CN109245165B - 三相级联h桥光伏逆变器直流侧电压波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相级联H桥光伏逆变器直流侧电压波动抑制方法，其目的是为了解决级联H桥光伏逆变器直流侧电压二倍频波动大的问题。该方法包括如下步骤：(1)总直流侧电压控制，用来实现各H桥单元直流侧电压跟踪其最大功率点电压，并得到系统有功电流指令值；(2)网侧电流解耦控制，能够实现有功电流和无功电流的独立控制，同时产生逆变器原始调制信号；(3)抑制直流侧电压波动控制，通过注入三次谐波修正三相原始调制信号以减小H桥直流侧电压波动。该控制方法能够实现级联H桥光伏逆变器稳定运行的条件下明显减小直流侧电压波动，降低电容成本，且具有算法简单，工程易实现等优点。

Description

三相级联H桥光伏逆变器直流侧电压波动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种三相级联H桥光伏逆变器直流侧电压波动抑制方法，特别涉及一种基于三次谐波注入的三相级联H桥光伏逆变器H桥直流侧电压波动抑制方法，属于级联型光伏逆变器直流侧电压控制技术领域。

背景技术

光伏并网发电由于提供清洁能源，且环境友好而备受关注。面对如何提高光伏系统效率、降低发电成本等问题，级联H桥多电平逆变器由于其模块化易拓展、系统效率高、并网电流总谐波失真(THD)小等优势而成为研究的热点。

然而，级联型H桥光伏逆变器各H桥模块直流侧相互独立，且三相逆变器结构中每相由单相逆变器组成，交流侧有功功率的二倍频波动会导致各H桥模块直流侧电压出现二倍频纹波。为此，级联型H桥光伏逆变器各H桥模块直流侧均配置较大容量的电容吸收二倍频波动能量实现稳压功能，增大了系统成本和逆变器的体积、重量，同时降低了系统运行的稳定性。因此，对级联型H桥光伏逆变器采取一定的直流侧电压波动抑制控制具有突出的工程意义。

目前，国内外学者针对级联型H桥光伏逆变器直流侧电压波动抑制方法研究较多。如2016年IEEE文献“Cascaded H-Bridge Multilevel PV Topology for Alleviation ofPer-Phase Power Imbalances and Reduction of Second Harmonic Voltage Ripple”Townsend C D,Yu Y,Konstantinou G,《IEEE Transactions on Power Electronics》，2016,31(8)，5574-5586(“抑制相间功率不平衡和降低直流侧电压波动的级联H桥多电平光伏拓扑”，《IEEE学报-电力电子期刊》2016年第31卷第8期5574-5586页)提出了一种通过控制直流侧DC/DC变换器降低级联H桥直流侧电压波动的控制策略，但该控制方法基于其提出的带直流侧DC/DC变换器的H桥拓扑，使得硬件实现较复杂，同时电能经2次转换，降低了系统效率。

如文献《电工技术学报》2014年第29卷第2期46-54页“丁明,陈中,程旭东.级联储能变换器直流链纹波电流的抑制策略”提出了基于直流侧有源滤波器的级联H桥变流器拓扑，并利用直流侧有源滤波器抑制H桥直流侧电流和电压波动，但该方法需要在H桥直流侧并联有源滤波器，将承担全部直流侧电压应力，使得硬件实现较复杂，增加了装置体积和成本，同时控制系统的动态响应性能也会受到影响。

综上所述，现有降低级联型H桥光伏逆变器直流侧电压波动的控制策略主要存在如下问题：

(1)现有技术在H桥直流侧串联DC/DC变换器或并联有源滤波器，改变了传统的H桥逆变器拓扑，不利于H桥逆变器模块化结构特点的实现。

(2)现有技术均利用其他电路补偿或吸收H桥直流侧电压波动能量来降低直流侧电压波动，没有针对H桥结构本身的控制来降低其直流侧电压波动。加入的其他电路结构增加了系统的体积和成本，不易于工程实现，同时增加了一级能量转换，降低了系统的效率。

