一种两级式光伏逆变器主动功率平衡控制方法与流程

本发明涉及光伏逆变器技术领域，具体涉及一种两级式光伏逆变器主动功率平衡控制方法。

背景技术：

可持续、环境友好的光伏发电技术一直受到广泛关注，其可以方便地为高原、海岛等偏远地区提供电能，避免了远距离输电。然而，仅以光伏发电技术组成孤岛型微电网时，由于缺乏大电网的支撑及平衡作用，继续采用传统控制模式难以满足网络及负荷需求，而且大型储能设备、采用化石燃料的发电机等装置成为光伏微电网不可或缺的组成部分，极大地限制了光伏发电在孤岛微电网的应用。

发明人发现，现有的孤岛微电网中的光伏逆变器工作在电流控制模式下或电压控制模式下。在前一种情况下，即采用电流控制模式时，光伏逆变器工作在主/从模式下，作为从机、以受控电流源方式跟踪光伏阵列的最大功率点，电网电压由主逆变器或储能、发电机等装置维持稳定，且光伏逆变器输出功率由太阳能发电的环境条件所制约。在后一种情况下，即采用电压控制模式时，光伏逆变器可以采用恒压恒频或下垂等控制策略，此时逆变器的直流侧必须有蓄电池等储能设备支撑，微电网母线电压由所有光储逆变器共同维持，光伏阵列仍工作在最大功率跟踪模态下，其输出功率由负载需求决定，逆变器高度依赖其直流侧的储能装置来平衡光伏发电同负荷需求之间的差异。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种两级式光伏逆变器主动功率平衡控制方法，能够减小光伏发电对传统发电方式和储能设备的依赖性，增强光伏发电对孤岛微电网的支撑和平衡能力，且控制算法调控速度快。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种两级式光伏逆变器主动功率平衡控制方法，所述两级式光伏逆变器包括至少一个光伏逆变单元，其中每个光伏逆变单元均包括依次连接的光伏阵列、dc/dc变换器、逆变器和输出滤波器，各光伏逆变单元之间并联连接，并通过交流母线向负荷供电，对于每个光伏逆变单元而言，所述控制方法包括如下步骤：

测量逆变器输出的三相电压序列值uout和三相电流序列值iout，使uout和iout分别经过低通滤波器，得到各自滤波后的电压分量uoutf和电流分量ioutf，再利用uoutf和ioutf计算逆变器实际输出的有功功率poutf和无功功率qoutf；

测量光伏阵列的端口电压upv和光伏阵列输出电流ipv，将二者相乘得到光伏阵列输出功率ppv；

测量逆变器直流侧电压udc；

将poutf、ppv和udc代入到基于电压控制型逆变器功率自平衡控制策略中，得到逆变器实际输出的电压角频率ωp，再利用ωp对时间积分得到逆变器实际输出的电压相位θp；

将qoutf代入到下垂控制策略中，得到逆变器实际输出的电压幅值up；

uoutf和ioutf以θp为旋转坐标系，分别经过abc/dq变换，得到逆变器的d轴电压udout、q轴电压uqout、d轴电流idout和q轴电流iqout，设置up为逆变器的电压d轴指令udp，设置0为逆变器的电压q轴指令uqp；

使udout、idout和udp，以及uqout、iqout和uqp分别经过逆变器的电压电流双闭环控制并得到两组控制结果，将这两组控制结果以θp为旋转坐标系，经过dq/abc变换，得到pwm调制信号并进行pwm调制，从而得到用于控制逆变器开关网络的开关信号。

可选地，所述将poutf、ppv和udc代入到基于电压控制型逆变器功率自平衡控制策略中，得到逆变器实际输出的电压角频率ωp具体为：

预设逆变器直流侧电压指令值udc^*和逆变器电压角频率参考值ωp^*；

将udc与udc^*作差，二者的差值经过pi调节器进行调节，pi调节器输出的调节结果依次与ppv和poutf作差，连续两次作差得到的差值经过比例调节器进行调节，比例调节器输出的调节结果与ωp^*作差，得到的差值即为ωp。

