔离型DC/DC变换器输入、输出端口间的平均移相角采用MPPT算法进行控制，实现各个光伏子模块的最大功率跟踪；
所述的TAB输出侧的两个端口间移相角的微调采用功率解耦控制，主动控制MMC上下桥臂子模块间的功率交换，可以将每个相单元上下桥臂子模块电容纹波的差模分量进行抵消，并配合共模分量纹波相间抵消的MMC环流注入策略，完全抵消纹波的低频分量，从而可以将MMC功率解耦电容的容量降低数十倍，大大降低***的体积并提高***的寿命。
所述的MMC各个桥臂内各模块间的光伏功率通过调节各模块输出电压直流、交流分量的幅值，从而在满足纹波抵消的前提下实现模块间功率失配的消除。
所述的MMC根据光伏功率的大小调节各子模块的平均直流侧电压、***等效输出电压、输出电流，从而匹配与之相连的三相交流以及直流电网。
下面将结合附图中给出的本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行完整、清晰地描述。显然，附图中给出的仅仅是本发明的一个实施例而不是全部的实施例。对于本领域的技术人员来说，在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利的保护范围。
图1为本发明实施例的***整体拓扑图。如图1所示，本发明实例的***并网部分主要是基于三相半桥级联的MMC拓扑，各相的两个桥臂需分别串联一个滤波电感，通过级联子模块的载波移相调制，可以大大减小输出电流的谐波，因此无需笨重的工频变压器即可直接并网。每个光伏阵列通过一个三端口DC/DC变换器分别与MMC各相的上下桥臂的两个子模块连接，从而实现光伏的接入。三端口变换器采用三绕组变压器隔离，通过前后级全桥的移相调制，可以实现光伏的MPPT控制，同时实现上下桥臂功率的交换，从而抵消上下桥臂子模块电容的差模分量纹波。
其中，所述的三端口隔离型DC/DC变换器包括一个光伏输入端滤波电容，一个光伏输入全桥电路，一次侧辅助电感，三绕组高频隔离变压器，两个二次侧整流全桥电路。
所述的MMC并网***共有三个并联的相单元，每个相单元由上下两个桥臂组成，每个桥臂由N个半桥子模块与滤波电感L串联而成，其中半桥子模块除了半桥电路以外还包括一个功率解耦电容。通过增加级联模块的个数，每个相单元的中点可直接并入中高压交流电网，上下端点可以进行中高压直流输电。
图2(a)为所述的三绕组变压器等效模型，主要包括一次侧辅助电感与漏感组成的串联电感L1，二次侧两个绕组的漏感L2与L3，以及三个绕组N1～N3。图2(b)为所述的三绕组变压器Δ等效电路，各个端口间等效电感可以表示为
Figure BDA0003001342210000081
在本发明实施例中，MMC的每一个桥臂由三个子模块组成，开关频率2kHz，子模块电容电压的额定值为1kV；所述的TAB光伏变换器开关频率为5kHz，连接额定功率为72kW的光伏阵列，功率最大点输出电压为800V；所述的三绕组变压器等效电感L1为130uH，L2与L3为10uH，漏感800uH；并网直流电压为3kV，交流电网电压幅值为1kV。
以相单元a为例，所述的上下桥臂功率解耦电容电压纹波可以分别表示为
Figure BDA0003001342210000082
Figure BDA0003001342210000083
其中Is为电网电流幅值，θv为功率因数角；I2f与θ2f为***二倍频环流幅值和相位；m为调制比。图3为本发明实施例***的功率解耦控制框图，可以分别实现上下桥臂子模块电容纹波中以一倍频、三倍频为主的差模分量和二倍频为主的共模分量的抵消。
所述的TAB变换器各个端口全桥电路可以通过移相调制实现功率的传输，假定
Figure BDA0003001342210000085
为端口i与端口j间的移相角，vi为端口i的电压，于是端口i传输至端口j的功率为
Figure BDA0003001342210000084
由于L1比L2，L3大的多，因此端口2,3间交换的功率受相位变化比较敏感，因此在保证端口1与端口2,3间的平均移相角受MPPT控制的前提下，通过微调端口2,3间的移相角，即可实现MMC上下桥臂子模块的功率交换，从而实现差模分量纹波的抵消。假定端口2,3间微调的移相角为
Figure BDA0003001342210000091
则端口2,3间交换的功率可以被简单计算为
Figure BDA0003001342210000092
图3(a)为本发明实施例上下桥臂子模块电容电压纹波差模分量抵消的功率解耦控制框图，通过采集光伏模块所连接的两个功率解耦电容的电压差值，针对电压差值中的一倍频、三倍频分量，通过PR控制器产生对应的
Figure BDA0003001342210000093
从而实现差模分量纹波的精确抵消。结合MMC子模块实际输出功率，可以得到各相单元光伏子模块需要由上桥臂传至下桥臂的功率为
Figure BDA0003001342210000094
由此计算出移相角的前馈控制量，以加快***的动态响应。假定需要交换的功率为p23,k(k＝a,b,c)，则前馈量可以被计算为
Figure BDA0003001342210000095
对于纹波的共模分量，可以采集***的输出功率，通过***的二倍频环流控制器，将***中的二倍频环流控制为
Figure BDA0003001342210000101
即可使式(2)中的共模分量变为零，图3(b)为本发明实施例共模分量纹波抵消的功率解耦控制框图。外环控制器将各相上下桥臂电容电压平均值求和，并通过二倍频park变换得到d,q轴分量，通过PI控制器调节内环电流d,q分量参考量，直至两个分量都被控制为零；内环电流控制器比较***环流d,q分量与参考量，通过PI控制产生***输出电压d,q分量的参考值，经park反变换产生***输出电压参考量。
图4为本发明实施例的各桥臂子模块间的功率失配消除策略，由于桥臂间的功率失配消策略在本发明实施例中即使不采取额外的控制策略也可以平衡，因此仅需平衡各模块间的光伏功率。通过比较各模块电容电压与平均值的偏差，经过PI控制器调节交流电压的幅值即可平衡各模块的实际输出功率。