(3)现有技术采用有源滤波器抑制直流侧电压波动，会影响系统的动态响应性能。

发明内容

本发明要解决的问题就是克服上述方案的局限性，针对三相级联H桥光伏逆变器H桥直流侧电压二倍频波动大这一问题，提出一种基于三次谐波注入的三相级联H桥光伏逆变器H桥直流侧电压波动抑制方法。该方法不需要改变传统级联H桥光伏逆变器拓扑，只需改进控制算法，能明显降低各H桥单元直流侧电压波动，从而减小直流侧电容值。

为解决本发明的技术问题，本发明提供了一种三相级联H桥光伏逆变器直流侧电压波动抑制方法，所述的三相级联H桥光伏逆变器包括ABC三相，每相由N个带有光伏组件的H桥单元和电感L_S组成，本控制方法包括总直流侧电压控制、网侧电流控制和抑制直流侧电压波动控制，步骤如下：

步骤1，总直流侧电压控制

步骤1.1，对三相中的每个H桥单元的直流侧电压采样并依次经过100Hz陷波器和200Hz陷波器滤波，得到三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相；采样三相中每相的N个H桥单元的直流侧电流实际值并记为I_PVAi,I_PVBi,I_PVCi，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相；采样三相的电网电压实际值并记为V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}，采样三相的电网电流实际值分别为I_{grid_A},I_{grid_B},I_{grid_C}，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相；

步骤1.2，通过对三相中每个H桥单元直流侧进行最大功率点跟踪控制，得到三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压指令值并记为V_PVAi ^*,V_PVBi ^*,V_PVCi ^*，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相；

步骤1.3，根据步骤1.1得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi和步骤1.2得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVAi ^*,V_PVBi ^*,V_PVCi ^*，通过电压调节器，计算得到并网有功电流的指令值I_d ^*，其计算式为：

其中，K_VPAi,K_VPBi,K_VPCi为电压调节器比例系数，i＝1,2,3...N；K_VIAi,K_VIBi,K_VICi为电压调节器积分系数，i＝1,2,3...N，s为拉普拉斯算子；

步骤2，网侧电流控制

步骤2.1，对步骤1.1中采样的三相电网电压实际值V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}进行锁相获得电网电压的相位θ和角频率ω；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电压实际值V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量V_d和电网电压无功分量V_q；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电流实际值I_{grid_A},I_{grid_B},I_{grid_C}转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q；

电网电压有功分量V_d和电网电压无功分量V_q的计算式分别为：

电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q的计算式分别为：

步骤2.2，设逆变器并网无功电流指令值I_q ^*为0，根据步骤1.3得到的并网有功电流的指令值I_d ^*和步骤2.1得到的电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为有功电流调节器比例系数，K_iI为无功电流调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2.3，根据步骤2.1得到的电网电压有功分量V_d、电网电压无功分量V_q、电网电流有功分量I_d、电网电流无功分量I_q、电网电压角频率ω和步骤2.2中得到的d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，计算得到d轴电压控制值U_d和q轴电压控制值U_q，其计算式分别为：

其中，L_S为滤波电感；

步骤2.4，根据步骤2.1得到的电网电压的相位θ，将步骤2.3得到的d轴电压控制值U_d和q轴电压控制值U_q经过同步旋转坐标系逆变换得到自然坐标系下的逆变器A相调制波信号V_rA、逆变器B相调制波信号V_rB、逆变器C相调制波信号V_rC，其计算式分别为：

步骤3，抑制直流侧电压波动控制

步骤3.1，对步骤2.4中计算得到的逆变器A相调制波信号V_rA进行锁相，得到逆变器A相调制波信号的幅值V_rAm和逆变器A相调制波信号的相位θ_A；

步骤3.2，由步骤3.1中计算得到的逆变器A相调制波信号的幅值V_rAm和步骤1.1中得到的A相N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi计算A相调制波的调制度m_kA0，其计算式为：

