[发明专利]一种级联光伏固态变压器的控制方法

摘要

本发明公开了一种级联光伏固态变压器的控制方法，其目的是为了解决系统补偿三次谐波电压后，前级两电平全桥LLC变换器谐振电流的四倍工频包络纹波电流问题。主要步骤如下：对所有H桥变换器的直流侧电容电压的平均值进行控制，并得到有功电流指令值；对电网电流进行控制以及计算三次谐波电压并补偿给系统；对两电平全桥LLC变换器的输出电压进行控制以及谐振电流四倍工频包络纹波进行抑制；通过控制Boost变换器的输入母线电压实现前级光伏阵列的最大功率点追踪控制。相比于现有技术，不需要添加任何硬件装置即可实现前级两电平全桥LLC变换器四倍工频包络纹波的抑制，改善系统的性能。

主权项

1.一种级联光伏固态变压器的控制方法，应用该控制方法的级联光伏固态变压器是三相光伏变换器，由A相、B相和C相组成；其中A相、B相和C相均包含N个模块，A相、B相和C相中的模块结构完全相同，且N是大于1的正整数；A相、B相和C相中的每一个模块都是由一个两电平全桥LLC变换器串联一个H桥变换器组成，H桥变换器的交流输出端并联一个旁路开关，所述旁路开关就是一个开关状态可控的继电器；A相、B相和C相中所有模块的交流输出端互相串联，形成三个模块串，这三个模块串的一端连接在一起形成一个公共点，另一端均分别通过电感连接到三相星型连接的电网；A相、B相和C相的所有模块的输入端口并联形成公共直流母线；此外，公共直流母线上还连接了M个两电平Boost变换器，M是大于1的正整数；其中，两电平Boost变换器的输出正母线与公共直流母线的正电压母线连接，两电平Boost变换器的输出负母线与公共直流母线的负电压母线连接；M个两电平Boost变换器的输入端口各自并联一个光伏阵列；其特征在于，所述的控制方法包括H桥变换器直流侧电容电压的平均值控制、电网电流控制、两电平全桥LLC变换器的控制，以及光伏阵列的最大功率点追踪控制，步骤如下：步骤1，H桥直流侧电容电压的平均值控制步骤1.1，分别对A相、B相和C相的所有H桥变换器的直流侧电容电压进行采样，得到以下数据：N个A相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为A相直流侧电容电压V_HAk，k＝1,2,...,N；N个B相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为B相直流侧电容电压V_HBk，k＝1,2,...,N；N个C相H桥变换器的直流侧电容电压的采样值，将其中任一个记为C相直流侧电容电压V_HCk，k＝1,2,...,N；步骤1.2，计算所有H桥变换器的直流侧电容电压的平均值，并记为直流侧电容电压平均值V_Haver，其计算式为：步骤1.3，使用电压调节器对直流侧电容电压平均值V_Haver进行控制，可以得到有功电流指令值其计算式为：其中，K_VP为电压调节器的比例系数，K_VI为电压调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子，V_ref为H桥变换器直流侧电容电压的平均值的参考电压；步骤2，电网电流控制步骤2.1，分别对三相电网电压和三相电网电流进行采样，得到三相电网电压的采样值v_ga，v_gb，v_gc和三相电网电流的采样值i_ga，i_gb，i_gc；步骤2.2，使用解耦双同步坐标系锁相环对步骤2.1得到的三相电网电压的采样值v_ga，v_gb，v_gc进行锁相，得到电网电压的相位角ωt、角频率ω以及电网相电压的幅值V_g；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中采样得到的三相电网电压v_ga，v_gb，v_gc转换成旋转坐标系下的电网电压有功分量e_d和电网电压无功分量e_q；通过同步旋转坐标变换将步骤2.1中得到的三相电网电流的采样值i_ga，i_gb，i_gc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e_d和电网电压无功分量e_q的计算式为：电网电流有功分量i_d和电网电流无功分量i_q的计算式为：步骤2.3，设逆变器的无功电流指令值给定为0，根据步骤1.3得到的有功电流指令值和步骤2.2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，计算得到有功电流调节器的输出值Δv_d和无功电流调节器的输出值Δv_q，其计算式分别为：其中，K_iP为电流调节器的比例系数，K_iI为电流调节器的积分系数；步骤2.4，根据步骤2.2得到的电网电压有功分量e_d、电网电压无功分量e_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以及步骤2.3中得到的有功电流调节器的输出值Δv_d和无功电流调节器的输出值Δv_q，计算得到有功电压幅值v_d和无功电压幅值v_q，如下式所示：其中，其中L_f为网侧滤波电感；步骤2.5，将步骤2.4得到的有功电压幅值v_d和无功电压幅值v_q经过同步旋转坐标系逆变换得到自然坐标系下逆变器的三相调制电压v_ca，v_cb和v_cc，计算式为：步骤2.6，根据步骤2.4得到的有功电压幅值v_d和无功电压幅值v_q，计算出三相调制电压v_ca，v_cb和v_cc的幅值V_c以及v_ca与v_ga之间的夹角α，其计算式为：步骤2.7，根据步骤2.2得到的电网电压的相位角ωt以及步骤2.6计算出的V_c和α，计算出三次谐波电压v₃，其计算式为：步骤2.8，根据步骤2.5计算得到的三相调制电压v_ca，v_cb和v_cc以及步骤2.7计算得到的三次谐波电压v₃，可以计算出补偿三次谐波电压后的三相调制电压和其计算式为：步骤2.9，将步骤2.8计算得到的补偿三次谐波电压后的三相调制电压和分别除以A相、B相、和C相的模块数目N，可以得到A相模块的调制电压v_aH，B相模块的调制电压v_bH和C相模块的调制电压v_cH，其计算式为：步骤2.10，计算出A相、B相和C相所有H桥变换器的调制波；记A相中任一个H桥变换器的调制波为m_ak、B相任一个H桥变换器的调制波为m_bk，C相任一个H桥变换器的调制波为m_ck，k＝1,2,...,N，则m_ak、m_bk和m_ck的计算式如下：步骤3，两电平全桥LLC变换器的控制步骤3.1，对公共直流母线电压进行采样，得到公共直流母线电压的采样值V_dcT；步骤3.2，对步骤1.1中得到的A相直流侧电容电压V_HAk、B相直流侧电容电压V_HBk和C相直流侧电容电压V_HCk，分别使用100Hz陷波器进行滤波，得到A相直流侧电容电压的滤波电压B相直流侧电容电压的滤波电压和C相直流侧电容电压的滤波电压步骤3.3，使用相同的LLC电压控制器对步骤3.2得到的A相直流侧电容电压的滤波电压B相直流侧电容电压的滤波电压和C相直流侧电容电压的滤波电压进行控制，得到A相LLC电压控制器的输出值f_DAk、B相LLC电压控制器的输出值f_DBk和C相LLC电压控制器的输出值f_DCk，k＝1,2,...,N，其计算式分别如下：式中，N_T是两电平全桥LLC变换器中高频变压器的原边与副边的匝比，K_DP为LLC电压控制器的比例系数，K_DI为LLC电压控制器的积分系数；步骤3.4，分别对A相、B相和C相中的所有两电平全桥LLC变换器的谐振电感电流进行采样，得到以下数据：N个A相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的采样值，将其中任一个记为A相两电平全桥LLC变换器的谐振电流i_LrAk，k＝1,2,...,N；N个B相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的采样值，将其中任一个记为B相两电平全桥LLC变换器的谐振电流i_LrBk，k＝1,2,...,N；N个C相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的采样值，将其中任一个记为C相两电平全桥LLC变换器的谐振电流i_LrCk，k＝1,2,...,N；步骤3.5，分别求取步骤3.4中得到的A相两电平全桥LLC变换器的谐振电流i_LrAk的绝对值B相两电平全桥LLC变换器的谐振电流i_LrBk的绝对值和C相两电平全桥LLC变换器的谐振电流i_LrCk的绝对值步骤3.6，对步骤3.5中得到的A相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的绝对值B相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的绝对值和C相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的绝对值分别使用低通滤波器对其进行滤波，得到A相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的滤波值B相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的滤波值和C相两电平全桥LLC变换器的谐振电流滤波值其计算式分别为：式中，ω₀为低通滤波器的截止频率，Q为低通滤波器的品质因数；步骤3.7，使用相同的电流纹波控制器对步骤3.6得到的A相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的滤波值B相两电平全桥LLC变换器的谐振电流的滤波值和C相两电平全桥LLC变换器的谐振电流滤波值进行控制，得到A相电流纹波控制器的输出值Δf_DAk、B相电流纹波控制器的输出值Δf_DBk和C相电流纹波控制器的输出值Δf_DCk，k＝1,2,...,N，其计算式分别如下：式中，ω_c为电流纹波控制器的截止频率，K_r电流纹波控制器的比例系数；步骤3.8，根据步骤3.3得到的A相LLC电压控制器的输出值f_DAk、B相LLC电压控制器的输出值f_DBk和C相LLC电压控制器的输出值f_DCk，以及步骤3.7得到的A相电流纹波控制器的输出值Δf_DAk、B相电流纹波控制器的输出值Δf_DBk和C相电流纹波控制器的输出值Δf_DCk，计算得到A相两电平全桥LLC变换器的开关频率B相两电平全桥LLC变换器的开关频率和C相两电平全桥LLC变换器的开关频率其计算式为：步骤4，光伏阵列的最大功率点追踪控制步骤4.1，分别对M个两电平Boost变换器的输入母线电容电压和对应光伏阵列的输出电流进行采样，得到如下数据：M个两电平Boost变换器输入母线电容电压的采样值，将其中任一个记为输入母线电容电压V_PVx；M个光伏阵列的输出电流的采样值，将其中任一个记为光伏阵列输出电流I_PVx，x＝1,2,...,M；步骤4.2，根据步骤4.1得到的输入母线电容电压采样值V_PVx和光伏阵列输出电流I_PVx，分别对M个两电平Boost变换器所连接的光伏阵列进行最大功率点追踪，得到M个两电平Boost变换器所连的光伏阵列的最大功率点电压，将其中任一个记为光伏阵列最大功率点电压然后把光伏阵列最大功率点电压作为两电平Boost变换器输入母线电容电压的指令值；步骤4.3，使用M个相同的Boost电压控制器对M个两电平Boost变换器输入母线电容电压的指令值进行控制，得到M个两电平Boost变换器的占空比，记M个两电平Boost变换器中的任一个两电平Boost变换器的占空比为占空比d_x，x＝1,2,...,M，其计算式为：其中，K_BP为两电平Boost电压控制器的比例系数，K_BI为两电平Boost电压控制器的积分系数。