可选地，所述将qoutf代入到下垂控制策略中，得到逆变器实际输出的电压幅值up具体为：

获取逆变器的电压幅值指令值uref；

使qoutf经过比例调节器进行调节，比例调节器输出的调节结果与uref作差，得到的差值即为up。

可选地，所述使udout、idout和udp，以及uqout、iqout和uqp分别经过逆变器的电压电流双闭环控制并得到两组控制结果具体为：

将udout与udp作差，二者的差值经过pi调节器进行电压调节，然后将idout与该电压调节结果作差，得到的差值再经过pi调节器进行电流调节，从而得到一组控制结果；

将uqout与uqp作差，二者的差值经过pi调节器进行电压调节，然后将iqout与该电压调节结果作差，得到的差值再经过pi调节器进行电流调节，从而得到另一组控制结果。

可选地，所述控制方法还包括如下步骤：

将ωp代入到光伏工作点自行适配策略中，得到光伏阵列端口电压指令值upvref；

使upvref经过dc/dc变换器的电压电流双闭环控制，得到pwm调制信号并进行pwm调制，从而得到用于控制dc/dc变换器的开关信号，以改变光伏阵列的端口电压upv，使其趋近于upvref。

可选地，所述将ωp代入到光伏工作点自行适配策略中，得到光伏阵列端口电压指令值upvref具体为：

预设逆变器的电压角频率指令值ωref；

将ωp与ωref作差，二者的差值经过pi调节器进行调节，得到光伏阵列输出电压的初步指令，使该初步指令经过限幅器进行限幅处理，得到upvref。

可选地，所述使该初步指令经过限幅器进行限幅处理，得到upvref具体为：

计算变化前后光伏阵列的端口电压差值与输出功率差值的乘积(upv1-upv)×(ppv1-ppv)，其中upv表示变化前的光伏阵列端口电压，upv1表示变化后的光伏阵列端口电压，ppv表示变化前的光伏阵列输出功率，ppv1表示变化后的光伏阵列输出功率；

判断所述乘积是否小于零，如是，则将该初步指令限幅为当前upv；如否，则继续采样，直至所述乘积小于零为止。

可选地，所述使upvref经过dc/dc变换器的电压电流双闭环控制，得到pwm调制信号具体为：

将upvref与upv作差，二者的差值经过pi调节器进行电压调节，然后将ipv与该电压调节结果作差，得到的差值再经过pi调节器进行电流调节，从而得到pwm调制信号。

可选地，对于所述光伏工作点自行适配策略，从任意初始工作点寻求适配，正常状态下无需确定光伏阵列的最大功率工作点，仅在负荷重载的极限状态下维持光伏阵列工作最大功率点。

有益效果：

本发明所述两级式光伏逆变器主动功率平衡控制方法由于采用了上述技术方案，在无其他能源或大容量储能支撑时，如果总负载消耗量小于所有光伏发电功率，可以保持光伏发电系统稳定运行；无需最大功率跟踪控制，光伏阵列可自行寻求适配当前工作需求的工作点；逆变器在其直流侧无大容量储能支撑情况下，可以工作在电压型控制模式下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的两级式光伏逆变器主电路拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例采用的总体构思示意图；

图3为本发明实施例提供的逆变器控制原理示意图；

图4为本发明实施例提供的dc/dc变换器控制原理示意图；

图5为本发明实施例提供的两个光伏逆变单元的功率随负荷变化的仿真波形示意图；

图6为本发明实施例提供的光伏阵列1a的电压和功率随负荷变化的示意图；

图7为本发明实施例提供的光伏阵列1b的电压和功率随负荷变化的示意图。

图中：1、1a、1b－光伏阵列；2、2a、2b－dc/dc变换器；3、3a、3b－逆变器；4、4a、4b－输出滤波器；5－负荷；6－交流母线。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