步骤3.3，由步骤3.2计算得到的A相调制波的调制度m_kA0计算三次谐波的调制度m_k3。其拟合计算式为：

其中F_j为拟合计算式系数，j＝0,1,2,3,4,5,6；

步骤3.4，由步骤3.3计算得到的三次谐波的调制度m_k3和步骤1.1中得到的A相H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi，计算注入三次谐波的幅值V^3rd，其计算式为：

步骤3.5，根据步骤3.1得到的逆变器A相调制波信号的相位θ_A和步骤3.4得到的注入三次谐波的幅值V^3rd计算注入的三次谐波信号u^3rd，由此三次谐波信号抑制H桥直流侧电压波动，其计算式为：

u^3rd＝V^3rdcos(3θ_A)

步骤3.6，由步骤2.4得到的逆变器A相调制波信号V_rA、逆变器B相调制波信号V_rB、逆变器C相调制波信号V_rC和步骤3.5得到的注入的三次谐波信号u^3rd，计算注入三次谐波后逆变器三相调制波信号V_rA1,V_rB1,V_rC1，其计算式为：

步骤3.7，计算三相中每相的N个H桥单元的功率值p_Ai,p_Bi,p_Ci和三相中每相总功率值p_A,p_B,p_C，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相，其计算式分别为：

步骤3.8，根据步骤3.7计算得到的三相中每相的N个H桥单元的功率值p_Ai,p_Bi,p_Ci和三相中每相总功率值p_A,p_B,p_C计算三相中每相的N个H桥单元功率分配系数k_Ai,k_Bi,k_Ci，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相，其计算式分别为：

其中，p_avg为三相平均功率，

步骤3.9，根据步骤1.1得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi，步骤3.6得到的注入三次谐波后逆变器三相调制波信号V_rA1,V_rB1,V_rC1和步骤3.8得到的三相中每相的N个H桥单元功率分配系数k_Ai,k_Bi,k_Ci，计算三相中每相的N个H桥单元最终的调制信号m_Ai,m_Bi,m_Ci，其计算式分别为：

其中，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相。

与现有技术相比，本发明公开的一种基于三次谐波注入的三相级联H桥光伏逆变器H桥直流侧电压波动抑制方法，在各H桥单元以最大功率跟踪运行条件下实现了减小直流侧电压波动的效果，其有益效果具体体现在：

1、本发明提出的方法通过在三相调制波信号中注入三次谐波信号，只需改进原有控制算法，实现简单。

2、本发明提出的方法可以明显减小直流侧电压波动。

3、本发明提出的方法在保证逆变器稳定运行条件下基波调制度最大值由传统的1增大至

提高了H桥直流侧电压利用率。

附图说明

图1是本发明三相级联H桥光伏逆变器主电路拓扑框图。

图2是本发明三相级联H桥光伏逆变器总控制结构框图。

图3是本发明实施例1三相电网电压实际值锁相控制结构框图。

图4是本发明实施例1逆变器A相调制波信号锁相控制结构框图。

图5是额定温度、额定光照条件下三相级联H桥光伏逆变器每相第一个H桥单元调制信号波形。

图6是额定温度、额定光照条件下三相级联H桥光伏逆变器每相第一个H桥单元直流侧电压波形。

图7是额定温度、光照均为200W/m²条件下三相级联H桥光伏逆变器每相第一个H桥单元调制信号波形。

图8是额定温度、光照均为200W/m²条件下三相级联H桥光伏逆变器每相第一个H桥单元直流侧电压波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步清楚、完整地描述。

