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一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法

阅读：1033发布：2020-07-29

专利汇可以提供一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及光伏逆变器调制技术，具体涉及一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法，在传统空间矢量调制方法的基础上，根据各单元直流电压瞬时值与其MPPT模块给出的直流电压指令值之差确定该单元直流侧应该充电、放电或是直流电压保持不变，在单相逆变器输出矢量的一维空间中，根据逆变器并网电流的瞬时方向从控制器输出电压指令值的两侧区域各选择一个与各单元充/放电需求最一致的矢量作为下一个开关周期的输出矢量，再根据控制器输出电压指令值与两个输出矢量所对应的电平值计算占空比。该调制方法将改进型空间矢量调制法应用到光伏发电系统，代替了控制器算法中单元直流电压均衡控制的部分，简化控制器结构，有利于提高控制系统稳定性。，下面是一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法，其特征是，在传统空间矢量调制方法的基础上，根据各单元直流电压瞬时值与其MPPT模块给出的直流电压指令值之差确定该单元直流侧应该充电、放电或是直流电压保持不变，在单相逆变器输出矢量的一维空间中，根据逆变器并网电流的瞬时方向从控制器输出电压指令值的两侧区域各选择一个与各单元充/放电需求最一致的矢量作为下一个开关周期的输出矢量，再根据控制器输出电压指令值与两个输出矢量所对应的电平值计算占空比。
2.如权利要求1所述的单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法，其特征是，某单元直流侧应该充电、放电或是直流电压保持不变的判断标准为：在该单元MPPT模块给出的直流电压指令值基础上设置一个正负误差范围，当单元直流电压瞬时值低于该误差范围的下限则判定应该充电，当单元直流电压瞬时值超过该误差范围的上限则判定应该放电，当单元直流电压瞬时值处于误差范围内则判定直流电压保持不变。
3.如权利要求1所述的单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法，其特征是，单相逆变器输出矢量的一维空间最多包含3N个矢量，N为级联单元个数。
4.如权利要求1所述的单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法，其特征是，与各单元充/放电需求最一致的矢量的选取方法是：根据逆变器并网电流的瞬时方向，判断采用某一个矢量时各单元直流电压的变化趋势，若与单元的充/放电需求一致则记为0分，若与单元的充/放电需求相违背则记为2分，若与单元的充/放电需求不一致但也不违背则记为1分，将该矢量对所有单元的得分求和，最后比较同区域内所有待选矢量的总得分，选取总得分最小的矢量为该区域内与各单元充/放电需求最一致的矢量。
5.如权利要求4所述的单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法，其特征是，各单元直流电压的变化趋势中，上升与充电为一致，下降与放电为一致，上升与放电为违背，下降与充电为违背，其他情况均为不一致但也不违背。

说明书全文

一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法

技术领域

[0001] 本发明属于光伏逆变器调制技术领域，尤其涉及一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法。

背景技术

[0002] 由于能源和环境问题，光伏发电系统在能源利用中的作用越来越重要。在光伏发电系统中，光伏逆变器是一种将光伏电池输出的直流电转换成所需的交流电的重要设备。
光伏逆变器的电路有多种拓扑结构，其中一种结构是级联型光伏逆变器，即每个光伏电池
串(或称组件)与一个单相逆变器的直流端连接，所有单相逆变器的交流输出端再依次串
联，构成高压交流输出。这样的光伏逆变器可以直接向电网送电或者向负载供电，而不需要
使用交流变压器升压。每一个光伏电池及与之相连的单相逆变器被称为一个单元。

[0003] 每个光伏电池串(组件)的发电功率大小受其直流侧电压的控制，且与光照强度、温度、光伏电池表面遮挡、光伏电池参数的分散性等因素紧密相关。因而若所有单元的光伏
电池串(组件)都工作于其自身的最大功率点，将会导致各单元的直流电压不同。反之，若各
单元直流侧电压被控制为同一个数值，则会有某些光伏电池不是工作在最大功率点，降低
整体的发电效率。因此，为了提高光伏电池的发电效率，应该对每个单元采用独立的最大功
率点跟踪(MPPT)技术，使其直流电压跟随其MPPT输出的直流电压指令值，从而工作在各自
的最大功率点，使得系统发电效率达到最高。通常这样的控制是由光伏逆变器的控制器中
特定的控制算法实现的。

[0004] 除了控制算法，级联型光伏逆变器的控制器还要使用合适的调制方法将控制算法的输出指令值转变为各个单元的开关信号。级联型逆变器通常采用的调制方法有载波移相
调制(PS-PWM)、“阶梯调制+载波调制”的混合调制(H-PWM)、载波移幅调制(LS-PWM)。这些调制方法是以各单元直流侧电压平衡为前提，但是由于实际应用中各单元光伏电池受外界各
种因素影响，直流侧电压会发生偏移，最终影响光伏逆变器输出电压波形质量。也有某些调
制方法经过改进之后可以适应直流电压稍许不平衡的情况，但对于控制直流电压的偏差没
有作用。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种适用于单相级联型光伏逆变器的调制方法，该调制方法能够在各单元直流侧电压不平衡的情况下提高光伏逆变器输出电压波形质量，并且使得各
单元直流电压自动跟踪其MPPT模块给出的直流电压指令值，从而控制器不再需要附加单元
直流电压均衡控制算法，降低控制算法的复杂度。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法，在传统空间矢量调制方法的基础上，根据各单元直流电压瞬时值与其MPPT
模块给出的直流电压指令值之差确定该单元直流侧应该充电、放电或是直流电压保持不
变，在单相逆变器输出矢量的一维空间中，根据逆变器并网电流的瞬时方向从控制器输出
电压指令值的两侧区域各选择一个与各单元充/放电需求最一致的矢量作为下一个开关周
期的输出矢量，再根据控制器输出电压指令值与两个输出矢量所对应的电平值计算占空
比。

[0007] 在上述的单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法中，某单元直流侧应该充电、放电或是直流电压保持不变的判断标准为：在该单元MPPT模块给出的直流电压指令值
基础上设置一个正负误差范围，当单元直流电压瞬时值低于该误差范围的下限则判定应该
充电，当单元直流电压瞬时值超过该误差范围的上限则判定应该放电，当单元直流电压瞬
时值处于误差范围内则判定直流电压保持不变。

[0008] 在上述的单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法中，单相逆变器输出矢量的一维空间最多包含3N个矢量，N为级联单元个数。

[0009] 在上述的单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法中，与各单元充/放电需求最一致的矢量的选取方法是：根据逆变器并网电流的瞬时方向，判断采用某一个矢量时各
单元直流电压的变化趋势，若与单元的充/放电需求一致则记为0分，若与单元的充/放电需
求相违背则记为2分，若与单元的充/放电需求不一致但也不违背则记为1分，将该矢量对所
有单元的得分求和，最后比较同区域内所有待选矢量的总得分，选取总得分最小的矢量为
该区域内与各单元充/放电需求最一致的矢量。

[0010] 在上述的单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法中，各单元直流电压的变化趋势中，上升与充电为一致，下降与放电为一致，上升与放电为违背，下降与充电为违背，其他情况均为不一致但也不违背。

[0011] 本发明的有益效果为：将改进型空间矢量调制法应用到光伏发电系统，代替了控制器算法中单元直流电压均衡控制的部分，简化控制器结构，有利于提高控制系统稳定性。

[0012] 在光伏发电系统中，改进型空间矢量调制扩大了最优矢量组合的选择范围，使光伏逆变器输出电压逼近输出电压指令值，改善了输出电压波形质量，从而提高了整个光伏
发电系统的效率。

[0013] 本发明的调制方法考虑了直流侧电压平衡问题，可提高输出电压波形质量。

[0014] 本发明所提出的调制方法既适用于单相系统也适用于三相系统。附图说明

[0015] 图1(a)为本发明一个实施例单相三单元级联型光伏发电系统结构示意图；图1(b)为本发明一个实施例图1(a)中H桥结构示意图；

[0016] 图2为本发明一个实施例改进的空间矢量调制算法流程图；

[0017] 图3为本发明一个实施例光伏逆变器所有可能的输出矢量在一维坐标的排序；

[0018] 图4为本发明一个实施例光伏逆变器正半轴的矢量及其所属的矢量集合。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

[0020] 本实施例提出了一种可用于单相光伏逆变器的调制方法，该方法对常规空间矢量调制进行改进，通过优选输出开关矢量，使得各单元的直流电压跟随其MPPT给出的直流电
压指令值，实现各单元直流电压快速收敛，并且逆变器能够在各单元直流电压不一致的条
件下精确按照控制算法的输出指令值输出，改善输出电压波形质量。使用该调制方法的光
伏逆变器，不再需要在其控制器中附加单元间的直流电压均衡控制算法，从而降低了控制
器算法的复杂度，提高稳定性。

[0021] 本实施例通过以下技术方案来实现的，一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法，所述的调制算法是在传统的空间矢量调制方法基础上进行改进，根据各单元直流
电压瞬时值与其MPPT模块给出的直流电压指令值之差确定该单元直流侧应该充电、放电或
是保持不变，在单相逆变器输出矢量的一维空间中，根据逆变器并网电流的瞬时方向从控
制器输出电压指令值的两侧区域各选择一个与各单元充/放电需求最一致的矢量作为下一
个开关周期的输出矢量，再根据控制器输出电压指令值与两个输出矢量所对应的电平值计
算占空比。

[0022] 而且，某个单元直流侧应该充电、放电或是直流电压保持不变的判断标准，是在该单元MPPT模块给出的直流电压指令值基础上设置一个正负误差范围，当单元直流电压瞬时
值低于该误差范围的下限则判定应该充电，当单元直流电压瞬时值超过该误差范围的上限
则判定应该放电，当单元直流电压瞬时值处于误差范围内则判定直流电压保持不变。

[0023] 而且，由于每个单元的输出电平有三种(+Udc、-Udc和0)，且考虑所有单元的直流电N
压都不同的情况，所述单相逆变器输出矢量的一维空间最多包含3个矢量，N为级联单元个
数。

[0024] 而且，与各单元充/放电需求最一致的矢量的选取方法是：根据逆变器并网电流的瞬时方向，判断采用某一个矢量时各单元直流电压的变化趋势，若与单元的充/放电需求一
致则记为0分，若与单元的充/放电需求相违背则记为2分，若与单元的充/放电需求不一致
但也不违背则记为1分，将该矢量对所有单元的得分求和，最后比较同区域内所有待选矢量
的总得分，总得分最小的矢量即为该区域内与各单元充/放电需求最一致的矢量。单元直流
电压的变化趋势中，上升与充电一致，下降与放电一致，上升与放电违背，下降与充电违背，其他情况都算作不一致但也不违背。

[0025] 实施步骤如下：

[0026] 步骤1，单相N单元光伏逆变器在各个单元直流电压不相等的情况下所有输出矢量有3N个，将3N个输出矢量gi(i＝1，2…)按其对应的电平值Pi(i＝1，2…)大小进行划分。各单元直流电压Udci(i＝1，2…N)之和为Udcsum，对所有输出矢量的电平值在在-Udcsum、-Udcsum*(N-
1)/N、……-Udcsum/N、0、Udcsum/N……、Udcsum*(N-1)/N、Udcsum等共2N+1个数值中寻找与其最接近的数值，并将所有与同一个数值接近的矢量划分为一个矢量集合，则单相N单元的输出矢
量可划分为2N+1个矢量集合。

[0027] 步骤2，测量各单元直流电压瞬时值Udci，并定义其MPPT模块给出的直流电压指令值的Udcrefi的误差范围为±Δd。若Udci>Udcrefi+Δd，则该单元需要放电；若Udci

[0028] 步骤3，在所有输出矢量的一维空间中，在控制算法的输出指令值k的左侧和右侧分别找出与其数值最接近的矢量g1和g2。

[0029] 步骤4，在步骤3所得g1、g2所属的矢量集合Gj、Gj+1内，分别寻找与各单元充/放电需求最一致的矢量作为最优输出矢量gopt1、gopt2。若一个矢量集合内的最优矢量不止1个，则选取其电平数值最靠近k的矢量。寻找与各单元充/放电需求最一致的矢量的方法如下：

[0030] 根据逆变器输出电流is的瞬时方向，给一个矢量集合内的每个输出矢量，对其与所有单元的充/放电需求的符合程度进行评分。基于电路原理分析的结果，若第i(i＝1，
2…)个矢量会使得第x(i＝1，2…N)个单元的直流电压上升或下降的趋势与x单元的充/放
电需求一致，则记Six＝0分，若与x单元的充/放电需求相违背则记Six＝2分，若与该单元的
充/放电需求不一致但也不违背则记Six＝1分。其中在单元直流电压的变化趋势中，直流电
压上升与充电需求一致，直流电压下降与放电需求一致，直流电压上升与放电需求违背，直
流电压下降与充电需求违背，其他情况都算作不一致但也不违背。

[0031] 然后，对每个输出矢量对所有单元的得分进行求和Si＝∑Six(x＝1，…N)。一个矢量集合内总得分最少的矢量为该矢量集合内的最优矢量。

[0032] 步骤5，确定最优输出矢量gopt1和gopt2在一个周期内的占空比为Dopt1和Dopt2：矢量gopt1和gopt2对应的电平数值分别为Popt1和Popt2，则输出矢量gopt1和gopt2分别作用的时间为Dopt1＝(Popt2-k)/(Popt2-Popt1)，Dopt2＝1-Dopt1；

[0033] 步骤6，通过步骤5中的最优输出矢量gopt1、gopt2和占空比Dopt1、Dopt2控制下个开关周期各个光伏单元H桥的开关动作。

[0034] 步骤1中，由于光伏电池受外界各种因素的影响，每个单元的光伏电池输出电压可能都不相同，则N个单元光伏电池输出电压的数值大小关系有各种不同的情况，本实施例设
定的是N个单元光伏输出电压都不相等的情况。当然，部分单元的直流电压相同的情况也包
含在其中，不影响本实施例调制方法的原理及应用。

[0035] 步骤4中，若Gj＝Gj+1，即k左右两侧最接近的矢量属于同一个矢量集合，则将这个矢量集合分为k的左右两区域，分别在这两个部区域中寻找最优矢量。

[0036] 以下通过实例进一步说明，如图1(a)、图1(b)所示，单相三单元级联型光伏拓扑结构，由于光伏电池受温度、光照强度和光伏电池阴影等外界因素的影响，各单元直流侧电压
不同，三个单元直流侧电压大小关系有各种不同的情况。本实例三个单元在温度相同，光照
不同的条件下，其中第一个单元光照强度为1000W/m2；第二个单元光照强度为1100W/m2，第
三单元光照强度为1400W/m2。在调制方法中，通过选择合适的矢量组合加快各单元直流侧
电压收敛，提高光伏逆变器输出电压质量和整个光伏发电系统的效率。

[0037] 本实例单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法是在各单元直流侧电压不平衡时，扩大输出矢量组合的选择范围使光伏逆变器实际输出电压逼近输出电压指令值，提
高光伏逆变器输出电压波形质量。

[0038] 如图2所示，本实例的实现包括以下步骤：

[0039] 1)由于三个单元光伏电池的光照强度不同，则各单元的直流电压不同，三个单元的直流侧输出电压分别为Udc1，Udc2，Udc3，则单相三单元所有的输出矢量共有3N＝33＝27个。
输出矢量包括±gi(i＝1，2，3…13)和零矢量，正半轴输出矢量对应的电平数值Pi(i＝1，2…
13)为Udc1、Udc2、Udc3、Udc2-Udc1、Udc3-Udc2、Udc3-Udc1、Udc1+Udc2-Udc3、Udc1+Udc3-Udc2、Udc2+Udc3-Udc1、Udc1+Udc2、Udc1+Udc3、Udc2+Udc3)以及Udc1+Udc2+Udc3。光伏逆变器所有输出矢量对应的电平值如图3所示。

[0040] 将单相三单元光伏逆变器的27个输出矢量对应的电平值在-Udcsum、0、 Udcsum共2×3+1＝7个数值中寻找与其最接近的数值，将所有与同一个
数值接近的矢量划分为一个矢量集合，其中Udcsum＝Udc1+Udc2+Udc3。在正半轴中0、(Udc2-Udc1)、(Udc3-Udc2)、(Udc3-Udc1)的数值最接近0，即其矢量集合G0；Udc1、Udc2、Udc3、(Udc1+Udc2-Udc3)、(Udc1+Udc3-Udc2)、(Udc2+Udc3-Udc1)的数值接近即其矢量集合为G1；(Udc1+Udc2)、(Udc1+Udc3)、(Udc2+Udc3)的数值接近即其矢量集合为G2；(Udc1+Udc2+Udc3)的数值接近Udcsum，即其矢量集合为G3。由于光伏逆变器所有输出矢量在一维空间上关于原点对称，因而在一
维空间的负半轴也有3个矢量集合，则27个输出矢量可划分为(2×3)+1＝7个矢量集合。

[0041] 2)测量各单元直流电压瞬时值Udci，其MPPT给出的直流电压指令值Udcrefi的误差范围为±Δd。根据Udci与Udcrefi和Δd之间的关系确定各个单元的充/放电需求，其中Δd可以
取值为0.01V或其他合适的数值。

[0042]

[0043] 3)在所有输出矢量的一维空间中，从控制算法的输出指令值k的左侧和右侧分别找出与其数值最接近的矢量g1和g2。

[0044] 4)在步骤3)所得g1、g2所属的矢量集合Gj、Gj+1内，分别寻找与各单元充/放电需求最一致的矢量作为最优输出矢量gopt1、gopt2。寻找与各单元充/放电需求最一致的矢量的方法如下：

[0045] 光伏逆变器并网电流的方向取图1所标示的方向为正，对一个矢量集合内的每个输出矢量，将其与所有单元的充/放电需求的符合程度进行评分。基于电路原理分析的结
果，若第i(i＝1，2…)个矢量使得第x(i＝1，2…N)个单元的直流电压上升或下降的趋势与x
单元的充/放电需求一致，则记Six＝0分，若与x单元的充/放电需求相违背则记Six＝2分，若与该单元的充/放电需求不一致但也不违背则记Six＝1分。

[0046] 例如。若光伏逆变器并网电流is>0，在矢量结合Gj内，假定矢量g1是第m个输出矢量，其电平数值P1＝Udc1+Udc2-Udc3，则根据电路原理，第一、二单元输出电能，而第三单元输出电能，即矢量g1将使得Udc1和Udc2下降，而Udc3上升。再结合步骤2所得各单元的充/放电需求，若三个单元的情况为第一个单元需要充电，第二个单元需要放电，第三个单元需要放
电，则根据上述的记分办法，矢量g1对三个单元的记分分别为Sm1＝0、Sm2＝2、Sm3＝0，于是矢量g1的总得分为2。

[0047] 然后，计算矢量集合Gj中每个输出矢量的得分Si＝∑Six(x＝1，…N)，计算总得分最小的矢量为该矢量集合内的最优矢量gopt1。同理，可以计算出矢量集合Gj+1内的最优矢量gopt2。

[0048] 如图4所示，若输出指令值的左侧和右侧最靠近的输出矢量属于相同的矢量集合Gj＝Gj+1，并且可供选择的输出矢量少于两个，则可以考虑选择次靠近矢量集合Gj-1内的输
出矢量，这样选择的最优矢量可以加速直流侧电压收敛，提高了输出电压输出波形质量。

[0049] 5)通过解下列方程组，求得gopt1和gopt2在一个开关周期内的占空比Dopt1和Dopt2

[0050]

[0051] 其中Popt1为矢量gopt1对应的电平值，Popt2为矢量gopt2对应的电平值。

[0052] 6)光伏逆变器根据gopt1和gopt2的电平值和占空比Dopt1、Dopt2，控制下一个开关周期各单元H桥的开关动作。

[0053] 通过上述步骤，不同时刻分别在k的左右侧找到最优的输出矢量，两个最优的输出矢量合成光伏逆变器输出电压指令值，使光伏逆变器输出电压精确逼近输出电压指令值，
同时使得各单元直流侧电压收敛。

[0054] 本实例将空间矢量调制方法应用到光伏发电系统，并根据级联型光伏逆变器的特点对空间矢量调制算法进行改进。该调制算法能够准确地按照指令电压输出电压波形，同
时通过在输出指令值的两侧寻找两个最优输出矢量，满足单元直流侧收敛的要求。本实例
根据单元真实电压准确计算矢量的电平值，使一个标准电平附近有多个相近的电平及矢量
可供选择，所选择的最优输出矢量组合大大加快直流侧电压收敛速度。

[0055] 应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

[0056] 虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原
理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

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一种单相级联型光伏逆变器的空间矢量调制方法

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