独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器
阅读说明：本技术 独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器 (Independent active support type photovoltaic inverter with unbalanced load ) 是由 李铁成 梁纪峰 夏彦卫 曾四鸣 范辉 罗蓬 周文 易皓 王振雄 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器。该独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器包括：光伏接点、负载接点、前级变换器和后级逆变器；光伏接点用于接外部光伏,负载接点用于接外部负载；前级变换器的第一端与光伏接点连接,前级变换器的第二端与后级逆变器的第一端连接；后级逆变器的第二端与负载接点连接。本发明能够在独立带负载运行时,对电压电流进行正负序分离,独立控制正序分量与负序分量,采用恒压恒频控制策略控制正序分量维持母线电压与频率,引入负序双环控制抑制负序分量,消除功率波动,保证系统稳定运行,提高运行可靠性。(The invention provides an active support type photovoltaic inverter with an unbalanced load independently. This independent active support type photovoltaic inverter with unbalanced load includes: the photovoltaic junction, the load junction, the preceding converter and the subsequent inverter; the photovoltaic contact is used for connecting an external photovoltaic, and the load contact is used for connecting an external load; the first end of the preceding-stage converter is connected with the photovoltaic contact, and the second end of the preceding-stage converter is connected with the first end of the rear-stage inverter; and the second end of the rear-stage inverter is connected with the load contact. The invention can separate the positive sequence from the negative sequence of the voltage and the current when the independent load runs, independently control the positive sequence component and the negative sequence component, control the positive sequence component to maintain the voltage and the frequency of the bus by adopting a constant voltage and constant frequency control strategy, introduce the negative sequence double-loop control to inhibit the negative sequence component, eliminate the power fluctuation, ensure the stable running of the system and improve the running reliability.)
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种独立带不平衡负载的主动 支撑型光伏逆变器。
背景技术
随着人类社会的快速发展，天然气、石油等传统类型能源日渐消耗，其造 成的资源短缺和环境问题不容忽视，新能源的开发利用走上历史舞台，成为全 球能源界不可忽视的重要议题，而光伏电源作为新能源供电的主要方式之一， 其发展在世界各国都得到了重视。分布式能源并入电网后将对电网产生一定影 响，可通过合理的控制策略实现高效并网并达到对电网的主动支撑效果，提高 运行稳定性。
而当电网侧发生故障时，分布式光伏系统需要脱离电网进行独立带载，维 持系统稳定运行，提高可靠性。实际的电网运行时时常存在不对称三相负载， 将在逆变器系统中产生负序分量，并产生功率波动，严重影响逆变器输出波形， 同时负序电流在线路阻抗中会产生一定负序压降，降低电能质量。光伏逆变器 可具备独立带三相不平衡负载的能力，高质量并稳定地在提供负载运行所需的 电压。光伏逆变器在独立带载时，通常采用电压型控制策略，而当所带三相负 载不一致时，会产生不平衡电流，进而导致输出电压不平衡，从而反作用于负 荷电压，对负荷的安全使用造成不良影响。