图1为本发明实施例三相级联H桥光伏逆变器拓扑结构，如图中所示，所述的三相级联H桥光伏逆变器包括ABC三相，每相由N个带有光伏组件的H桥单元和电感L_S组成，具体的，A相包含N个H桥单元为H桥A₁、H桥A₂…H桥A_N，每个H桥单元直流侧分别与光伏电池板PV_A1、PV_A2…PV_AN连接；B相包含N个H桥单元为H桥B₁、H桥B₂…H桥B_N，每个H桥单元直流侧分别与光伏电池板PV_B1、PV_B2…PV_BN连接；C相包含N个H桥单元为H桥C₁、H桥C₂…H桥C_N，每个H桥单元直流侧分别与光伏电池板PV_C1、PV_C2…PV_CN连接；光伏电池板工作条件为在额定温度25℃，额定光照强度1000W/m²下的最大功率点电压为32.5V，每块光伏电池板通过14.1mF电容与每个H桥单元相连，级联系统通过1.5mH电感L_S连接到电网，三相的电网电压实际值分别为V_{grid_A}、V_{grid_B}、V_{grid_C}；三相的电网电流实际值分别为I_{grid_A}、I_{grid_B}、I_{grid_C}。

本发明的控制框图如图2所示，包括总直流侧电压控制、网侧电流解耦控制和抑制直流侧电压波动控制三部分。

实施例1

步骤1.1，对三相中的每个H桥单元的直流侧电压采样并依次经过100Hz陷波器和200Hz陷波器滤波，得到三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相；采样三相中每相的N个H桥单元的直流侧电流实际值并记为I_PVAi,I_PVBi,I_PVCi，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相；采样三相的电网电压实际值并记为V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}，采样三相的电网电流实际值分别为记为I_{grid_A},I_{grid_B},I_{grid_C}，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相。

本实施例中，以每相三个H桥单元为例，每个H桥单元初始时的直流侧电压实际值为V_PVA1＝V_PVA2＝V_PVA3＝V_PVB1＝V_PVB2＝V_PVB3＝V_PVC1＝V_PVC2＝V_PVC3＝32.5V。

步骤1.2，通过对三相中每个H桥单元直流侧进行最大功率点跟踪控制，得到三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压指令值并记为V_PVAi ^*,V_PVBi ^*,V_PVCi ^*，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相。

最大功率点跟踪控制过程为：根据步骤1.1得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi，V_PVBi，V_PVCi和三相中每相的N个H桥单元的直流侧电流实际值I_PVAi，I_PVBi，I_PVCi，求得当前每个H桥单元直流侧连接的光伏电池板的输出功率P_PVAi，P_PVBi，P_PVCi,i＝1,2,3…N，其中ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相，其计算式为：

本实施例中每隔0.3s按照上式计算一次当前每个H桥单元直流侧连接的光伏电池板的输出功率，比较相邻两次的计算值，直到取得每个H桥单元输出功率的最大值，该输出功率对应的直流侧电压实际值即为H桥单元直流侧电压指令值。

本实施例中，初始时刻t＝0s时，各H桥单元均工作在额定温度T＝25℃，额定光照强度E_A1＝E_A2＝E_A3＝E_B1＝E_B2＝E_B3＝E_C1＝E_C2＝E_C3＝1000W/m²的条件下，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVA1 ^*＝V_PVA2 ^*＝V_PVA3 ^*＝V_PVB1 ^*＝V_PVB2 ^*＝V_PVB3 ^*＝V_PVC1 ^*＝V_PVC2 ^*＝V_PVC3 ^*＝32.5V。

步骤1.3，根据步骤1.1得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi和步骤1.2得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVAi ^*,V_PVBi ^*,V_PVCi ^*，通过电压调节器，计算得到并网有功电流的指令值I_d ^*，其计算式为：

其中，K_VPAi,K_VPBi,K_VPCi为电压调节器比例系数，i＝1,2,3...N；K_VIAi,K_VIBi,K_VICi为电压调节器积分系数，i＝1,2,3...N，s为拉普拉斯算子。电压调节器比例系数和电压调节器积分系数按照常规并网逆变器进行设计，本实施例中，K_VPAi＝K_VPBi＝K_VPCi＝5，K_VIAi＝K_VIBi＝K_VICi＝200。

步骤2，网侧电流控制

步骤2.1，对步骤1.1中采样的三相电网电压实际值V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}进行锁相获得电网电压的相位θ和角频率ω；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电压实际值V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量V_d和电网电压无功分量V_q；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电流实际值I_{grid_A},I_{grid_B},I_{grid_C}转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q。

