CN114499259B - 一种单相五电平光伏并网逆变器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有有源功率解耦及升压功能的单相五电平光伏并网逆变器及其控制方法。该五电平逆变器由光伏电池、母线电容、第一半桥换向电路、第二半桥升压电路、第三半桥T型三电平电路及滤波电路组成。第一半桥换向电路的上下端与母线电容正负极相连，桥臂中点与电网负端相连。光伏电池正极通过直流滤波电感连到第二半桥电路中点，共同组成第二半桥升压电路。第三半桥T型三电平电路的输入端与光伏电池相连，上下端与母线电容正负极相连，其中点与滤波电路的一端相连，滤波电路另一端连至电网正极。通过闭环实时控制光伏电池电压为恒定值以及并网电流为正弦值可自动实现该单相五电平逆变***的功率解耦。所提逆变器拓扑及控制策略在实现多电平输出的同时具有升压及有源功率解耦功能，可有效提高光伏逆变***的最大功率点追踪效率和可靠性。

Description

一种单相五电平光伏并网逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域及光伏新能源发电领域，特别涉及一种具有有源功率解耦及升压功能的单相光伏五电平并网逆变器及其控制策略。
背景技术
随着传统化石能源的日益枯竭以及环境污染问题的日益严重，光伏发电等清洁能源已经成为当前世界研究的热点。光伏逆变器作为光伏发电***的重要组成部分，对***的安全、可靠运行及能量的高效利用起着至关重要的作用。
随着电力电子技术的发展及光伏产业“硅进铜出”战略的提出，光伏逆变器朝着高效化、高功率密度化和中高压方向发展。相比较于传统的三电平逆变器，多电平逆变器具有电压应力小、并网电流谐波低及滤波电感小等优点，因此被广泛应用于中高压场合。然而传统的多电平逆变器所需大量元器件的同时其功能单一，因此器件利用率较低。
此外，在单相逆变器***中，***固有的二倍频功率脉动将影响并网电流电能质量，降低***最大功率点追踪效率。为了缓冲二倍频功率脉动，通常有两类方法：1)在直流侧并入较大的电解电容或LC串联谐振电路；2)额外加入有源解耦电路。方法一简单、直接，但笨重的电解电容或LC谐振电路降低了***的功率密度和可靠性；而方法二需要额外的硬件电路，增加了***的成本。
发明内容
本发明提供了一种单相五电平光伏并网逆变器及其控制策略，其目的是为了实现单相光伏发电***多电平输出、升压及功率解耦等功能的同时降低光伏发电***的成本。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种具有有源功率解耦及升压功能的单相五电平光伏并网逆变器及其控制策略，具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种单相五电平光伏并网逆变器拓扑，包括光伏电池、母线电容、第一半桥换向电路、第二半桥升压电路、第三半桥T型三电平电路及滤波电路；其中，
第一半桥换向电路由上、下桥臂开关管S1和S2组成；第二半桥升压电路由上、下桥臂开关管S3，S4及直流滤波电感组成；第三半桥T型三电平电路由上、下桥臂开关管S6、S7及中点开关管S5组成；滤波电路由L型滤波器或LC或LCL型滤波器组成。
第一半桥换向电路开关管S1的集电极与母线电容正极相连，开关管S1射极与开关管S2的极电极相连，其连接点为第一半桥换向电路的中点，中点与电网负极相连；开关管S2的射极与母线电容的负极相连；
第二半桥升压电路开关管S3集电极与母线电容正极相连，开关管S3射极与开关管S4的极电极相连，其连接点为第二半桥升压电路的中点，中点与直流滤波电感L1的一端相连；直流滤波电感L1的另一端与光伏电池正极相连；开关管S4的射极与母线电容的负极相连；
第三半桥T型三电平电路开关管S6集电极与母线电容正极相连，开关管S6射极与开关管S7的极电极相连，连接点为T型三电平电路中点，其中点与开关管S5的一端相连，另一端与交流滤波器一端相连；开关管S5的另一端与光伏电池正极相连，开关管S7的射极与母线电容的负极相连；交流滤波电路的另一端与电网正极相连。
该单相五电平逆变器拓扑在一个工频周期内可输出五种电平，具体为：当开关管S2，S7导通或开关管S1，S6导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压Vab为0；当开关管S2和S5导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压Vab为Vpv；当开关管S2和S6导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压Vab为Vdc；当开关管S1和S5导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压Vab为Vpv-Vdc；当开关管S1和S7导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压Vab为-Vdc.