但是，上述光伏逆变器在独立带负载运行时存在电能质量差的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器，以 解决光伏逆变器在独立带负载运行时存在电能质量差的问题。
本发明实施例提供了一种独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器，包 括：
光伏接点、负载接点、前级变换器和后级逆变器；
光伏接点接外部光伏，负载接点接外部负载，前级变换器的第一端与光伏 接点连接，前级变换器的第二端与后级逆变器的第一端连接，后级逆变器的第 二端与负载接点连接；
前级变换器，用于维持外部光伏的直流电压恒定；
后级逆变器，用于对电压电流进行正负序分离以及对正负序进行独立控制， 以消除负序不平衡电压。
在一种可能的实现方式中，前级变换器为Boost变换器；
Boost变换器进行直流侧电容电压单闭环控制对应的Boost开关管的调制 信号为：
其中，udc_g为Boost开关管调制信号，kp_dc为PI调节器比例控制器的值， ki_dc为PI调节器积分控制器的值，udcref为直流侧电容电压给定值，udc为测得 的直流侧电容电压。
在一种可能的实现方式中，后级逆变器包括：正负序分离模块、A/D变换 模块、正序分量控制模块、负序分量控制模块和D/A变换模块。
在一种可能的实现方式中，A/D变换模块输出值的计算公式如下：
其中，ia、ib、ic分别为逆变器输出的三相电流，id、iq为该输出三相电流在Dq同步旋转坐标系下的值，ua、ub、uc分别为逆变器输出的三相电压，ud、uq为该输出三相电压在Dq同步旋转坐标系下的值，θ1为d轴与相位参考轴的夹 角。
在一种可能的实现方式中，D/A变换模块输出值的计算公式如下：
其中，ia、ib、ic分别为逆变器输出的三相电流，id、iq为该输出三相电流在 Dq同步旋转坐标系下的值，ua、ub、uc分别为逆变器输出的三相电压，ud、uq为该输出三相电压在Dq同步旋转坐标系下的值，θ1为d轴与相位参考轴的夹 角。
在一种可能的实现方式中，正负序分离模块采用基于三角函数正交变换的 时域检测算法进行电压电流正负序分量分离，并利用正弦函数和余弦函数的正 交性，将电压表示为正序分量和负序分量的组合，计算公式如下：
其中，a1为电压正序总分量系数，a2为电压负序正弦分量系数，b2为电压 负序余弦分量系数，ω为电压角频率，φ1为电压正序分量初始相角。
在一种可能的实现方式中，正序分量控制模块采用电压电流双环对正序分 量进行控制，负序分量控制模块包括：第一电压外环控制模块和第一电流内环 控制模块；
负序分量控制模块采用恒压恒频对负序分量进行控制，正序分量控制模块 包括：电容电压均分控制模块、第二电压外环控制模块、第二电流内环控制模 块和电压前馈模块。
在一种可能的实现方式中，第一电压外环控制模块生成电流内环控制模块 指令值的计算公式如下：
其中，Ud_nref＝0,Uq_nref＝0；式中，id_nref为负序d轴电流指令值，iq_nref为负 序q轴电流指令值，kp_ndu为负序d轴电压外环PI调节器比例控制器的值，ki_ndu为负序d轴电压外环PI调节器积分比例控制器的值，kp_nqu为负序q轴电压外 环PI调节器比例控制器的值，ki_nqu为负序q轴电压外环PI调节器积分控制器 的值，Ud_nref为负序d轴电压指令值，Uq_nref为负序q轴电压指令值，Ud_n和Uq_n分别为负序电压在d轴和q轴上的值；
第一电流内环控制模块生成调制信号的的计算公式如下：
其中，md_n和mq_n分别为逆变器输出电压d轴负序调制量、逆变器输出电 压q轴负序调制量，kp_ndi、ki_ndi分别为负序d轴电压外环PI调节器比例控制器 的值与积分控制器的值，kp_nqi、ki_nqi分别为负序q轴电压外环PI调节器比例控 制器的值与积分控制器的值，Id_nref为负序d轴电流指令值，Iq_nref为负序q轴电 流指令值，id_n和iq_n分别为负序电流在d轴和q轴上的值。
在一种可能的实现方式中，第二电压外环控制模块生成电流内环控制模块 指令值的计算公式如下：
Ud_pref＝311,Uq_pref＝0
其中，Id_pref为正序d轴电流指令值，Iq_pref为正序q轴电流指令值，kp_pdu为正序d轴电压外环PI调节器比例控制器的值，ki_pdu为正序d轴电压外环PI 调节器积分比例控制器的值，kp_pqu为正序q轴电压外环PI调节器比例控制器 的值，ki_pqu为正序q轴电压外环PI调节器积分控制器的值，Ud_pref为正序d轴 电压指令值，Uq_pref为正序q轴电压指令值，Ud_p和Uq_p分别为正序电压在d 轴和q轴上的值；
第二电流内环控制模块生成调制信号的计算公式如下：
其中，md_p1和mq_p1分别为正序d轴电流内环生成调制指令值、正序q轴 电流内环生成调制指令值，kp_pdi、ki_pdi分别为正序d轴电压外环PI调节器比例 控制器的值与积分控制器的值，kp_pqi、ki_pqi分别为正序q轴电压外环PI调节器 比例控制器的值与积分控制器的值，Id_pref为正序d轴电流指令值，Iq_pref为正序 q轴电流指令值，id_p和iq_p分别为正序电流在d轴和q轴上的值，K为前馈信 号的比例系数，Ud_p和Uq_p分别为正序电压在d轴和q轴上的值。