基于发明人发现的现有的孤岛微电网中的光伏逆变器工作在电流控制模式下或电压控制模式下所存在的问题，本实施例提供一种两级式光伏逆变器主动功率平衡控制方法，其控制算法调控速度快，减小了光伏发电对传统发电方式和储能设备的依赖性，增强了光伏发电对孤岛微电网的支撑和平衡能力。

其中，两级式光伏逆变器包括至少一个光伏逆变单元(也可称为光伏逆变器)，其中每个光伏逆变单元均包括依次连接的光伏阵列、dc/dc变换器、逆变器和输出滤波器，即由光伏阵列、dc/dc变换器、逆变器和输出滤波器级联组成，各光伏逆变单元之间并联连接，并通过交流母线向负荷供电。本实施例中，输出滤波器采用lcl滤波器。

以两个光伏逆变单元组成孤岛微电网向负荷供电为例，如图1所示，其中一个光伏逆变单元包括依次连接的光伏阵列1a、dc/dc变换器2a、逆变器3a和输出滤波器4a，另一个光伏逆变单元包括依次连接的光伏阵列1b、dc/dc变换器2b、逆变器3b和输出滤波器4b，这两个光伏逆变单元并联连接，并通过交流母线6向负荷5供电。

对于每个光伏逆变单元而言，所述控制方法包括如下步骤s101至s107。

s101.测量逆变器输出的三相电压序列值uout和三相电流序列值iout，使uout和iout分别经过低通滤波器，得到各自滤波后的电压分量uoutf和电流分量ioutf，再利用uoutf和ioutf计算逆变器实际输出的有功功率poutf和无功功率qoutf。

由于有功功率poutf和无功功率qoutf的计算属于本领域的公知常识，故而关于poutf和qoutf的具体计算过程不再赘述。

s102.测量光伏阵列的端口电压upv和光伏阵列输出电流ipv，将二者相乘得到光伏阵列输出功率ppv。

s103.测量逆变器直流侧电压udc。

s104.将poutf、ppv和udc代入到基于电压控制型逆变器功率自平衡控制策略中，得到逆变器实际输出的电压角频率ωp，再利用ωp对时间积分得到逆变器实际输出的电压相位θp。

所述步骤s104具体包括：

s104-1.预设逆变器直流侧电压指令值udc^*和逆变器电压角频率参考值ωp^*；

s104-2.如图3所示，将udc与udc^*作差(即使udc^*减去udc)，二者的差值经过pi调节器进行调节，pi调节器输出的调节结果依次与ppv和poutf作差(即先使ppv减去pi调节器输出的调节结果，得到一差值，再使poutf减去该差值)，连续两次作差得到的差值经过比例调节器进行调节，比例调节器输出的调节结果为逆变器的电压角频率偏差指令值δωp，将δωp与ωp^*作差(即使ωp^*减去δωp)，得到的差值即为ωp；

s104-3.如图3所示，利用ωp对时间积分得到逆变器实际输出的电压相位θp。

s105.将qoutf代入到下垂控制策略中，得到逆变器实际输出的电压幅值up。

所述步骤s105具体包括：

s105-1.获取逆变器的电压幅值指令值uref；

s105-2.如图3所示，使qoutf经过比例调节器进行调节，比例调节器输出的调节结果与uref作差(即使uref减去比例调节器输出的调节结果)，得到的差值即为up。

s106.uoutf和ioutf以θp为旋转坐标系，分别经过abc/dq变换，得到逆变器的d轴电压udout、q轴电压uqout、d轴电流idout和q轴电流iqout，设置up为逆变器的电压d轴指令udp，设置0为逆变器的电压q轴指令uqp。

s107.使udout、idout和udp，以及uqout、iqout和uqp分别经过逆变器的电压电流双闭环控制并得到两组控制结果，将这两组控制结果以θp为旋转坐标系，经过dq/abc变换，得到pwm调制信号并进行pwm调制，从而得到用于控制逆变器开关网络的开关信号。