第二方面，本发明实施例提供了一种单相五电平光伏并网逆变器控制策略，应用于第一方面所述的单相五电平光伏并网逆变器，控制方法为：
逆变功能由第一半桥换向电路和第三半桥T型三电平电路共同完成；升压功能、有源功率解耦功能及光伏最大功率点追踪功能由第二半桥升压电路完成。
其中，逆变部分的控制实现步骤如下：
步骤11：设置母线电容电压参考恒定为Udcref，将母线电容参考电压与经过二倍频陷波器处理后的反馈电压作差，将作差后的值输入电压外环控制器，电压环控制器输出为电流内环参考的幅值；
步骤12：电流参考幅值与锁相环锁出角度的余弦值相乘得到电流环参考，电流环参考与并网反馈电流作差后送入电流环控制器；
步骤13：电流环控制器输出为调制波，将调制波与移相载波或层叠载波比较后生成PWM波，来驱动开关管S1，S2，S5，S6，S7.
其中，升压及功率解耦部分的控制实现步骤如下：
步骤21：通过最大功率点追踪算法获取光伏电池参考电压Upvref，将参考电压与反馈电压作差后送入电压环控制器，电压环控制器输出为电流环参考；
步骤22：将电流参考与反馈电流作差后送入电流环控制器，电流环控制器输出为调制波；
步骤23：将调制波与载波比较后生成PWM波来驱动开关管S3和S4.
进一步的，步骤21中电压环控制器需采用具有3次、5次、7次等奇数次谐波抑制能力的多谐振控制器或重复控制器来实现光伏输入侧与逆变器输出侧的功率解耦。
本发明提出了一种单相五电平光伏并网逆变器及其控制策略，与现有技术相比具有以下优点：
1.开关器件少，成本低。所提逆变器拓扑只需七开关便可实现升压和五电平输出功能，在实现光伏逆变器多功能的同时降低了***成本；
2.可靠性高，功率密度高。通过所提控制策略，无需额外硬件电路即可实现***的功率自然解耦，可用较小薄膜电容替代笨重电解电容，提高了***可靠性和功率密度。
因此，本发明所提方案非常适合于单相光伏发电***。
附图说明
图1为本发明实施例的单相五电平光伏并网逆变器的拓扑结构图；
图2-3为图1所示单相五电平光伏逆变器的调制图及工作原理示意图；
图4为图1所示单相五电平逆变器控制策略示意图；
图5为本发明实施例的动、稳态仿真波形图。
【附图标记说明】
1-第一半桥换向电路；2-第二半桥升压电路；3-第三半桥T型三电平电路；4-滤波电路；
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，一种具有有源功率解耦和升压功能的单相五电平光伏并网逆变器，包括光伏电池PV、母线电容Cdc、第一半桥换向电路、第二半桥升压电路、第三半桥T型三电平电路及滤波电路；其中，
第一半桥换向电路由上、下桥臂开关管S1和S2组成；第二半桥升压电路由上、下桥臂开关管S3，S4及直流滤波电感组成；第三半桥T型三电平电路由上、下桥臂开关管S6、S7及中点开关管S5组成；滤波电路由L型滤波器或LC或LCL型滤波器组成。
第一半桥换向电路开关管S1的集电极与母线电容正极相连，开关管S1射极与开关管S2的极电极相连，其连接点为第一半桥换向电路的中点，中点与电网负极相连；开关管S2的射极与母线电容的负极相连；
