一种基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，属于多电平电力电子功率变换器控制及新能源并网领域。在光伏系统初始启动阶段，本发明控制各子模块对应的光伏阵列处于最大功率跟踪控制下，经直流变换电路给电容预充电，使其达到预定值；在系统正常运行节点，本发明采用双闭环控制，内环为电流控制，外环为定直流电压控制和定交流电压控制，以得到基波电压的参考值，并以该参考值对MMC各子模块进行阀级控制，触发各相桥臂中相应子模块上的开关器件，控制各子模块的投入或切除，在交流侧得到所期望的多电平电压输出。本发明适用于任意电压等级的基于模块化多电平换流器的光伏并网系统，灵活性好，控制输出满足电网电能质量要求。
【专利说明】-种基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，属于多电平电力 电子功率变换器控制及新能源并网领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着环境污染和能源枯竭问题越来越严重，太阳能作为一种清洁的可再 生能源，已经越来越多的受到世界各国的重视，我国开发和利用可再生能源，优化能源结构 的力度也不断加大。目前，光伏发电各项技术已经趋于成熟，光伏电站的大型化和并网化将 是今后的发展方向和研究重点。但是，随着光伏产业的迅速发展，光伏发电容量的大幅度提 升，一些问题也相应的突显出来，例如光伏阵列发电效率低、并网发电对电网产生的各种影 响、并网逆变器需满足更高的要求等等。
[0003] 在大型光伏并网发电系统中，光伏阵列的数量数以万计，最大限度的提高光伏阵 列的太阳能利用率，让其尽可能工作在最大功率状态，将会大幅度提高光伏系统的发电效 率。因此许多学者和专家都致力于光伏阵列最大功率跟踪技术的研究，在现有算法的基础 上进行改进或者提出新的算法；作为光伏并网系统的核心和关键，并网逆变器需要满足诸 多的要求，能实现最大功率跟踪，满足电网电能质量要求，具有更大的单体容量、更高的电 压等级，有功无功实现解耦控制等等。目前，很多学者都在研究光伏并网逆变器的控制算 法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，以提高 光伏阵列的太阳能利用率，实现有功无功的单独控制。
[0005] 本发明为解决上述技术问题而提供一种基于模块化多电平换流器的光伏并网控 制方法，该并网控制方法包括以下步骤：
[0006] 1)在光伏并网系统启动阶段，检测每个光伏阵列的输出电压和电流，将产生的电 能经直流变换电路给每个子模块的电容充电，使其达到预定值；
[0007] 2)采用定直流电压电压控制确定有功电流的参考值，采用定交流电压控制确定无 功电流的参考值；
[0008] 3)将得到有功电流参考值和无功电流参考值进行电流控制，得到MMC逆变输出基 波电压的参考值；
[0009] 4)以得到的基波电压的参考值对MMC各子模块进行阀级控制，触发各相桥臂中相 应子模块上的开关器件，控制各子模块的投入或切除。
[0010] 所述步骤1)每个子模块对应的光伏阵列采用扰动观察法对其进行最大功率跟 踪，使每个光伏阵列工作在最大功率点。
[0011] 所述步骤2)中采用定直流电压的控制过程如下：
[0012] 检测换流器输出直流电压的实测值Ud，将其与直流电压的参考值Udref的偏差进 行PI调节，将调节后得到的修正量加上直流电流测量值idc与K的乘积，得到结果即为有 功电流的参考值，其中K = 2Utoef/3Usd。
[0013] 所述步骤2)中无功电流的参考值的确定过程如下：
[0014] 检测换流器输出交流电压的实测值Uabc，对其进行dq变换得到d轴电压分量 Usd，将Usd与其参考值Usd*的偏差进行PI调节，调节后得到的修正量即无功电流的参考 值。
[0015] 所述步骤3)中的电流控制的具体过程如下：
[0016] 检测换流器输出交流电的实测值iabc，对其进行dq变换得到d、q轴电流分量 isd、isq ;将isd和isq分别与有功电流参考值和无功电流参考值进行比较，差值分别进行 PI调节；将调节后得到的修正量分别与d、q轴电流间的耦合项及电网电压的d、q轴分量 Usd、Usq进行运算，运算结果经坐标变换后为MMC逆变输出基波电压d、q轴的参考值。
[0017] 所述步骤4)阀级控制过程为：
[0018] A)根据MMC逆变输出基波电压的参考值采用PWM调制技术确定每相上下桥臂分别 需要投入的子模块个数；
[0019] B)采集各子模块电容电压值，并对其进行从大到小或从小到大的排序；
[0020] C)根据上下桥臂需要投入的子模块个数、实际电容电压的大小顺序和桥臂电流的 方向，控制相应子模块的投切，以维持各子模块电容电压的恒定。
[0021] 所述的步骤C)中确定子模块投切的原则为：
[0022] 如果桥臂电流处于为子模块电容充电状态，则根据电容电压的排序，从电容电压 值较小的子模块开始，按顺序投入相应数量的子模块，其余的全部切除；
[0023] 如果桥臂电流处于为子模块电容放电状态，则根据电容电压的排序，从电容电压 值较大的子模块开始，按顺序投入相应数量的子模块，其余的全部切除。
[0024] 本发明的有益效果是：在光伏系统初始启动阶段，本发明控制各子模块对应的光 伏阵列处于最大功率跟踪控制下，经直流变换电路给电容预充电，使其达到预定值；在系统 正常运行节点，采用双闭环控制，内环为电流控制，外环为定直流电压控制和定交流电压控 制，以得到基波电压的参考值，并以该参考值对MMC各子模块进行阀级控制，触发各相桥臂 中相应子模块上的开关器件，控制各子模块的投入或切除，调节桥臂电压间的比率并串联 叠加各子模块的输出电压，在交流侧得到所期望的多电平电压输出。本发明适用于任意电 压等级的基于模块化多电平换流器的光伏并网系统，灵活性好，控制输出满足电网电能质 量要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是基于模块化多电平换流器的光伏并网系统结构图；
[0026] 图2是本发明所采用的光伏阵列控制器原理图；
[0027] 图3是本发明模块化多电平换流器并网控制原理框图；
[0028] 图4是本发明所采用的MMC控制器原理图；
[0029] 图5是本发明实施例中单个光伏阵列输出功率波形示意图；
[0030] 图6是本发明实施例中光伏并网系统输出电流波形示意图；
[0031] 图7是光伏并网系统输出电流THD分析图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0033] 本发明所针对的模块化多电平换流器光伏并网系统如图1所示，该系统由三相六 个桥臂构成，每个桥臂由耦合或者非耦合的电感和若干个完全相同的PSM模块级联构成。 每个PSM模块包含光伏阵列、DC-DC变换和SM模块，而每个SM模块又由两个IGBT，两个反 向二极管和一个直流电容组成。如图2所示，每个PSM模块中的光伏阵列通过检测其输出 电压和电流，进行最大功率跟踪控制，得到的参考电压通过PWM控制器得出直流变换电路 中开关器件的触发脉冲，控制光伏阵列工作在最大功率点，尽可能多的输出功率，对子模块 电容进行充电或直接向换流器提供电能。
[0034] 系统初始启动阶段，每个子模块对应的光伏阵列在最大功率跟踪控制下，将产生 的电能经直流变换电路给每个子模块的电容充电，使其达到预定值；系统正常运行阶段，通 过PWM调制技术对MMC各子模块进行控制，触发各相桥臂中相应子模块上的开关器件，控制 各子模块的投入或切除，以保证各子模块电容电压一致且恒定。同时对系统进行双闭环控 制，如图3和图4所示，内环为电流控制，外环为定直流电压控制和定交流电压控制。调节 桥臂电压间的比率并串联叠加各子模块的输出电压，在交流侧得到所期望的多电平电压输 出。
[0035] 上述基于模块化多电平换流器的大型光伏并网系统控制方法，其具体实施步骤 为：
[0036] 1每个PSM模块中的光伏阵列通过检测其输出电压和电流，进行最大功率跟踪控 制，得到的参考电压通过PWM控制器得出直流变换电路中开关器件的触发脉冲，控制光伏 阵列工作在最大功率点，尽可能多的输出功率，对子模块电容进行充电或直接向换流器提 供电能。
[0037] 通过检测得到每个光伏阵列的输出电压和电流，采用扰动观察法对每个光伏阵列 进行最大功率跟踪，使其工作在最大功率点，也可采用其他最大功率跟踪控制算法。
[0038] 2.通过检测得到直流电压的实测值Ud，与直流电压的参考值Udref的偏差经PI 调节后，修正量加上直流电流测量值idc与K(K = 2Ud,ef/3Usd)的乘积作为有功电流isd的 参考值；
[0039] 3.通过检测得到换流器输出交流电压的实测值Uabc，经dq变换后得到d轴电压 分量Usd，与参考值*Usd比较后，差值经PI调节器，输出作为无功电流i sq的参考值；
[0040] 4.通过检测得到换流器输出交流电流的实测值iabc，经dq变换后得到d、q轴电 流分量isd、isq，分别与从定直流电压控制器和定交流电压控制器得到的d、q轴电流分量 参考值进行比较，差值经PI控制器，输出与d、q轴电流间的耦合项及电网电压的d、q轴分 量U sd、Usq进行运算，运算结果经坐标变换（dq到三相电压）后为MMC逆变输出基波电压的 参考值。
[0041] 5.以得到的基波电压的参考值对MMC各子模块进行阀级控制，触发各相桥臂中相 应子模块上的开关器件，控制各子模块的投入或切除。
[0042] 阀级控制环节主要包括调制、排序和选择三部分，子模块电容电压的恒定就是通 过这三部分实现的。首先通过适用于MMC的调制技术（PWM)确定每相上下桥臂分别需要投 入的子模块数，然后采集各子模块电容电压值，对其进行从大到小或从小到大的排序，最后 根据上下桥臂需投入的子模块数、实际电容电压的大小顺序以及桥臂电流的方向，按照如 下原则进行子模块投入或切除的选择，以维持各子模块电容电压的恒定：
[0043] ①如若桥臂电流处于为子模块电容充电状态，则根据电容电压的排序，从电容电 压值较小的子模块开始，按顺序投入相应数量的子模块，其余的全部切除；
[0044] ②如若桥臂电流处于为子模块电容放电状态，则根据电容电压的排序，从电容电 压值较大的子模块开始，按顺序投入相应数量的子模块，其余的全部切除。
[0045] 采用上述控制方法对图1的光伏系统进行控制，假设0. 6s之前光照为1000W/m2， 温度为25°C，0. 6s以后光照降为800W/m2,温度降为23°C，采用扰动观察法实现最大功率跟 踪，当光照为l〇〇〇W/m 2时，其输出功率为85kW左右，0. 6s之后当光照降为800W/m2时，每个 光伏阵列输出功率降为67kW左右，如图5所示。
[0046] 图6为光伏并网系统输出电流，0.6s之前，其幅值为720A左右，波形较好，谐波含 量较少，其THD为0. 80%，如图7所示，当光照降为800W/m2后，由于输出功率降低，逆变输 出电流幅值降为565A左右，THD为0. 72%，这充分说明该光伏并网系统送入电网的电流谐 波含量少，不仅可以减小并网污染，还可降低滤波投入，甚至无需滤波器，节省项目成本。
【权利要求】
1. 一种基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，其特征在于，该并网控制方法 包括以下步骤： 1) 在光伏并网系统启动阶段，检测每个光伏阵列的输出电压和电流，将产生的电能经 直流变换电路给每个子模块的电容充电，使其达到预定值； 2) 采用定直流电压电压控制确定有功电流的参考值，采用定交流电压控制确定无功电 流的参考值； 3) 将得到有功电流参考值和无功电流参考值进行电流控制，得到MMC逆变输出基波电 压的参考值； 4) 以得到的基波电压的参考值对MMC各子模块进行阀级控制，触发各相桥臂中相应子 模块上的开关器件，控制各子模块的投入或切除。
2. 根据权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，其特征在 于，所述步骤1)每个子模块对应的光伏阵列采用扰动观察法对其进行最大功率跟踪，使每 个光伏阵列工作在最大功率点。
3. 根据权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，其特征在 于，所述步骤2)中采用定直流电压的控制过程如下： 检测换流器输出直流电压的实测值Ud，将其与直流电压的参考值Udref的偏差进行PI 调节，将调节后得到的修正量加上直流电流测量值idc与K的乘积，得到结果即为有功电流 的参考值，其中K = 2Utoef/3Usd。
4. 根据权利要求3所述的基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，其特征在 于，所述步骤2)中无功电流的参考值的确定过程如下： 检测换流器输出交流电压的实测值Uabc，对其进行dq变换得到d轴电压分量Usd，将 Usd与其参考值Usd*的偏差进行PI调节，调节后得到的修正量即无功电流的参考值。
5. 根据权利要求4所述的基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，其特征在 于，所述步骤3)中的电流控制的具体过程如下： 检测换流器输出交流电的实测值iabc，对其进行dq变换得到d、q轴电流分量isd、 isq ;将isd和isq分别与有功电流参考值和无功电流参考值进行比较，差值分别进行PI调 节；将调节后得到的修正量分别与d、q轴电流间的耦合项及电网电压的d、q轴分量U sd、Usq 进行运算，运算结果经坐标变换后为MMC逆变输出基波电压的参考值。
6. 根据权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，其特征在 于，所述步骤4)阀级控制过程为： A) 根据MMC逆变输出基波电压的参考值采用PWM调制技术确定每相上下桥臂分别需要 投入的子模块个数； B) 采集各子模块电容电压值，并对其进行从大到小或从小到大的排序； C) 根据上下桥臂需要投入的子模块个数、实际电容电压的大小顺序和桥臂电流的方 向，控制相应子模块的投切，以维持各子模块电容电压的恒定。
7. 根据权利要求6所述的基于模块化多电平换流器的光伏并网控制方法，其特征在 于，所述的步骤C)中确定子模块投切的原则为： 如果桥臂电流处于为子模块电容充电状态，则根据电容电压的排序，从电容电压值较 小的子模块开始，按顺序投入相应数量的子模块，其余的全部切除； 如果桥臂电流处于为子模块电容放电状态，则根据电容电压的排序，从电容电压值较 大的子模块开始，按顺序投入相应数量的子模块，其余的全部切除。
【文档编号】H02M7/483GK104092239SQ201410295096
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】赵倩, 郝俊芳, 张群, 严兵, 王柏恒, 陈朋 申请人:国家电网公司, 许继集团有限公司, 许继电气股份有限公司