(1)三相电网电压锁相环锁相过程控制框图如图3所示。

设锁相前电网电压的相位为θ₀，T_3s2r为三相静止坐标系至旋转坐标系的坐标变换矩阵，计算式为：

将三相电网电压实际值V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}通过坐标变换转换为旋转坐标系下的d轴分量V_d0和q轴分量V_q0，其计算式为：

将q轴分量V_q0输入电网电压锁相环调节器得到电网电压锁相环调节器输出ω₀，其计算式为：

K_fP为电网电压锁相环调节器比例系数，K_fI为电网电压锁相环调节器积分系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中，K_fP＝10，K_fI＝15。

将电网电压锁相环调节器输出ω₀与电网电压额定角频率100π叠加后进行积分，再与2π取余，得到电网电压的相位θ₀，其计算式为：

其中，mod为取余运算，s为拉普拉斯算子。

重复上述步骤，当电网电压锁相环调节器输出ω₀趋于0时，取假设的电网电压的相位θ₀的值作为电网电压的相位θ。电网电压的角频率为：

ω＝ω₀+100π

(2)电网电压有功分量V_d和电网电压无功分量V_q的计算式分别为：

(3)电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q的计算式分别为：

步骤2.2，设逆变器并网无功电流指令值I_q ^*为0，根据步骤1.3得到的并网有功电流的指令值I_d ^*和步骤2.1得到的电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为有功电流调节器比例系数，K_iI为无功电流调节器积分系数，s为拉普拉斯算子。有功电流调节器比例系数和无功电流调节器积分系数按照常规并网逆变器进行设计，本实施例中，K_iP＝100，K_iI＝400。

步骤2.3，根据步骤2.1得到的电网电压有功分量V_d、电网电压无功分量V_q、电网电流有功分量I_d、电网电流无功分量I_q、电网电压角频率ω和步骤2.2中得到的d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，计算得到d轴电压控制值U_d和q轴电压控制值U_q，其计算式分别为：

其中，L_S为滤波电感。

步骤2.4，根据步骤2.1得到的电网电压的相位θ，将步骤2.3得到的d轴电压控制值U_d和q轴电压控制值U_q经过同步旋转坐标系逆变换得到自然坐标系下的逆变器A相调制波信号V_rA、逆变器B相调制波信号V_rB、逆变器C相调制波信号V_rC，其计算式分别为：

步骤3，抑制直流侧电压波动控制

步骤3.1，对步骤2.4中计算得到的逆变器A相调制波信号V_rA进行锁相，得到逆变器A相调制波信号的幅值V_rAm和逆变器A相调制波信号的相位θ_A。

逆变器A相调制波信号V_rA的锁相过程控制框图如图4所示。

逆变器A相调制波信号V_rA通过全通滤波器后转换为正交信号V_{rA_β}，其计算式为：

其中，s为拉普拉斯算子。

设锁相前逆变器A相调制波信号V_rA相位为θ_A0，图中T_2s2r为两相静止坐标系至旋转坐标系的坐标变换矩阵，计算式为：

将逆变器A相调制波信号V_rA和正交信号V_{rA_β}通过坐标变换转换为旋转坐标系下的d轴分量V_{d_A}和q轴分量V_{q_A}，其计算式为：

将q轴分量V_{q_A}输入逆变器A相调制波信号锁相环调节器得到锁相环调节器输出ω_A0，其计算式为：

K_fPA为逆变器A相调制波信号锁相环调节器比例系数，K_fIA为逆变器A相调制波信号锁相环调节器积分系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中，K_fPA＝10，K_fIA＝15。

将逆变器A相调制波信号锁相环调节器输出ω_A0与电网电压额定角频率100π叠加后进行积分，再与2π取余，得到逆变器A相调制波信号的相位θ_A0，其计算式为：

其中，mod为取余运算，s为拉普拉斯算子。

重复上述步骤，当逆变器A相调制波信号锁相环调节器输出ω_A0趋于0时，取假设的逆变器A相调制波信号的相位θ_A0的值作为逆变器A相调制波信号的相位θ_A。逆变器A相调制波信号的幅值V_rAm为：

步骤3.2，由步骤3.1中计算得到的逆变器A相调制波信号的幅值V_rAm和步骤1.1中得到的A相N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi计算A相调制波的调制度m_kA0，其计算式为：

步骤3.3，由步骤3.2计算得到的A相调制波的调制度m_kA0计算三次谐波的调制度m_k3。其拟合计算式为：

其中F_j为拟合计算式系数，j＝0,1,2,3,4,5,6,本实施例中取：F₀＝138.336146884827，F₁＝-1.010.352587537018，F₂＝3.035.937825227597，F₃＝-4830.832644846181，F₄＝4295.930456145725，F₅＝-2024.482695947416，F₆＝395.079987072500。

步骤3.4，由步骤3.3计算得到的三次谐波的调制度m_k3和步骤1.1中得到的A相H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi，计算注入三次谐波的幅值V^3rd，其计算式为：

步骤3.5，根据步骤3.1得到的逆变器A相调制波信号的相位θ_A和步骤3.4得到的注入三次谐波的幅值V^3rd计算注入的三次谐波信号u^3rd，由此三次谐波信号抑制H桥直流侧电压波动，其计算式为：

u^3rd＝V^3rdcos(3θ_A)

本实施例中t＝0.15s注入三次谐波。

步骤3.6，由步骤2.4得到的逆变器A相调制波信号V_rA、逆变器B相调制波信号V_rB、逆变器C相调制波信号V_rC和步骤3.5得到的注入的三次谐波信号u^3rd，计算注入三次谐波后逆变器三相调制波信号V_rA1,V_rB1,V_rC1，其计算式为：

步骤3.7，计算三相中每相的N个H桥单元的功率值p_Ai,p_Bi,p_Ci和三相中每相总功率值p_A,p_B,p_C，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相，其计算式分别为：

步骤3.8，根据步骤3.7计算得到的三相中每相的N个H桥单元的功率值p_Ai,p_Bi,p_Ci和三相中每相总功率值p_A,p_B,p_C计算三相中每相的N个H桥单元功率分配系数k_Ai,k_Bi,k_Ci，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相，其计算式分别为：

其中，p_avg为三相平均功率，

步骤3.9，根据步骤1.1得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi，步骤3.6得到的注入三次谐波后逆变器三相调制波信号V_rA1,V_rB1,V_rC1和步骤3.8得到的三相中每相的N个H桥单元功率分配系数k_Ai,k_Bi,k_Ci，计算三相中每相的N个H桥单元最终的调制信号m_Ai,m_Bi,m_Ci，其计算式分别为：

其中，i＝1,2,3...N，ABC分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相。

图5为三相级联H桥光伏逆变器每相第一个H桥单元调制信号波形图。t＝0.15s时刻注入三次谐波抑制H桥直流侧电压波动。从图中可以看出，注入三次谐波前三相调制信号为对称正弦波，调制度均为0.6，小于0.6495，则注入三次谐波幅值与基频调制波相同以最大程度减小直流侧电压波动。注入三次谐波后三相调制信号为对称鞍型波，且其幅值均小于1。

图6为三相级联H桥光伏逆变器每相第一个H桥单元直流侧电压波形图。t＝0.15s时刻注入三次谐波抑制H桥直流侧电压波动。从图中可以看出，抑制前直流侧电压波动最大值为ΔV_PVAmax1＝ΔV_PVBmax1＝ΔV_PVCmax1＝2.0V，抑制后直流侧电压波动最大值为ΔV_PVAmax2＝ΔV_PVBmax2＝ΔV_PVCmax2＝1.35V，三相直流侧电压电压波动均降低32.5％。

实施例2

本实施例中，以每相三个H桥单元为例，每个H桥单元初始时的直流侧电压实际值为V_PVA1＝V_PVA2＝V_PVA3＝V_PVB1＝V_PVB2＝V_PVB3＝V_PVC1＝V_PVC2＝V_PVC3＝30.5V。初始时刻t＝0s时，各H桥单元均工作在额定温度T＝25℃，光照强度E_A1＝E_A2＝E_A3＝E_B1＝E_B2＝E_B3＝E_C1＝E_C2＝E_C3＝200W/m²的条件下，得到每个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVA1 ^*＝V_PVA2 ^*＝V_PVA3 ^*＝V_PVB1 ^*＝V_PVB2 ^*＝V_PVB3 ^*＝V_PVC1 ^*＝V_PVC2 ^*＝V_PVC3 ^*＝30.5V。t＝0.15s注入三次谐波。

本实施例中，电压环调节器参数为：K_VPAi＝K_VPBi＝K_VPCi＝5，K_VIAi＝K_VIBi＝K_VICi＝200，电流环调节器参数为：K_iP＝100，K_iI＝400。

图7为三相级联H桥光伏逆变器每相第一个H桥单元调制信号波形图。t＝0.15s时刻注入三次谐波抑制H桥直流侧电压波动。从图中可以看出，注入三次谐波前三相调制信号为对称正弦波，调制度为0.68，大于0.6495。注入三次谐波后三相调制信号为对称鞍型波，且其幅值均等于1，保证H桥单元不超过调制的条件下注入最大的三次谐波以最大程度减小直流侧电压波动。

图8为三相级联H桥光伏逆变器每相第一个H桥单元直流侧电压波形图。t＝0.15s时刻注入三次谐波抑制H桥直流侧电压波动。从图中可以看出，抑制前直流侧电压波动最大值为ΔV_PVAmax1＝ΔV_PVBmax1＝ΔV_PVCmax1＝1.56V，抑制后直流侧电压波动最大值为ΔV_PVAmax2＝ΔV_PVBmax2＝ΔV_PVCmax2＝1.05V，三相直流侧电压电压波动均降低32.69％。

Claims (1)

1.一种三相级联H桥光伏逆变器直流侧电压波动抑制方法，所述的三相级联H桥光伏逆变器包括A、B、C三相，每相由N个带有光伏组件的H桥单元和电感L_S组成，其特征在于，本控制方法包括总直流侧电压控制、网侧电流控制和抑制直流侧电压波动控制，步骤如下：

步骤1，总直流侧电压控制

步骤1.1，对三相中的每个H桥单元的直流侧电压采样并依次经过100Hz陷波器和200Hz陷波器滤波，得到每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi，i＝1,2,3...N，A、B、C分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相；采样三相中每相的N个H桥单元的直流侧电流实际值并记为I_PVAi,I_PVBi,I_PVCi，i＝1,2,3...N；采样三相的电网电压实际值并记为V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}，采样三相的电网电流实际值分别记为I_{grid_A},I_{grid_B},I_{grid_C}；

步骤1.2，通过对三相中每个H桥单元直流侧进行最大功率点跟踪控制，得到三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压指令值并记为V_PVAi ^*,V_PVBi ^*,V_PVCi ^*；

步骤1.3，根据步骤1.1得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi和步骤1.2得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压指令值V_PVAi ^*,V_PVBi ^*,V_PVCi ^*，通过电压调节器，计算得到并网有功电流的指令值I_d ^*，其计算式为：

其中，K_VPAi,K_VPBi,K_VPCi为电压调节器比例系数，i＝1,2,3...N；K_VIAi,K_VIBi,K_VICi为电压调节器积分系数，i＝1,2,3...N，s为拉普拉斯算子；

步骤2，网侧电流控制

步骤2.1，对步骤1.1中采样的三相电网电压实际值V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}进行锁相获得电网电压的相位θ和角频率ω；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电压实际值V_{grid_A},V_{grid_B},V_{grid_C}转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量V_d和电网电压无功分量V_q；通过同步旋转坐标变换将步骤1.1中采样的三相电网电流实际值I_{grid_A},I_{grid_B},I_{grid_C}转换成旋转坐标系下的电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q；