第二半桥升压电路开关管S3集电极与母线电容正极相连，开关管S3射极与开关管S4的极电极相连，其连接点为第二半桥升压电路的中点，中点与直流滤波电感L1的一端相连；直流滤波电感L1的另一端与光伏电池正极相连；开关管S4的射极与母线电容的负极相连；
第三半桥T型三电平电路开关管S6集电极与母线电容正极相连，开关管S6射极与开关管S7的极电极相连，连接点为T型三电平电路中点，其中点与开关管S5的一端相连，另一端与交流滤波器一端相连；开关管S5的另一端与光伏电池正极相连，开关管S7的射极与母线电容的负极相连；交流滤波电路的另一端与电网正极相连。
需要说明的是，上述开关管S5由两个传统单向开关管反向串联组成；其他开关管均由带反并联二极管的开关管组成。
图2和图3分别为基于图1所示单相五电平逆变器的调制波形图和工作原理图。
如图3(a)和3(b)所示，当开关管S2，S7导通或开关管S1，S6导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为0电平；
如图3(c)所示，当开关管S2和S5导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为Vpv；
如图3(d)所示，当开关管S2和S6导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为Vdc；
如图3(e)所示，当开关管S1和S5导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为Vpv-Vdc；
如图3(f)所示，当开关管S1和S7导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为-Vdc。
基于图1所示单相五电平逆变器，本发明实施例提供了一种针对此电路的控制策略，其控制结构示意图如图4所示。其中，***的控制包含逆变部分和升压、功率解耦部分。
逆变部分的控制实现步骤如下：
步骤11：设置母线电容电压参考恒定为Udcref，将母线电容参考电压与经过二倍频陷波器Gnoth(s)处理后的反馈电压作差，将作差后的值输入电压外环控制器Giv(s)，电压环控制器输出为电流内环参考的幅值Im；其中二倍频陷波器的传递函数为：
式中ξ为带宽系数，ωn＝4πf0，f0为基波频率。
步骤12：电流参考幅值与锁相环锁出角度的正弦值相乘得到电流环参考Igref，电流环参考与并网反馈电流作差后送入电流环控制器Gii(s)；
步骤13：电流环控制器输出为调制波vm1，将调制波与移相载波或层叠载波vcr比较后生成PWM波，来驱动开关管S1，S2，S5，S6，S7.
升压及功率解耦部分的控制实现步骤如下：
步骤21：通过最大功率点追踪算法获取光伏电池参考电压Upvref，将参考电压与反馈电压作差后送入电压环控制器Gbv(s)，电压环控制器输出为电流环参考Ilref；
步骤22：将电流参考与反馈电流作差后送入电流环控制器Gbi(s)，电流环控制器输出为调制波vm2；
步骤23：将调制波与载波vtr比较后生成PWM波来驱动开关管S3和S4.