所述步骤s107具体包括：

s107-1.如图3所示，将udout与udp作差(即使udp减去udout)，二者的差值经过pi调节器进行电压调节，然后将idout与该电压调节结果作差(即使该电压调节结果减去idout)，得到的差值再经过pi调节器进行电流调节，从而得到一组控制结果；

s107-2.如图3所示，将uqout与uqp作差(即使uqp减去uqout)，二者的差值经过pi调节器进行电压调节，然后将iqout与该电压调节结果作差(即使该电压调节结果减去iqout)，得到的差值再经过pi调节器进行电流调节，从而得到另一组控制结果；

s107-3.如图3所示，将这两组控制结果以θp为旋转坐标系，分别经过dq/abc变换，得到pwm调制信号；

s107-4.利用步骤s107-3得到的pwm调制信号进行pwm调制，从而得到用于控制逆变器开关网络的开关信号。

发明人还发现，对于两级式光伏逆变器直流端的dc/dc变换器，其光伏阵列的端口电压及功率控制方式有两种。第一种控制方式采用最大功率跟踪策略，控制光伏端口电压始终追踪该环境条件下光伏阵列的最大功率点，使其在稳态时维持在最大功率点附近工作；第二种控制方式仍然采用最大功率跟踪技术，其与第一种控制方式的差异在于，光伏阵列稳态时会工作在最大功率点，然而当负荷减小或光照强度增加时，其工作点可以随最大功率点相应修正，以减小光伏阵列的功率输出。可见，以上两种控制方式都离不开对光伏阵列进行最大功率跟踪，增加了控制的复杂性，极大降低了响应的速度，从而对光伏发电的孤岛应用造成较大的局限性。

为解决上述问题，本实施例所述控制方法还包括如下步骤s108和s109。

s108.将ωp代入到光伏工作点自行适配策略中，得到光伏阵列端口电压指令值upvref。

所述步骤s108具体包括：

s108-1.预设逆变器的电压角频率指令值ωref；

s108-2.如图4所示，将ωp与ωref作差(即使ωref减去ωp)，二者的差值经过pi调节器进行调节，得到光伏阵列输出电压的初步指令，使该初步指令经过限幅器进行限幅处理，得到upvref。

在步骤s108-2中，如图4所示，使该初步指令经过限幅器进行限幅处理，得到upvref具体为：

计算变化前后光伏阵列的端口电压差值与输出功率差值的乘积(upv1-upv)×(ppv1-ppv)，其中upv表示变化前的光伏阵列端口电压，upv1表示变化后的光伏阵列端口电压，ppv表示变化前的光伏阵列输出功率，ppv1表示变化后的光伏阵列输出功率；

判断所述乘积是否小于零，如是，则将该初步指令限幅为当前upv，即以当前upv为指令，不再改变光伏阵列端口电压；如否，则继续采样，直至所述乘积小于零为止。

本实施例中，对于所述光伏工作点自行适配策略，从任意初始工作点寻求适配，正常状态下无需确定光伏阵列的最大功率工作点，仅在负荷重载的极限状态下维持光伏阵列工作最大功率点。

s109.使upvref经过dc/dc变换器的电压电流双闭环控制，得到pwm调制信号并进行pwm调制，从而得到用于控制dc/dc变换器的开关信号，以改变光伏阵列的端口电压upv，控制其向upvref变化，即使其趋近于upvref。

所述步骤s109具体包括：

s109-1.如图4所示，将upvref与upv作差(即使upv减去upvref)，二者的差值经过pi调节器进行电压调节，然后将ipv与该电压调节结果作差(即使该电压调节结果减去ipv)，得到的差值再经过pi调节器进行电流调节，从而得到pwm调制信号；

s109-2.利用步骤s109-1得到的pwm调制信号进行pwm调制，从而得到用于控制dc/dc变换器的开关信号，以改变光伏阵列的端口电压upv，使其趋近于upvref。

需要说明的是，上述步骤的顺序只是为了说明本实施例而提出的一个具体实例，本发明对上述步骤的顺序不做限定，本领域技术人员在实际应用中可按需对其进行调整。例如，步骤s108至步骤s109可以移至步骤s104之后。

图2为本发明实施例采用的总体构思示意图。如图2所示，本发明实施例利用光伏阵列、dc/dc变换器和输出滤波器的电压、电流采样，通过上层的基于电压控制型逆变器功率自平衡控制策略和光伏工作点自行适配策略这两种算法，实现了光伏逆变器主动功率平衡控制。

图3为本发明实施例提供的逆变器控制原理示意图。如图3所示，逆变器的控制过程分为三个部分，第一部分由逆变器直流侧电压指令值udc^*、逆变器直流侧电压udc、光伏阵列输出功率ppv、逆变器实际输出的有功功率poutf、逆变器电压角频率参考值ωp^*、直流侧电压pi调节器和有功下垂系数组成，得到逆变器实际输出的电压相位θp，其中的有功下垂系数构成了有功功率和输出角频率之间的线性下垂关系；第二部分由逆变器的电压幅值指令值uref、逆变器实际输出的无功功率qoutf和无功下垂系数构成，得到逆变器的电压d轴指令udp和q轴指令uqp，其中的无功下垂系数构成了输出无功功率和输出电压幅值之间的线性下垂关系；第三部分由逆变器的电压d轴指令udp和q轴指令uqp，逆变器的d轴电压udout、q轴电压uqout、d轴电流idout和q轴电流iqout，以及电压环pi调节器和电流环pi调节器构成，得到两组控制结果，将这两组控制结果以θp为旋转坐标系，经过dq/abc变换，得到pwm调制信号并进行pwm调制，从而得到用于控制逆变器开关网络的开关信号。

图4为本发明实施例提供的dc/dc变换器控制原理示意图。如图4所示，将逆变器实际输出的电压角频率ωp代入到光伏工作点自行适配策略中，得到光伏阵列端口电压指令值upvref，再使upvref经过dc/dc变换器的电压电流双闭环控制，得到pwm调制信号。利用该pwm调制信号进行pwm调制，可得到用于控制dc/dc变换器的开关信号，以改变光伏阵列的端口电压upv，控制其向upvref变化，即使其趋近于upvref。

图5为本发明实施例提供的两个光伏逆变单元的功率随负荷变化的仿真波形示意图。如图5所示，在图1所示主电路拓扑上进行仿真，其中负荷在1.5s时减载、在1.8s时加载，逆变器采用图3所示控制方法。从图5可以看出，逆变器的输出有功功率迅速响应，在1.5s时随负荷减载而相应减少，在1.8s时随负荷加载而相应增加，从而实现适配负荷功率变化的目的。

图6为本发明实施例提供的光伏阵列1a的电压和功率随负荷变化的示意图。如图6所示，dc/dc变换器采用图4所示的控制方法，负荷在1.5s减载和1.8s加载时，光伏阵列1a通过dc/dc变换器自发调整自身工作点，相应减小或增加其端口电压，从而改变光伏的输出功率，适应逆变器3a以及负荷的需求。

图7为本发明实施例提供的光伏阵列1b的电压和功率随负荷变化的示意图。如图7所示，与光伏阵列1a类似，光伏阵列1b采用相同控制方法，负荷在1.5s减载和1.8s加载时，光伏阵列1b通过dc/dc变换器自发调整自身工作点，dc/dc变换器调控改变其端口电压，调整输出功率，适应逆变器3b以及负荷的需求。

综上所述，在采用光伏阵列、dc/dc变换器、逆变器和输出滤波器级联的系统结构下，本发明实施例所述两级式光伏逆变器主动功率平衡控制方法在逆变器直流侧无大容量储能支持、交流母线无其他能源支撑的条件下，以受控电压源方式工作，可直接控制维持光伏阵列的端口电压及频率稳定，从而有助于交流母线电压稳定。与此同时，dc/dc变换器无需进行最大功率跟踪，而是自行根据逆变器运行模态调控光伏阵列最佳工作点，调整光伏阵列的输出功率，维持源荷功率平衡。而且，在光伏微电网无其他能源或储能支持的情况下，利用本发明实施例所述控制方法，光伏发电可以自行主动调控微电网能量平衡，算法简单可行，跟踪速度快，响应特性好。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。