图5为本发明实施例的***整体控制框图，电流内环产生的电压参考与环流控制器产生的环流电压参考相加得到各个桥臂的电压参考量，再经过子模块间的功率失配消除策略与载波移相PWM调制产生各子模块开关管的开关信号。
图6(a)为本发明实施例在使用1.1mF功率解耦电容的电容纹波仿真波形。由于功率解耦控制可以完全抵消纹波的低频分量，因此纹波被大大减小，纹波峰谷差仅为25V；图6(b)为传统的基于MMC的光伏并网***在相同的功率等级下的功率解耦电容电压仿真波形，在相同的纹波峰谷差情况下，传统的拓扑需要高达35mF的功率解耦电容，比所述的基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***大了近30倍。
由于功率解耦控制完全抵消了电压纹波的低频量，因此纹波因数将主要取决于***的开关频率。通过增加***的开关频率，可以进一步减小功率解耦电容的容值，从而进一步优化***的体积和寿命。
图7为本发明实施例在各相光伏阵列初始光照均为1000W/m2，依次遭受相单元a光照降为600W/m2、相单元b的光伏子模块1,2的光照降为800W/m2后的输出电流与***环流的仿真波形。可以发现，当发生不均匀光照时，***间的环流立刻产生直流分量，从而实现各相单元的功率平衡，而子模块间的光伏功率不一致也不会对输出电流带来影响，输出电流均保持平衡且对称，***可以很好的解决功率失配问题。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***，其特征在于：***包括前级输入端口与光伏阵列连接的三端口DC/DC变换器，输入端与所述多端口隔离型DC/DC变换器的两个输出端连接的半桥级联模块化多电平换流器，后级输出端分别用于本地交流并网与远距离直流输电；
其中，所述的三端口隔离型DC/DC变换器包含一个多绕组高频隔离变压器及两个输出整流桥，输入端口连接光伏阵列，共同组成一个光伏子模块；
所述的光伏子模块后级两个端口一个连接后级模块化多电平换流器某一相单元上桥臂的其中一个子模块，另一个连接下桥臂的其中一个子模块；连接的两个半桥子模块在各自桥臂中的位置不特定，具体选择可以综合考虑各光伏子模块高频变压器的绝缘设计优化；
所述的模块化多电平环流器为三相半桥级联拓扑，每个相单元共有上下两个桥臂，各串联一个滤波电感，连接至交流电网其中一相，每个子模块由一个半桥电路以及一个功率解耦电容组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***，其特征在于：每个光伏子模块的三端口DC/DC光伏变换器部分采用多个并联的方式组成多光伏阵列接入的光伏子模块，实现光伏功率等级的增加。
3.根据权利要求1所述的一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***，其特征在于：所述三端口隔离型DC/DC变换器采用三有源桥(TAB)变换器，隔离变压器为三绕组的高频变压器，各端口连接全桥电路以实现移相调制；各相单元上下桥臂共用同一个光伏阵列，上下桥臂光伏功率自动平衡；各相单元间的功率通过直流链路自动产生或主动注入直流环流实现平衡，实现***各桥臂光伏功率失配的消除。
4.根据权利要求1所述的一种基于三端口功率通道的新型模块化光伏并网***的控制方法，其特征在于：包括
功率解耦控制步骤：通过三端口隔离型DC/DC变换器实现光伏接入的同时给后级模块化多电平换流器上下桥臂提供功率通道，实现上下桥臂子模块电容电压纹波差模分量的抵消；通过后级模块化多电平换流器环流控制实现子模块电容电压纹波共模分量的抵消，从而实现功率解耦电容低频纹波的完全抵消；
桥臂内各模块间的光伏功率失配消除步骤：通过比较子模块功率解耦电容电压与桥臂平均值，通过PI控制器产生一个初值为1的调节系数，半桥电路输出电压的交流分量参考值和直流分量参考值需同时乘以该系数并相加以作为半桥电路调节后的输出电压参考，从而在调节该子模块的输出功率的同时避免共模分量纹波抵消的失效。
CN202110347766.7A 2021-03-31 2021-03-31 基于三端口功率通道的模块化光伏并网***及控制方法 Active CN113078674B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110347766.7A CN113078674B (zh) 2021-03-31 2021-03-31 基于三端口功率通道的模块化光伏并网***及控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110347766.7A CN113078674B (zh) 2021-03-31 2021-03-31 基于三端口功率通道的模块化光伏并网***及控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113078674A true CN113078674A (zh) 2021-07-06
CN113078674B CN113078674B (zh) 2022-08-30

Family

ID=76614187

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110347766.7A Active CN113078674B (zh) 2021-03-31 2021-03-31 基于三端口功率通道的模块化光伏并网***及控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113078674B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113541477A (zh) * 2021-07-21 2021-10-22 深圳职业技术学院 一种用于高压直流输电***的升压模块化dc-dc变换器