在一种可能的实现方式中，还包括：滤波器，负载接点连接滤波器的第一 端，滤波器的第二端连接外部负载。
本发明实施例提供一种独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器，通过 光伏接点、负载接点、前级变换器和后级逆变器；光伏接点用于接外部光伏， 负载接点用于接外部负载；前级变换器的第一端与光伏接点连接，前级变换器 的第二端与后级逆变器的第一端连接；后级逆变器的第二端与负载接点连接； 在独立带负载运行时，对电压电流进行正负序分离，独立控制正序分量与负序 分量，采用恒压恒频控制策略控制正序分量维持母线电压与频率，引入负序双 环控制抑制负序分量，消除功率波动，保证系统稳定运行，提高运行可靠性以 及电能质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技 术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅 仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳 动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的两级式光伏独立带不平衡负载运行控制框图；
图2为本发明实施例提供的并离网切换的微网结构图；
图3为本发明实施例提供的负序分量电压电流双环控制框图；
图4为本发明实施例提供的正序分量恒压恒频控制框图；
图5为本发明实施例提供的逆变器直流侧电容均压控制框图；
图6为本发明实施例提供的不具备电能质量治理功能的光伏逆变器输出电 压波形图；
图7为本发明实施例提供的不具备电能质量治理功能主动支撑型光伏逆变 器输出正负序电压波形图；
图8为本发明实施例提供的不具备电能质量治理功能主动支撑型光伏逆变 器输出电压不平衡度波形图；
图9为本发明实施例提供的独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器输 出电压波形图；
图10为本发明实施例提供的独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器 输出正负序电压波形图；
图11为本发明实施例提供的独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器 输出电压不平衡度波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中 的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施 例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都应当属于本方案保护的范围。
本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何 变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中 列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用 于描述特定顺序。
以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
图1为本发明实施例提供的一种独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变 器的结构示意图。参照图1，该独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器包 括：
光伏接点、负载接点、前级变换器和后级逆变器；
光伏接点接外部光伏，负载接点接外部负载，前级变换器的第一端与光伏 接点连接，前级变换器的第二端与后级逆变器的第一端连接，后级逆变器的第 二端与负载接点连接；
前级变换器，用于维持外部光伏的直流电压恒定；
后级逆变器，用于对电压电流进行正负序分离以及对正负序进行独立控制， 以消除负序不平衡电压，保证正序电压对离网的外部负载的供电以及光伏逆变 器输出恒频电压。
本发明的独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器具体控制步骤包括：
步骤1：由前级Boost变换器控制直流电容电压。
步骤1-1：将Boost变换器输出电容电压udc，与给定直流电容电压参考值 udc_ref做差，将产生的差值信号送入PI调节器，产生PWM调制波，计算公式 为：
式中，udc_p为Boost开关管调制信号，kp_dc为PI调节器比例控制器的值， ki_dc为PI调节器积分控制器的值，udcref为直流侧电容电压给定值，udc为测得的 直流侧电容电压。
步骤1-2：由生成占空比信号控制boost电路中开关管的开断。
步骤2：由后级逆变器部分控制光伏逆变器输出稳定电压维持母线电压频 率恒定。