电网电压有功分量V_d和电网电压无功分量V_q的计算式分别为：

电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q的计算式分别为：

步骤2.2，设逆变器并网无功电流指令值I_q ^*为0，根据步骤1.3得到的并网有功电流的指令值I_d ^*和步骤2.1得到的电网电流有功分量I_d和电网电流无功分量I_q，分别通过有功电流调节器和无功电流调节器，计算得到d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，其计算式分别为：

其中，K_iP为有功电流调节器比例系数，K_iI为无功电流调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2.3，根据步骤2.1得到的电网电压有功分量V_d、电网电压无功分量V_q、电网电流有功分量I_d、电网电流无功分量I_q、电网电压角频率ω和步骤2.2中得到的d轴PI调节值E_d和q轴PI调节值E_q，计算得到d轴电压控制值U_d和q轴电压控制值U_q，其计算式分别为：

其中，L_S为滤波电感；

步骤2.4，根据步骤2.1得到的电网电压的相位θ，将步骤2.3得到的d轴电压控制值U_d和q轴电压控制值U_q经过同步旋转坐标系逆变换得到自然坐标系下的逆变器A相调制波信号V_rA、逆变器B相调制波信号V_rB、逆变器C相调制波信号V_rC，其计算式分别为：

步骤3，抑制直流侧电压波动控制

步骤3.1，对步骤2.4中计算得到的逆变器A相调制波信号V_rA进行锁相，得到逆变器A相调制波信号的幅值V_rAm和逆变器A相调制波信号的相位θ_A；

步骤3.2，由步骤3.1中计算得到的逆变器A相调制波信号的幅值V_rAm和步骤1.1中得到的A相N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi计算A相调制波的调制度m_kA0，其计算式为：

步骤3.3，由步骤3.2计算得到的A相调制波的调制度m_kA0计算三次谐波的调制度m_k3，其拟合计算式为：

其中F_j为拟合计算式系数，j＝0,1,2,3,4,5,6；

步骤3.4，由步骤3.3计算得到的三次谐波的调制度m_k3和步骤1.1中得到的A相H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi，计算注入三次谐波的幅值V^3rd，其计算式为：

步骤3.5，根据步骤3.1得到的逆变器A相调制波信号的相位θ_A和步骤3.4得到的注入三次谐波的幅值V^3rd计算注入的三次谐波信号u^3rd，由此三次谐波信号抑制H桥直流侧电压波动，其计算式为：

u^3rd＝V^3rdcos(3θ_A)

步骤3.6，由步骤2.4得到的逆变器A相调制波信号V_rA、逆变器B相调制波信号V_rB、逆变器C相调制波信号V_rC和步骤3.5得到的注入的三次谐波信号u^3rd，计算注入三次谐波后逆变器三相调制波信号V_rA1,V_rB1,V_rC1，其计算式为：

步骤3.7，计算三相中每相的N个H桥单元的功率值p_Ai,p_Bi,p_Ci和三相中每相总功率值p_A,p_B,p_C，i＝1,2,3...N，A、B、C分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相，其计算式分别为：

步骤3.8，根据步骤3.7计算得到的三相中每相的N个H桥单元的功率值p_Ai,p_Bi,p_Ci和三相中每相总功率值p_A,p_B,p_C计算三相中每相的N个H桥单元功率分配系数k_Ai,k_Bi,k_Ci，i＝1,2,3...N，A、B、C分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相，其计算式分别为：

其中，p_avg为三相平均功率，

步骤3.9，根据步骤1.1得到的三相中每相的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_PVAi,V_PVBi,V_PVCi，步骤3.6得到的注入三次谐波后逆变器三相调制波信号V_rA1,V_rB1,V_rC1和步骤3.8得到的三相中每相的N个H桥单元功率分配系数k_Ai,k_Bi,k_Ci，计算三相中每相的N个H桥单元最终的调制信号m_Ai,m_Bi,m_Ci，其计算式分别为：

其中，i＝1,2,3...N，A、B、C分别表示逆变器的三相电路，即A相，B相，C相。

Images