CN113992046A (zh) * 2021-10-15 2022-01-28 武汉大学 Isos型环状交直流三端口六边形mmc及控制方法
CN114499133A (zh) * 2022-03-31 2022-05-13 广东电网有限责任公司阳江供电局 Mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法
CN114696630A (zh) * 2022-05-31 2022-07-01 武汉大学 一种自举式补偿的三端口变流器及其控制方法与***
CN114759581A (zh) * 2022-05-27 2022-07-15 上海交通大学 基于能量控制的风电柔直送出次同步振荡抑制方法及***
CN115459606A (zh) * 2022-10-08 2022-12-09 云南电网有限责任公司电力科学研究院 基于三端口变换器的端口电源控制电路及方法
WO2023050215A1 (zh) * 2021-09-29 2023-04-06 西门子（中国）有限公司 制氢***

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101777775A (zh) * 2010-02-26 2010-07-14 东南大学 一种高频隔离单相光伏并网***及其控制方法
CN103887788A (zh) * 2014-03-25 2014-06-25 华中科技大学 一种多端口直流-直流自耦变压器及其应用
CN104092239A (zh) * 2014-06-25 2014-10-08 国家电网公司 一种基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法
CN204103504U (zh) * 2014-08-25 2015-01-14 特变电工新疆新能源股份有限公司 一种基于中高压直流接入的光伏并网发电***
CN108768193A (zh) * 2018-05-03 2018-11-06 浙江大学 一种基于功率解耦的模块化多电平电路
US20190199096A1 (en) * 2017-12-21 2019-06-27 The Governors Of The University Of Alberta Multi-terminal modular dc-dc converter for dc networks
CN110601542A (zh) * 2019-09-11 2019-12-20 哈尔滨工程大学 光伏***储能隔离式三端口dc-dc变换器及控制方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101777775A (zh) * 2010-02-26 2010-07-14 东南大学 一种高频隔离单相光伏并网***及其控制方法
CN103887788A (zh) * 2014-03-25 2014-06-25 华中科技大学 一种多端口直流-直流自耦变压器及其应用
CN104092239A (zh) * 2014-06-25 2014-10-08 国家电网公司 一种基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法
CN204103504U (zh) * 2014-08-25 2015-01-14 特变电工新疆新能源股份有限公司 一种基于中高压直流接入的光伏并网发电***
US20190199096A1 (en) * 2017-12-21 2019-06-27 The Governors Of The University Of Alberta Multi-terminal modular dc-dc converter for dc networks
CN108768193A (zh) * 2018-05-03 2018-11-06 浙江大学 一种基于功率解耦的模块化多电平电路
CN110601542A (zh) * 2019-09-11 2019-12-20 哈尔滨工程大学 光伏***储能隔离式三端口dc-dc变换器及控制方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PAN XICAI: "Circulating Current Analysis and Power Mismatch Elimination Strategy for an MMC-Based Photovoltaic System", 《 2020 IEEE ENERGY CONVERSION CONGRESS AND EXPOSITION (ECCE)》 *
SHANGZHI PAN: "A Modular Multi-Level High Power Motor Drive Topology with Minimum Power Decoupling Capacitance", 《 IECON 2020 THE 46TH ANNUAL CONFERENCE OF THE IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY》 *
姚致清等: "基于模块化多电平换流器的大型光伏并网***仿真研究", 《中国电机工程学报》 *
郝利东,潘尚智: "一种适应于两级直流配电***的光伏直流变换器及控制策略研究", 《电工电能新技术》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113541477A (zh) * 2021-07-21 2021-10-22 深圳职业技术学院 一种用于高压直流输电***的升压模块化dc-dc变换器