步骤2-1：将系统母线电压uabc和输出电感电流iabc经变换得到正负序分量 Ud_n、Uq_n和id_n、iq_n。将电压(流)表示为正序分量和负序分量的组合：
其中，下标1表示正序分量，下标2表示负序分量，为计算方便，将正序 分量表示为正弦分量与余弦分量之和，利用正弦函数和余弦函数的正交性可计 算出正负序分量：
步骤2-2：利用电压电流双环控制负序分量，其控制框图如图3所示：
步骤2-2-1：利用电压外环生成电流内环指令值，计算公式如下：
式中，Id_nref为负序d轴电流指令值，Iq_nref为负序q轴电流指令值，kp_ndu为负序d轴电压外环PI调节器比例控制器的值，ki_ndu为负序d轴电压外环PI 调节器积分比例控制器的值，kp_nqu为负序q轴电压外环PI调节器比例控制器 的值，ki_nqu为负序q轴电压外环PI调节器积分控制器的值，Ud_nref为负序d轴 电压指令值，Uq_nref为负序q轴电压指令值，Ud_n和Uq_n分别为负序电压在d 轴和q轴上的值。
其中，
Ud_nref＝0,Uq_nref＝0 (5)
步骤2-2-2：电流内环控制模块生成调制信号，计算公式为：
式中md_n和mq_n为逆变器输出电压d轴负序调制量、逆变器输出电压q轴 负序调制量，kp_ndi、ki_ndi分别为负序d轴电压外环PI调节器比例控制器的值与 积分控制器的值，kp_nqi、ki_nqi分别为负序q轴电压外环PI调节器比例控制器的 值与积分控制器的值，Id_nref为负序d轴电流指令值，Iq_nref为负序q轴电流指令 值，id_n和iq_n分别为负序电流在d轴和q轴上的值。
步骤3：采用恒压恒频控制策略控制正序分量，为离网负载提供正常运行 所需的电压频率支撑，其控制框图如图4所示：
步骤3-1：使用零序电流注入法控制逆变器直流侧电容电压均压，其控制 框图如图5所示。将直流侧电容电压做差，将电压差值送入PI调节器，再与零 序电流分量做差，生成指令信号：
式中，mp0分别为生成的调制信号，u1、u2分别为直流侧上下电容电压，kp_pdc、 ki_pdc分别为PI调节器比例控制器的值与积分控制器的值，I0为电流零序分量。
步骤3-2：利用电压外环生成电流内环指令值，计算公式如下：
其中：
Ud_pref＝311,Uq_pref＝0 (9)
式中，Id_pref为正序d轴电流指令值，Iq_pref为正序q轴电流指令值，kp_pdu为正序d轴电压外环PI调节器比例控制器的值，ki_pdu为正序d轴电压外环PI 调节器积分比例控制器的值，kp_pqu为正序q轴电压外环PI调节器比例控制器 的值，ki_pqu为正序q轴电压外环PI调节器积分控制器的值，Ud_pref为正序d轴 电压指令值，Uq_pref为正序q轴电压指令值，Ud_p和Uq_p分别为正序电压在d 轴和q轴上的值。
步骤3-3：利用电流内环控制模块生成调制信号，计算公式为：
式中，md_p1和mq_p1为正序d轴电流内环生成调制指令值、正序q轴电流 内环生成调制指令值，kp_pdi、ki_pdi分别为正序d轴电压外环PI调节器比例控制 器的值与积分控制器的值，kp_pqi、ki_pqi分别为正序q轴电压外环PI调节器比例 控制器的值与积分控制器的值，Id_pref为正序d轴电流指令值，Iq_pref为正序q轴 电流指令值，id_p和iq_p分别为正序电流在d轴和q轴上的值，K为前馈信号的 比例系数，Ud_p和Uq_p分别为正序电压在d轴和q轴上的值。
步骤3-4：将md_p1和mq_p1进行dq/abc反变换，生成驱动PWM信号，再 在上加上直流偏置调制信号mp0，生成正序PWM信号。A/D(即abc/dq)和 D/A(即dq/abc)指数字电路和模拟电路的切换，此处应当指硬件电路，dq指 的是软件部分。
步骤3-5：将正序PWM信号与负序PWM信号叠加得到逆变器开关管驱动 PWM波。
为了对本发明进行测试，在MATLAB/Simulink中，搭建了独立带不平衡 负载的主动支撑型光伏逆变器的仿真模型。
不具备电能质量治理功能的光伏逆变器带三相不平衡负载时的波形图如图 6、图7和图8所示。其中，图6为不具备电能质量治理功能的光伏逆变器输出 电压波形图，图7是输出电压正负序分量波形图，图8是输出电压不平衡度波 形图。从三张波形图的对比可以看出，不具备电能质量治理功能的光伏逆变器 当所带三相负载不平衡时输出电压所含负序分量较大，电压不平衡度较高，不 利于系统稳定运行。
独立带不平衡负载的主动支撑型光伏逆变器带三相不平衡负载时的波形图 如图9、图10和图11所示。其中，图9为独立带不平衡负载的主动支撑型光 伏逆变器输出电压波形图，图10是输出电压正负序分量波形图，图11是输出 电压不平衡度波形图。从图中可以看出，经过以上控制策略，光伏逆变器输出 电压负序分量大大减少，电压三相不平衡度很低，保障了负载电压的电能质量， 提高了光伏逆变器主动支撑供电的可靠性和稳定性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述 实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进 行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各 实施例技术方案的精神和范围。
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