CN104467006B - 三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统 - Google Patents

三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，它包括主控制器、光纤通信单元、多个分控制器、驱动器一、驱动器二、过零比较器、电压互感器；所述主控制器通过光纤通信单元与各个分控制器相连，分控制器用于驱动DC‑DC模块的信号直接与驱动器二连接，分控制器用于驱动DC‑AC模块的信号与过零比较器输出信号相乘后连接驱动器一。本发明结构简单、操作方便，可以实现对三相级联多电平光伏并网逆变器的每个DC‑DC模块、DC‑AC模块的独立控制，同一相的不同模块工作互相不影响，三相逆变完全独立控制，提高了电路可靠性和稳定性，所控制的三相级联多电平逆变器直流电压利用率高，开关管的开关频率低，系统能量利用率高。

Description

三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统
所属技术领域
本发明涉及到光伏逆变发电设备领域，特指一种专供光伏发电站使用的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统。
背景技术
随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断增加，世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时，由于大量燃烧矿物能源，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和发展构成了很大的威胁。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的高度重视，各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展。
级联多电平逆变器作为高压大功率变换器的一种拓扑结构，近年来受到了专家学者的密切关注，随着光伏发电技术的发展，级联多电平逆变器被广泛用于光伏发电领域。然而级联多电平逆变器的实现更大程度上决定于控制系统的设计及控制方法的选择，级联单元数越多，其控制系统越复杂。现阶段级联多电平逆变器的控制方法多采用载波调制、空间矢量调制、
特定谐波消除法以及由这三种典型调制法派生的其他调制方法，这些调制方法随着级联单元数的增加，其实现难度越大。
三相级联型多电平光伏并网逆变器控制系统是专为三相级联多电平光伏并网逆变器设计的控制系统，该控制系统可以独立控制各级联逆变单元的功率输出，使得光伏逆变系统中电池板工作在不匹配的状态下也可以进行独立的最大功率点跟踪(MaximumPower Point Tracking，简称mppt)控制，三相级联多电平逆变器可以在开关频率较低的情况下获得满意的输出效果，不仅降低了开关损耗，减小了滤波器体积，节约了滤波器成本，同时有效地提高了功率变换系统的效率。三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统控制三相级联多电平逆变器可以实现n+1冗余设计，克服由于光照强度变化而导致的逆变器输出电压波动，允许光伏电池阵列宽范围输出电压调节，输出电压波形质量提高，谐波畸变率小。
发明内容
本发明的目的旨在设计一种三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，使得各个光伏电池阵列在不匹配的状态下实现独立的最大功率点跟踪，保证级联多电平逆变器稳定可靠运行以及整个级联多电平光伏并网逆变器控制系统的协同配合，最终实现输出电压跟踪电网电压的变化。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：三相级联多电平光伏并网逆变器的主电路每一相均包括n个PV阵列(即光伏电池阵列)、n个DC-DC模块、n个DC-AC模块，所述PV阵列输出直流电压经电容滤波后作为DC-DC模块的电源，DC-DC模块由控制系统进行控制，实现mppt控制，且保证各个DC-DC模块的输出电压相等，满足等电压级联多电平逆变器的电源电压要求，DC-DC模块输出电压经电容滤波后作为DC-AC模块的电源，DC-AC模块由控制系统进行控制，多个DC-AC模块的输出端串联，经电感滤波后输出。三相逆变器的每一相主电路结构完全一致，输出端Y形连接。
所述控制系统包括主控制器、光纤通信单元、多个分控制器、过零比较器、电压互感器和驱动器，所述驱动器包括驱动器一和驱动器二，主控制器通过光纤通信单元与各个分控制器相连，分控制器输出的用于驱动DC-DC模块的控制信号线直接与驱动器二相连，分控制器输出的用于控制DC-AC模块的控制信号与过零比较器相乘后连接驱动器一，驱动器二与DC-DC模块相连，用于控制DC-DC模块的电压变换和mppt控制，驱动器一与DC-AC模块相连，用于控制DC-AC模块的逆变。
所述主控制器和分控制器构成两级分布式计算机控制系统，利用电网电压信号实现各个串联逆变器的同步和协调，包括以下控制步骤：
步骤一：主控制器检测电网电压幅值UaMAX，UbMAX，UcMAX和频率f；
