三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，它包括主控制器、光纤通信单元、多个分控制器、驱动器一、驱动器二、过零比较器、电压互感器；所述主控制器通过光纤通信单元与各个分控制器相连，分控制器用于驱动DC-DC模块的信号直接与驱动器二连接，分控制器用于驱动DC-AC模块的信号与过零比较器输出信号相乘后连接驱动器一。本发明结构简单、操作方便，可以实现对三相级联多电平光伏并网逆变器的每个DC-DC模块、DC-AC模块的独立控制，同一相的不同模块工作互相不影响，三相逆变完全独立控制，提高了电路可靠性和稳定性，所控制的三相级联多电平逆变器直流电压利用率高，开关管的开关频率低，系统能量利用率高。
【专利说明】H相级联多电平光伏并网逆变器控制系统 所属【技术领域】
[0001] 本发明涉及到光伏逆变发电设备领域，特指一种专供光伏发电站使用的H相级联 多电平光伏并网逆变器控制系统。
【背景技术】
[0002] 随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断增加，世界上的化石能源总有一天 将达到极限。同时，由于大量燃烧矿物能源，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和发 展构成了很大的威胁。在该样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的 高度重视，各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展。
[0003] 级联多电平逆变器作为高压大功率变换器的一种拓扑结构，近年来受到了专家学 者的密切关注，随着光伏发电技术的发展，级联多电平逆变器被广泛用于光伏发电领域。然 而级联多电平逆变器的实现更大程度上决定于控制系统的设计及控制方法的选择，级联单 元数越多，其控制系统越复杂。现阶段级联多电平逆变器的控制方法多采用载波调制、空间 矢量调制、
[0004] 特定谐波消除法W及由该H种典型调制法派生的其他调制方法，该些调制方法随 着级联单元数的增加，其实现难度越大。
[0005] H相级联型多电平光伏并网逆变器控制系统是专为H相级联多电平光伏并网逆 变器设计的控制系统，该控制系统可W独立控制各级联逆变单元的功率输出，使得光伏 逆变系统中电池板工作在不匹配的状态下也可W进行独立的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,简称mppt)控制，H相级联多电平逆变器可W在开关频率较低的情 况下获得满意的输出效果，不仅降低了开关损耗，减小了滤波器体积，节约了滤波器成本， 同时有效地提高了功率变换系统的效率。H相级联多电平光伏并网逆变器控制系统控制 H相级联多电平逆变器可W实现n+1兀余设计，克服由于光照强度变化而导致的逆变器输 出电压波动，允许光伏电池阵列宽范围输出电压调节，输出电压波形质量提高，谐波崎变率 小。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的旨在设计一种H相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，使得各个 光伏电池阵列在不匹配的状态下实现独立的最大功率点跟踪，保证级联多电平逆变器稳定 可靠运行W及整个级联多电平光伏并网逆变器控制系统的协同配合，最终实现输出电压跟 踪电网电压的变化。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0008] H相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于；H相级联多电平光伏并 网逆变器的主电路每一相均包括n个PV阵列（即光伏电池阵列）、n个DC-DC模块、n个 DC-AC模块，所述PV阵列输出直流电压经电容滤波后作为DC-DC模块的电源，DC-DC模块由 控制系统进行控制，实现mppt控制，且保证各个DC-DC模块的输出电压相等，满足等电压级 联多电平逆变器的电源电压要求，DC-DC模块输出电压经电容滤波后作为DC-AC模块的电 源，DC-AC模块由控制系统进行控制，多个DC-AC模块的输出端串联，经电感滤波后输出。H 相逆变器的每一相主电路结构完全一致，输出端Y形连接。
[0009] 所述控制系统包括主控制器、光纤通信单元、多个分控制器、过零比较器、电压互 感器和驱动器，所述驱动器包括驱动器一和驱动器二，主控制器通过光纤通信单元与各个 分控制器相连，分控制器输出的用于驱动DC-DC模块的控制信号线直接与驱动器二相连， 分控制器输出的用于控制DC-AC模块的控制信号与过零比较器相乘后连接驱动器一，驱动 器二与DC-DC模块相连，用于控制DC-DC模块的电压变换和mppt控制，驱动器一与DC-AC 模块相连，用于控制DC-AC模块的逆变。
[0010] 所述主控制器和分控制器构成两级分布式计算机控制系统，利用电网电压信号实 现各个串联逆变器的同步和协调，包括W下控制步骤：
[0011] 步骤一；主控制器检测电网电压幅值U^X，UbMAX，&MX和频率f ;
[0012] 步骤二；电网电压经电压互感器转换为适合控制系统的低压信号，该低压信号经 过零比较器输出PWMa、PWMb、PWMc H个方波信号；
[001引步骤S ;主控制器检测S相级联多电平逆变器各相的有效DC-AC模块数并计为n， 如果某一相的DC-AC模块不能正常工作，则把其他两相相应位置上的模块忽略，同时给各 个分控制器及其对应的DC-AC模块顺序编号1，2,3，AA，i，，A A，n ;
[0014] 步骤四；主控制器根据检测的S相电压幅值U^x，UbMx，UtMAx给分控制发出指令，要 求各相的DC-DC模块输出电压分别为UgiiAx/n、UbMAx/n、UeMx/n ;
[0015] 步骤五；主控制器检测PWMa、PWMb、PWMc信号的过零点，根据各相模块的具体编号 计算DC-AC模块输出电压U。丽/n、UbMx/n、U。丽/n的相位角及持续时间：
[0016] 同一相上相邻两个DC-AC模块输出电压的相位差为：^
[0017] H相对应第i个DC-AC模块距PWMa、PWMb、PWMc信号的过零点的相位角为： 〇? +去)A減该时刻开始启动对应第i个DC-AC模块工作。
[0018] H相对应第i个DC-AC模块持续工作的时间为；[化-(2i-l)]/(4nf)
[0019] 步骤六：各个分控制器根据主控制器给予的编号W及要求的对应DC-AC模块工作 的相位角和工作持续时间确定各个DC-AC模块的控制信号。
[0020] 步骤走：分控制器根据所控制的DC-AC模块所在相及编号输出控制信号，该信号 分别与PWMa、PWMb、PWMc信号相乘，所得信号送驱动模块一，用于驱动DC-AC模块，实现级联 逆变器输出电压正负半周对称。
[0021] 骤八；分控制器通过检测相应位置的PV模块输出电压及电流，W及主控制器要求 对应DC-DC模块输出电压为Ug"?/n、UbMx/n、Ut"^x/n，计算各个DC-DC模块上开关管的脉宽调 巧||信号占空比，实现PV模块的最大功率点跟踪控制。
[0022] 与现有技术相比，本发明的上述方案可W实现对每个DC-DC模块、DC-AC模块的 独立控制，同一相的不同模块工作互相不影响，实现H相完全独立控制，增加了系统的可靠 性，所控制的H相级联多电平逆变器直流电压利用率高，开关管的开关频率低，系统效率 高。本发明采用电网电压信号实现各个DC-AC模块之间的同步和协调，减少了对通讯电路 容量的要求，提高了控制系统的可靠性，节约了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024] 图1是H相级联多电平光伏并网逆变器及控制系统的结构框架示意图：
[0025] 图2是本发明的控制系统框架结构示意图；
[0026] 图3是本发明A相的主电路结构图；
[0027] 图4是A相典型波形图；
[0028] 图5是本发明的具体实施例。
[002引 图例说明
[0030] 1、PV 阵列 2、DC-DC 模块 3、DC-AC 模块
[0031] 4、控制系统 41、主控制器 42、光纤通信单元
[0032] 43、分控制器 44、驱动器一 45、驱动器二
[0033] 46、过零比较器5、电压互感器
[0034] 符号说明
[0035] Cai、Ca2、Ca3、Can、Ca/、Ca2'、Ca3'、CJ ;A 相滤波电容
[003引 Cbi、Cb2、Cb3、Cbn、Cbi 、Cb2 、Cb3 、Cbn ;B 相滤波电各
[0037] Cci、Cc2、Cc3、Ccn、Cc/、Cc2'、Cc3'、Ccn' ;C 相滤波电容
[0038] Qal、Qa2、Qan、Qll、Qi2、Qi3、Qi4、化1、化2、化3、化4、Qnl、Qn2、Qn3、Qn4 :IGBT
[003引 La、Lb、Lc ;滤波电感Lai、La2、L。。；储能电感
[0040] Dai、Da2、D孤；二极管
【具体实施方式】
[0041] W下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0042] 如图1所示，本发明的H相级联多电平光伏并网逆变器及其控制系统，它包括化 个PV阵列（1)、化个DC-DC模块（2)、化个DC-AC模块（3)、控制系统（4)，PV阵列（1)输出 电压分别经电容器滤波后与DC-DC模块（2)连接，DC-DC模块（2)输出电压分别经电容器 滤波后与DC-AC模块（3)连接，每一相的n个DC-AC模块（3)输出端依次串联，经电感Ly (X 为A、B、C)滤波后，从a、b、C端输出电压与电网连接，0为H相的中点。
[0043] 参见图2所示，控制系统（4)包括主控制器（41)、光纤通信单元（42)、n个分控制 器（43)、n个驱动器一（44)、n个驱动器二（45)、过零比较器（46)和电压互感器巧），主控 制器（41)通过光纤通信单元（42)与n个的分控制器（43)的输入端相连，分控制器（43) 的输出端与n个驱动器一（44)和n个驱动器二（45)相连，一个驱动器二（45)连接H相逆 变器相同位置上的3个DC-DC模块（2)的开关器件，n个驱动器二（45)的输出信号直接接 到化个DC-DC模块（2)的开关器件的口极，一个驱动器一（44)连接H相逆变器相同位置 上的3个DC-AC模块（3)的开关器件，n个驱动器一（44)的输出信号直接接到化个DC-AC 模块（3)的各个开关器件的口极。
[0044] 参见图3, A相主电路由n个PV阵列（1)、n个DC-DC模块（2)、n个DC-AC模块 做组成，各个DC-DC模块似由一个开关器件Qai(i取1、2、……、n)和电感Lai(i取1、 2、……、n) W及二极管Dai(i取1、2、……、n)组成，各个DC-AC模块做由四个开关器件 Q"、Qi2、Qi3、QM(i取1、2、……、n)、组成，输出端电感La起滤波作用。H相逆变器的其他两 相主电路跟A相主电路完全一致。
[0045] 参见图4所示，A相典型信号波形，PWMa的过零点开始计时，相邻DC-AC模块工 作时序相位差A = Ji/〇n)，第i个模块在（i+1/2) A 相位开始工作，工作持续时间
[化-(2i-l)]/(4nf)。分控制器输出的控制DC-AC模块的控制信号如果直接控制DC-AC模 块则得到电压U波形，为了使得输出波形是正弦，如图4中的U。。，必须把分控制器输出的控 制DC-AC模块的控制信号与相应相的过零比较器输出的信号相乘。
[0046] 参见图5所示，本实施例的主电路有9个PV阵列（1)、9个DC-DC模块（2)、9个 DC-AC模块（3)，每一相由3个DC-AC模块（3)的输出端串联组成H相H级逆变器。在本实 施例中，光纤通信单元（42)采用光纤通信，主控制器（41)和分控制器（43)均采用嵌入式 计算机控制单元。本实施例中，该控制系统（4)由1个主控制器（41)、1个光纤通信单元 (42)和3个分控制器（43)、3个驱动器一（44)、3个驱动器二（45)、一个过零比较器（46) 和一个H相电压互感器妨组成；A、B、C H相的相同级的3个DC-DC模块似及其对应的 DC-AC模块（3)共用一个独立的分控制器（43)，其作用为实现对DC-DC模块（2) W及DC-AC 模块做的控制和保护，分控制器做）检测PV阵列（1)的输出电压信号和输出电流信号 用于实现对PV阵列（1)的mppt控制；主控制器（41)的功能是调节、保护和实现各DC-AC 模块做的同步工作。DC-AC模块做对地的电压是浮动的，因此，分控制器（城互相之间 及它们对地在电气上是隔离的，主控制器（41)和分控制器（43)之间采用光纤通讯。分控 制器（43)和主控制器（41)形成两级分布式计算机控制。
[0047] 工作时，第1级的主控制器（41)先进行数据处理，再通过光纤通信单元（42)的 光纤通讯将控制信号分别送至位于第2级的分控制器（43)，分控制器（43)根据主控制器 (41)的控制信号，分别控制DC-DC模块似和DC-AC模块（3)。在工作中，分控制器（4如检 测DC-DC模块似的输入电压和输出电流实现对PV阵列（1)的mppt控制，主控制器（41) 通过检测逆变器的电网电压参数，给各个分控制器（43)发送控制信号，各个分控制器（43) 调整相应的DC-DC模块（2)和DC-AC模块（3)的工作状态。
[0048] W上仅为本发明的一个实施例，本发明并不局限于上述实施例，只要属于本发明 构思下的技术方案，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统包括主控制器（41)、光纤通信单元（42)、 η个分控制器（43)、n个驱动器一（44)、n个驱动器二（45)、过零比较器（46)和电压互感器 (5)，所述主控制器（41)通过光纤通信单元（42)与各个分控制器（43)相连，分控制器（43) 的输出端与驱动器相连，其特征在于：基于二级分布式控制系统，具有独立控制三相级联多 电平并网光伏逆变器各级联模块及各相输出电压的功能。
2. 根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所 述主控制器（41)检测电网电压幅值UaMAX，UbMAX，Ucmx和频率f。
3. 根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：电 网电压经电压互感器（5)转换为适合控制系统的低压信号，该低压信号经过零比较器（46) 输出P丽a、PWMb、P丽c三个方波信号。
4. 根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所 述主控制器（41)检测三相级联多电平逆变器各相的有效DC-AC模块数并计为n，如果某一 相的DC-AC模块不能正常工作，则把其他两相相应位置上的模块忽略，同时给各个分控制 器（43)及其对应的DC-AC模块顺序编号1，2,3，ΛΛ，i，,AΛ, n。
5. 根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所 述主控制器（41)根据检测的三相电压幅值UaMAX，Uh^Ucmx给分控制发出指令，要求各相的 DC-DC模块输出电压分别为UamAuUbMAX/n、UeMAX/n。
6. 根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所 述主控制器（41)检测PWMa、PWMb、PWMc信号的过零点，根据各相模块的具体编号计算DC-AC 模块输出电压UaMAX/n、UbMAX/n、UcmxAi的相位角及持续时间： 同一相上相邻两个DC-AC模块输出电压的相位差为：=f 2n 三相对应第i个DC-AC模块距PWMa、PWMb、PWMc信号的过零点的相位角为：（?+ 4)Δ0 , 从该时刻开始启动对应第i个DC-AC模块工作。 三相对应第i个DC-AC模块持续工作的时间为：[2n-(2i-l)V(4nf)。
7. 根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所 述各个分控制器（43)根据主控制器（41)给予的编号以及要求的对应DC-AC模块工作的相 位角和工作持续时间确定各个DC-AC模块的控制信号。
8. 根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于： 所述分控制器（43)根据所控制的DC-AC模块所在相及编号输出控制信号，该信号分别与 PWMa、PWMb、PWMc信号相乘，所得信号送驱动器一（44)，用于驱动DC-AC模块，实现级联逆变 器输出电压正负半周对称。
9. 根据权利要求1所述的三相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所 述分控制器（43)通过检测相应位置的PV模块输出电压及电流，以及主控制器要求对应 DC-DC模块输出电压为UamAuUbMAX/n、UeMAX/n，计算各个DC-DC模块上开关管的脉宽调制信 号占空比，实现PVt旲块的最大功率点跟踪控制。
【文档编号】H02M7/537GK104467006SQ201410169229
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】王翠, 欧阳俊铭, 曾瑄 申请人:南昌工程学院