CN113541477B (zh) * 2021-07-21 2022-08-02 深圳职业技术学院 一种用于高压直流输电***的升压模块化dc-dc变换器
WO2023050215A1 (zh) * 2021-09-29 2023-04-06 西门子（中国）有限公司 制氢***
CN113992046A (zh) * 2021-10-15 2022-01-28 武汉大学 Isos型环状交直流三端口六边形mmc及控制方法
CN114499133A (zh) * 2022-03-31 2022-05-13 广东电网有限责任公司阳江供电局 Mmc型dc-dc变换器的一次电流谐波消除方法
CN114759581A (zh) * 2022-05-27 2022-07-15 上海交通大学 基于能量控制的风电柔直送出次同步振荡抑制方法及***
CN114759581B (zh) * 2022-05-27 2024-04-19 上海交通大学 基于能量控制的风电柔直送出次同步振荡抑制方法及***
CN114696630A (zh) * 2022-05-31 2022-07-01 武汉大学 一种自举式补偿的三端口变流器及其控制方法与***
CN114696630B (zh) * 2022-05-31 2022-08-16 武汉大学 一种自举式补偿的三端口变流器及其控制方法与***
CN115459606A (zh) * 2022-10-08 2022-12-09 云南电网有限责任公司电力科学研究院 基于三端口变换器的端口电源控制电路及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113078674B (zh) 2022-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113078674B (zh) 基于三端口功率通道的模块化光伏并网***及控制方法
CN107947146B (zh) 基于模块化多电平变换器的直流电网及多层容错控制方法
CN111277159A (zh) 一种模块化三相光伏逆变器及其拓扑***
CN113037117B (zh) 一种基于四有源桥的mmc-sst拓扑及控制方法
CN107592017B (zh) 一种dc-dc变换器及控制方法
CN113938038B (zh) 一种基于mmc的高频交流母线电能路由结构及控制策略
CN110022077B (zh) 面向交直流混合配电网的功率复合型模块化多电平固态变压器拓扑结构
Li et al. Operation, analysis and experiments of DC transformers based on modular multilevel converters for HVDC applications
US11929624B2 (en) Module-shared flexible loop closing controller topology for power grid
Pan et al. Decoupling capacitor minimization of an MMC-based photovoltaic system with three-winding power channel
Wei et al. Second harmonic ripple voltage suppression for single-phase ISOP solid-state transformer by active power decoupling
CN112701944B (zh) 基于***功率单元的多电平变换器的拓扑结构及控制策略
Teng et al. Low-capacitance CHB-based SST based on resonant push–pull decoupling channel
CN111030483A (zh) 一种电力电子变压器及控制方法
CN114825882B (zh) 基于三相集成磁耦合纹波转移的模块化光伏逆变器及方法
CN113629985B (zh) 一种chb-qab拓扑结构的子模块电容优化控制方法
CN111404409A (zh) 基于mmc的多端口电力电子变压器拓扑及其控制方法
CN113241962B (zh) 一种基于三相四桥臂mmc的电力电子变压器及其控制方法
CN114553010A (zh) 多相输入并联输出并联双有源全桥变换器及均流控制方法
Liu et al. Studies of large‐scale DC connected photovoltaic power system based on multi‐modular cascaded DC‐DC converter
CN110311543B (zh) 级联h桥变换器故障时拓扑重构及其功率因数角计算方法
CN117277826B (zh) 无隔离变压器的柔性互联装置及其环流抑制方法、***
Helali et al. Voltage Balance Control of Five-Level Cascaded H-Bridge Rectifier-Based Smart Transformer
Aljumah et al. SiC-based Isolated Three-port DC-DC Converter Implementation for MV Microgrid Applications
Saravanakrishnan et al. Control Strategy for Renewable Energy System Using Transformerless HERIC Bridge Inverter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant