一种两级式三相三电平光伏并网逆变器的数字控制方法

摘要

本发明公开了一种两级式三相三电平光伏并网逆变器的数字控制方法，将母线电压外环、d轴电容电流内环和q轴电网电流内环相结合，对三电平逆变器进行控制。针对已有控制方式母线电压控制动态慢的问题，本方法通过逆变器并网电流以及调制比计算出等效母线电容电流，通过母线电容电流环路控制逆变器SVPWM的参考矢量，降低了逆变器的输入阻抗，提高了母线电压对于光伏电池功率变化所造成的扰动的抑制能力，降低了母线电容的容值；本发明方法可以使得逆变器可以使用容值较小、但可靠性高的薄膜电容；本发明方法提高了逆变器的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减小母线电容的两级式三相三电平光伏并网逆变器的数字控制方法，属于光伏逆变器的控制技术。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭，光伏发电作为一种新能源，由于其直接产生电能、无机械旋转部件、无噪声污染、容易安装、便于转移、使用寿命较长，使其成为一种具有前景，具有发展意义的发电技术。

非隔离并网逆变器由于其不需要笨重的工频变压器或者负载的高频变压器，因此结构简单、成本低、效率较高。相对于单级式结构，两级并网逆变器前级为升压变换器，可以降低光伏电池串联数量，提高发电效率，且前级实现最大功率跟踪，后级进行逆变，这样控制互不干扰，容易对控制策略进行优化。此外由于三电平逆变器输出电流THD较小、滤波器体积小、效率高等优点，使得前级为boost变换器，后级为T-NPC或则I-NPC三电平逆变器的两级式拓扑在10kW等级的光伏并网逆变器中得到了广泛的应用。

为缓冲前后级之间的能量，同时起到前、后级控制上解耦的作用，两级式光伏并网逆变器需要在中间直流母线上安装较大容量的电解电容。电解电容寿命短、可靠性差。薄膜电容无电解液寿命长，但是容值小、价格昂贵，因此使用薄膜电容替代电解电容，需要减小逆变器母线电容的容值。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种减小母线电容的两级式三相三电平光伏并网逆变器的数字控制方法，通过减小逆变器输入阻抗，以解决由于光伏电池功率突增或突减造成的母线电压跌落与过冲，进而减小母线电容。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种两级式三相三电平光伏并网逆变器的数字控制方法，将母线电压外环、d轴电容电流内环和q轴电网电流内环相结合，对三电平逆变器进行控制，具体为：

母线电压外环：将母线电压参考值V_ref与母线电压采样值V_bus做差后，反向送入电压外环PI调节器R₁，将电压外环PI调节器R₁的输出作为d轴电容电流内环的参考I_ref；

d轴电容电流内环：将d轴电容电流内环的参考I_ref与检测到的等效电容电流I_cap做差后，送入电容电流环PI调节器R₂，将电容电流环PI调节器R₂的输出与电网电压在d轴的分量E_d以及交叉耦合项ωLI_q相加后，作为SVPWM中参考矢量的d轴分量；

q轴电网电流内环：将并网电流的q轴分量I_q与参考值0做差后送入电网电流调节器R₃，将电网电流调节器R₃的输出与电网电压在q轴的分量E_q以及交叉耦合项ωLI_d相加后，作为SVPWM中参考矢量的q轴分量；

SVPWM中参考矢量经过SVPWM波发生模块产生开关管驱动信号，驱动三电平逆变器。

优选的，在d轴电容电流内环中，通过计算采样前级BOOST变换器输出电流与后级三电平逆变器输入电流之差得到一个开关周期内平均电容电流，即等效电容电流I_cap。

优选的，三电平逆变器为I-NPC或者T-NPC逆变器，通过以下两种方法之一计算三电平逆变器输入电流：①通过计算每相开关管开关函数以及三相电感电流，计算一个开关周期内流入三电平逆变器上桥臂电流之和与流出三电平逆变器下桥臂电流之和的平均值，作为三电平逆变器输入电流；②通过计算三相电流在d-q坐标系中的幅值以及调制比，计算一个开关周期内流入三电平逆变器上桥臂电流之和与流出三电平逆变器下桥臂电流之和的平均值，作为三电平逆变器输入电流。

有益效果：由于现有技术为抑制三相电压不平衡造成的母线电压二次纹波脉动对于进网电流直流的影响，电压外环截止频率较低；电流内环为电网电流内环，虽然动态较快，但是内环的参考由带宽极低的电压外环给出，因此母线电压的调节主要由外环决定，动态响应差。而本发明提供的两级式三相三电平光伏并网逆变器的数字控制方法，根据直流母线电容电流来调节逆变器并网电流的幅值，可以通过截止频率较高的电流内环使得逆变器的输入电流跟踪前级boost变换器的输出电流，减小了逆变器输入阻抗，因此流入电容的电流几乎为零，动态响应迅速，对于光伏电池功率变化对直流母线造成的扰动抑制能力增强；并且本发明提出的三电平逆变器电容电流采样方法简单易行。