需要强调的是，步骤21中电压环控制器Gbv(s)需采用具有3次、5次、7次等奇数次谐波抑制能力的多谐振控制器或重复控制器来避免脉动功率渗透至光伏电池侧，从而实现光伏输入侧与逆变器输出侧的自然功率解耦。
为了验证所提拓扑结构及控制策略的优越性能，搭建了图1中所示的单相五电平光伏并网逆变器仿真平台，***参数如下表1所示。图5(a)为稳态下仿真波形图,图5(b)为光照突变时***的动态仿真波形图。从上述图中可以看出，本发明所提***具有升压和五电平输出的同时实现了良好的功率解耦，因此非常适合于单相光伏发电***。
表1***参数
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有有源功率解耦及升压功能的单相五电平光伏并网逆变器，其特征在于，由光伏电池、母线电容、第一半桥换向电路、第二半桥升压电路、第三半桥T型三电平电路及滤波电路组成；
第一半桥换向电路由上、下桥臂开关管S1和S2组成；第二半桥升压电路由上、下桥臂开关管S3，S4及直流滤波电感组成，第三半桥T型三电平电路由上、下桥臂开关管S6、S7及中点开关管S5组成，滤波电路由L型滤波器或LC或LCL型滤波器组成；
第一半桥换向电路开关管S1的集电极与母线电容正极相连，开关管S1射极与开关管S2的极电极相连，其连接点为第一半桥换向电路的中点，中点与电网负极相连，开关管S2的射极与母线电容的负极相连；
第二半桥升压电路开关管S3集电极与母线电容正极相连，开关管S3射极与开关管S4的极电极相连，其连接点为第二半桥升压电路的中点，中点与直流滤波电感L1的一端相连，直流滤波电感L1的另一端与光伏电池正极相连，开关管S4的射极与母线电容的负极相连；
第三半桥T型三电平电路开关管S6集电极与母线电容正极相连，开关管S6射极与开关管S7的极电极相连，连接点为T型三电平电路中点，其中点与开关管S5的一端以及交流滤波器一端相连，开关管S5的另一端与光伏电池正极相连，开关管S7的射极与母线电容的负极相连，交流滤波电路的另一端与电网正极相连。
2.根据权利要求1所述的单相五电平光伏并网逆变器，其特征在于，电路中双向开关管S5由两个传统单向开关管反向串联组成，开关管S1，S2，S3，S4，S6，S7均由带反并联二极管的开关管组成。
3.根据权利要求1所述的单相五电平光伏并网逆变器，其特征在于，一个工频周期内可输出五种电平，分别为：
导通开关管S2，S7或导通开关管S1，S6，其他开关管均关断，变换器输出电压Vab为0；
导通开关管S2和S5，其他开关管均关断，变换器输出电压Vab为Vpv；
导通开关管S2和S6，其他开关管均关断，变换器输出电压Vab为Vdc；
导通开关管S1和S5，其他开关管均关断，变换器输出电压Vab为Vpv-Vdc；
导通开关管S1和S7，其他开关管均关断，变换器输出电压Vab为-Vdc；
其中Vpv为光伏电压，Vdc为直流母线电压。
4.权利要求1-3任一所述的单相五电平光伏并网逆变器的控制方法为：
逆变功能由第一半桥换向电路和第三半桥T型三电平电路共同完成；升压功能、有源功率解耦功能及光伏最大功率点追踪功能由第二半桥升压电路完成。
5.根据权利要求4所述的单相五电平光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，逆变部分的控制实现步骤如下：
步骤11：设置母线电容电压参考恒定为Udcref，将母线电容参考电压与经过二倍频陷波器处理后的反馈电压作差，将作差后的值输入电压外环控制器，电压环控制器输出为电流内环参考的幅值；
步骤12：电流参考幅值与锁相环锁出角度的余弦值相乘得到电流环参考，电流环参考与并网反馈电流作差后送入电流环控制器；
步骤13：电流环控制器输出为调制波，将调制波与移相载波或层叠载波比较后生成PWM波，来驱动开关管S1，S2，S5，S6，S7。
6.根据权利要求4所述的单相五电平光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，升压及功率解耦部分的控制实现步骤如下：
步骤21：通过最大功率点追踪算法获取光伏电池参考电压Upvref，将参考电压与反馈电压作差后送入电压环控制器，电压环控制器输出为电流环参考；
步骤22：将电流参考与反馈电流作差后送入电流环控制器，电流环控制器输出为调制波；
步骤23：将调制波与载波比较后生成PWM波来驱动开关管S3和S4。
7.根据权利要求6所述的单相五电平光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤21中电压环控制器需采用具有3次、5次、7次等奇数次谐波抑制能力的多谐振控制器或重复控制器来实现光伏输入侧与逆变器输出侧的功率解耦。
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