步骤二：电网电压经电压互感器转换为适合控制系统的低压信号，该低压信号经过零比较器输出PWMa、PWMb、PWMc三个方波信号；
步骤三：主控制器检测三相级联多电平逆变器各相的有效DC-AC模块数并计为n，如果某一相的DC-AC模块不能正常工作，则把其他两相相应位置上的模块忽略，同时给各个分控制器及其对应的DC-AC模块顺序编号1，2，3，i，n；
步骤四：主控制器根据检测的三相电压幅值UaMAX，UbMAX，UcMAX给分控制发出指令，要求各相的DC-DC模块输出电压分别为UaMAX/n、UbMAX/n、UcMAX/n；
步骤五：主控制器检测PWMa、PWMb、PWMc信号的过零点，根据各相模块的具体编号计算DC-AC模块输出电压UaMAX/n、UbMAX/n、UcMAX/n的相位角及持续时间：
同一相上相邻两个DC-AC模块输出电压的相位差为：
三相对应第i个DC-AC模块距PWMa、PWMb、PWMc信号的过零点的相位角为：从该时刻开始启动对应第i个DC-AC模块工作。
三相对应第i个DC-AC模块持续工作的时间为：[2n-(2i-1)]/(4nf)
步骤六：各个分控制器根据主控制器给予的编号以及要求的对应DC-AC模块工作的相位角和工作持续时间确定各个DC-AC模块的控制信号。
步骤七：分控制器根据所控制的DC-AC模块所在相及编号输出控制信号，该信号分别与PWMa、PWMb、PWMc信号相乘，所得信号送驱动模块一，用于驱动DC-AC模块，实现级联逆变器输出电压正负半周对称。
骤八：分控制器通过检测相应位置的PV模块输出电压及电流，以及主控制器要求对应DC-DC模块输出电压为UaMAX/n、UbMAX/n、UcMAX/n，计算各个DC-DC模块上开关管的脉宽调制信号占空比，实现PV模块的最大功率点跟踪控制。
与现有技术相比，本发明的上述方案可以实现对每个DC-DC模块、DC-AC模块的独立控制，同一相的不同模块工作互相不影响，实现三相完全独立控制，增加了系统的可靠性，所控制的三相级联多电平逆变器直流电压利用率高，开关管的开关频率低，系统效率高。本发明采用电网电压信号实现各个DC-AC模块之间的同步和协调，减少了对通讯电路容量的要求，提高了控制系统的可靠性，节约了成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是三相级联多电平光伏并网逆变器及控制系统的结构框架示意图：
图2是本发明的控制系统框架结构示意图；
图3是本发明A相的主电路结构图；
图4是A相典型波形图；
图5是本发明的具体实施例。
图例说明
1、PV阵列 2、DC-DC模块 3、DC-AC模块
4、控制系统 41、主控制器 42、光纤通信单元
43、分控制器 44、驱动器一 45、驱动器二
46、过零比较器 5、电压互感器
符号说明
Ca1、Ca2、Ca3、Can、Ca1′、Ca2′、Ca3′、Can′：A相滤波电容
Cb1、Cb2、Cb3、Cbn、Cb1′、Cb2′、Cb3′、Cbn′：B相滤波电容
Cc1、Cc2、Cc3、Ccn、Cc1′、Cc2′、Cc3′、Ccn′：C相滤波电容
Qa1、Qa2、Qan、Q11、Q12、Q13、Q14、Q21、Q22、Q23、Q24、Qn1、Qn2、Qn3、Qn4：IGBT
LA、LB、LC：滤波电感 La1、La2、Lan：储能电感
Da1、Da2、Dan：二极管
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的三相级联多电平光伏并网逆变器及其控制系统，它包括3n个PV阵列(1)、3n个DC-DC模块(2)、3n个DC-AC模块(3)、控制系统(4)，PV阵列(1)输出电压分别经电容器滤波后与DC-DC模块(2)连接，DC-DC模块(2)输出电压分别经电容器滤波后与DC-AC模块(3)连接，每一相的n个DC-AC模块(3)输出端依次串联，经电感Lx(x为A、B、C)滤波后，从a、b、c端输出电压与电网连接，O为三相的中点。
参见图2所示，控制系统(4)包括主控制器(41)、光纤通信单元(42)、n个分控制器(43)、n个驱动器一(44)、n个驱动器二(45)、过零比较器(46)和电压互感器(5)，主控制器(41)通过光纤通信单元(42)与n个的分控制器(43)的输入端相连，分控制器(43)的输出端与n个驱动器一(44)和n个驱动器二(45)相连，一个驱动器二(45)连接三相逆变器相同位置上的3个DC-DC模块(2)的开关器件，n个驱动器二(45)的输出信号直接接到3n个DC-DC模块(2)的开关器件的门极，一个驱动器一(44)连接三相逆变器相同位置上的3个DC-AC模块(3)的开关器件，n个驱动器一(44)的输出信号直接接到3n个DC-AC模块(3)的各个开关器件的门极。
参见图3，A相主电路由n个PV阵列(1)、n个DC-DC模块(2)、n个DC-AC模块(3)组成，各个DC-DC模块(2)由一个开关器件Qai(i取1、2、……、n)和电感Lai(i取1、2、……、n)以及二极管Dai(i取1、2、……、n)组成，各个DC-AC模块(3)由四个开关器件Qi1、Qi2、Qi3、Qi4(i取1、2、……、n)、组成，输出端电感LA起滤波作用。三相逆变器的其他两相主电路跟A相主电路完全一致。
参见图4所示，A相典型信号波形，PWMa的过零点开始计时，相邻DC-AC模块工作时序相位差Δφ＝π/(2n)，第i个模块在(i+1/2)Δφ相位开始工作，工作持续时间[2n-(2i-1)]/(4nf)。分控制器输出的控制DC-AC模块的控制信号如果直接控制DC-AC模块则得到电压u波形，为了使得输出波形是正弦，如图4中的uaO，必须把分控制器输出的控制DC-AC模块的控制信号与相应相的过零比较器输出的信号相乘。
参见图5所示，本实施例的主电路有9个PV阵列(1)、9个DC-DC模块(2)、9个DC-AC模块(3)，每一相由3个DC-AC模块(3)的输出端串联组成三相三级逆变器。在本实施例中，光纤通信单元(42)采用光纤通信，主控制器(41)和分控制器(43)均采用嵌入式计算机控制单元。本实施例中，该控制系统(4)由1个主控制器(41)、1个光纤通信单元(42)和3个分控制器(43)、3个驱动器一(44)、3个驱动器二(45)、一个过零比较器(46)和一个三相电压互感器(5)组成；A、B、C三相的相同级的3个DC-DC模块(2)及其对应的DC-AC模块(3)共用一个独立的分控制器(43)，其作用为实现对DC-DC模块(2)以及DC-AC模块(3)的控制和保护，分控制器(43)检测PV阵列(1)的输出电压信号和输出电流信号用于实现对PV阵列(1)的mppt控制；主控制器(41)的功能是调节、保护和实现各DC-AC模块(3)的同步工作。DC-AC模块(3)对地的电压是浮动的，因此，分控制器(43)互相之间及它们对地在电气上是隔离的，主控制器(41)和分控制器(43)之间采用光纤通讯。分控制器(43)和主控制器(41)形成两级分布式计算机控制。
工作时，第1级的主控制器(41)先进行数据处理，再通过光纤通信单元(42)的光纤通讯将控制信号分别送至位于第2级的分控制器(43)，分控制器(43)根据主控制器(41)的控制信号，分别控制DC-DC模块(2)和DC-AC模块(3)。在工作中，分控制器(43)检测DC-DC模块(2)的输入电压和输出电流实现对PV阵列(1)的mppt控制，主控制器(41)通过检测逆变器的电网电压参数，给各个分控制器(43)发送控制信号，各个分控制器(43)调整相应的DC-DC模块(2)和DC-AC模块(3)的工作状态。
以上仅为本发明的一个实施例，本发明并不局限于上述实施例，只要属于本发明构思下的技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，包括主控制器(41)、光纤通信单元(42)、n个分控制器(43)、n个驱动器一(44)、n个驱动器二(45)、过零比较器(46)和电压互感器(5)，所述主控制器(41)通过光纤通信单元(42)与各个分控制器(43)相连，分控制器(43)的输出端与驱动器相连，其特征在于：基于二级分布式控制系统，具有独立控制三相级联多电平并网光伏逆变器各级联模块及各相输出电压的功能；
所述主控制器(41)检测电网电压幅值UaMAX、UbMAX、UcMAX和频率f；
所述主控制器(41)检测三相级联多电平逆变器各相的有效DC-AC模块数并计为n，如果某一相的DC-AC模块不能正常工作，则把其他两相相应位置上的模块忽略，同时给各个分控制器(43)及其对应的DC-AC模块顺序编号1、2、3、......、i、......、n；
所述主控制器(41)根据检测的三相电压幅值UaMAX、UbMAX、UcMAX给分控制器发出指令，要求各相的DC-DC模块输出电压分别为UaMAX/n、UbMAX/n、UcMAX/n；
所述分控制器(43)通过检测相应位置的PV模块输出电压及电流，以及主控制器要求对应DC-DC模块输出电压为UaMAX/n、UbMAX/n、UcMAX/n，计算各个DC-DC模块上开关管的脉宽调制信号占空比，实现PV模块的最大功率点跟踪控制；
电网电压经电压互感器(5)转换为适合控制系统的低压信号，该低压信号经过零比较器(46)输出PWMa、PWMb、PWMc三个方波信号；
所述主控制器(41)检测PWMa、PWMb、PWMc信号的过零点，根据各相模块的具体编号计算DC-AC模块输出电压UaMAX/n、UbMAX/n、UcMAX/n的相位角及持续时间：
同一相上相邻两个DC-AC模块输出电压的相位差为：
三相对应第i个DC-AC模块距PWMa、PWMb、PWMc信号的过零点的相位角为：从该时刻开始启动对应第i个DC-AC模块工作；
三相对应第i个DC-AC模块持续工作的时间为：[2n-(2i-1)]/(4nf)。
2.根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所述各个分控制器(43)根据主控制器(41)给予的编号以及要求的对应DC-AC模块工作的相位角和工作持续时间确定各个DC-AC模块的控制信号。
3.根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所述分控制器(43)根据所控制的DC-AC模块所在相及编号输出控制信号，该信号分别与PWMa、PWMb、PWMc信号相乘，所得信号送驱动器一(44)，用于驱动DC-AC模块，实现级联逆变器输出电压正负半周对称。
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