附图说明

图1为例举的本发明方法所适用的两种两级式三相三电平光伏并网逆变器结构示意图；其中图1(a)为T-NPC中点钳位三电平逆变器，图1(b)为I-NPC中点钳位三电平逆变器；

图2为本发明方法及其应用系统框图；

图3为在两级式三相光伏并网逆变器中，采用本发明方法得到的母线电压与并网电流动态波形；

图4为在两级式三相光伏并网逆变器中，采用本发明方法得到的并网电流稳态波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为两种现有的两级式三相三电平光伏并网逆变器示意图，基于现有的两级式三相三电平光伏并网逆变器，无需增加其他采样电路即可实现本发明方法，具体为：将母线电压外环、d轴电容电流内环和q轴电网电流内环相结合，对三电平逆变器进行控制。下面给出本发明方法的一种具体实施过程：

(1)根据采样前级BOOST变换器一个开关周期内的电感电流平均值I_L以及占空比D，计算出一个开关周期内前级BOOST变换器输出电流的平均值I_boost：

I_boost＝(1-D)·I_L

(2)三电平逆变器三相电流通过坐标系转换，得到d-q坐标系中的幅值I_d、I_q幅值，通过三电平逆变器三相电流在d-q坐标系中的幅值I_d、I_q幅值，以及SVPWM调制比M得到一个开关周期内流入三电平逆变器上桥臂电流之和与流出三电平逆变器下桥臂电流之和的平均值I_inv：

$>I_{\mathrm{inv}}=\frac{\sqrt{3}}{2}M·I_d$>

(3)根据一个开关周期内前级BOOST变换器输出电流的平均值I_boost，以及一个开关周期内流入三电平逆变器上桥臂电流之和与流出三电平逆变器下桥臂电流之和的平均值I_inv求得等效电容电流I_cap：

I_cap＝I_inv-I_boost

(4)进行母线电压外环、d轴电容电流内环和q轴电网电流内环控制：

母线电压外环：将母线电压参考值V_ref与母线电压采样值V_bus做差后，反向送入电压外环PI调节器R₁，将电压外环PI调节器R₁的输出作为d轴电容电流内环的参考I_ref；

d轴电容电流内环：将d轴电容电流内环的参考I_ref与检测到的等效电容电流I_cap做差后，送入电容电流环PI调节器R₂，将电容电流环PI调节器R₂的输出与电网电压在d轴的分量E_d以及交叉耦合项ωLI_q相加后，作为SVPWM中参考矢量的d轴分量；

q轴电网电流内环：将并网电流的q轴分量I_q与参考值0做差后送入电网电流调节器R₃，将电网电流调节器R₃的输出与电网电压在q轴的分量E_q以及交叉耦合项ωLI_d相加后，作为SVPWM中参考矢量的q轴分量；

(5)SVPWM中参考矢量经过SVPWM波发生模块产生开关管驱动信号，驱动三电平逆变器。

下面结合实施例对本发明作出进一步的说明。

如图1(b)所示，在该两级式光伏并网逆变器中，前级为BOOST变换器，后级采用中点钳位三电平逆变器，母线电容为200μF；采用TMS320F2812DSP作为数字控制器。控制方法如图2所示，其具体控制策略实施方法如下：

由DSP的AD转换器采样三相电感电流、三相电网电压、BOOST变换器电感电流、母线电压在DSP内部乘以比例系数得到各采样值对应的实际值。三相电网电压经过锁相环得到相位角，根据帕克变换及克拉克变换，将ABC坐标系中电流值转化为同步d-q坐标系中的电流矢量。在DSP中跟据采样所得BOOST变换器电感电流以及占空比算出BOOST变换器输出电流；根据d轴电流分量以及SVPWM调制比计算出等效逆变器输入电流，进而求得等效电容电流；电压外环根据给定的母线电压参考以及反馈的母线电压，经过调节器输出电容电流参考，进而通过带宽较高的电容电流内环直接控制流入逆变器的电流，从而达到使得母线电压动态响应迅速，母线电压对前级功率扰动抑制能力提高的效果。为模拟光伏电池由于功率脉动造成的母线电压波动，人为使得光伏电池最大功率由20％最大功率突增至100％最大功率，再突减至20％最大功率，以检测本专利所提出的控制策略的有效性。

图3为在两级式三相光伏并网逆变器中本实施例得到的母线电压(位于上方的波形)与并网电流动态波形(位于下方的波形)。通过该图可以明显看出当光伏电池功率突变时，逆变器电流迅速增加，于此同时，逆变器母线电压保持不变。

图4为在两级式三相光伏并网逆变器中本实施例得到的并网电流稳态波形(位于上方的是逆变器母线电压波形，位于下方的是三相并网电流波形)。通过该图可以看出稳态时逆变器并网电流光滑，正弦度高，THD小。

本发明提出的两级式三电平光伏并网逆变器控制方式，在保障输出电流THD较低的基础上，增强了母线电压对于光伏电池功率脉动造成的母线电压脉动的抑制能力；因为本发明的控制方式降低了逆变器的输入阻抗，因此可以用容值较小的薄膜电容作为母线电容。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。