专利名称：模块化并联组合式大功率光伏并网逆变装置、其控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及大功率光伏并网逆变装置、其控制系统及控制方法。
背景技术：
随着太阳级硅材料提炼技术的进步和成本的不断下降，太阳能光伏并网发电将会得到迅速发展，规模化的太阳能光伏并网发电是未来的发展趋势，大型或特大型的光伏并网电站将会越来越多，这类电站需要大功率的并网控制逆变设备。
并网逆变装置虽然可以多机并联运行实现大功率，但采用常规的并网逆变和并机方式，如通过选用大功率开关器件，或器件多组并联的方式，则其并网电流的脉动会较大，造成滤波单元负担较重，增加了系统的体积和设计难度，损耗和传导干扰大，这样的系统结构的单机功率难以做到MW级以上。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种模块化并联组合式大功率光伏并网逆变装置、其控制系统及控制方法，为实现高性能的大功率光伏并网逆变系统的设计、制造和控制提供解决方案，其模块化的并联组合结构及其控制方法，可以方便增加系统容量，提高可靠性和效率，并提高并网电流的质量。
本发明解决技术问题采用如下技术方案
本发明组合大功率光伏并网逆变装置的结构特点是
设置具有相同内部结构的第一逆变单元模块(INV1)及其它各逆变单元模块(INV2 INVn)相互并联，所有逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)共用直流母线(SP、 SN)，所述所有逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)的交流输出端相互并联后，或直接接入电网，或经过输出变压器连接到电网交流母线(U、 V、 W)上；
所述并联的各逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)采用三相逆变结构，逆变输出侧经三相电感L1、 L2、和L3后相互并联。 '
本发明组合大功率光伏并网逆变装置的结构特点也在于所述三相逆变结构为三相电压型逆变桥。
本发明模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置控制系统的结构特点是所述各逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)具有独立的单元控制器、单元驱动电路、单元检测和通讯功能，设置系统主控制器是通过光纤对各逆变单元模块发出控制指令实现光伏并网的并联控制，并可实时获得各逆变单元模块的状态数据。
4本发明模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置控制系统的结构特点也在于所述单元控制器采用DSP、 FPGA或单片机作为主控芯片，所述系统主控制器采用DSP和FPGA为主控电路。
本发明模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置控制系统的控制方法，其特征是所述系统主控制器以FPGA完成指令的转换和下发，经光纤传送至各逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)，所述各逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)的PWM信号同步，其它各逆变单元模块(INV2 INVn)的PWM载波相对于第一逆变单元模块(INV1)的PWM载波有一个载波相移角度e;对于具有w个并联逆变单元模块的大功率并网系统，其中第z'个逆变单元模块的载波相移角度0按照以下公式获得
其中，0的单位为调制正弦波的电角度，W为并联逆变单元模块的个数，1《W; A为载波比；/的范围为05/<"。
本发明模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置控制系统的控制方法，其特征是所述各
逆变单元模块w(lS/n^w)内部的调制正弦波与载波的相位固定，第y (2^/Sw )个逆变单元模块内部的调制正弦波与载波相对于第一逆变单元模块INV1内部的调制正弦波与载波同时相移一个角度A ，
其中，A的单位为调制正弦波的电角度，W为并联逆变单元模块的个数，A为载波比；/的范围为0S/<"。
本发明系统中每个逆变单元具有完全相同的调制波，而载波相移合适角度，由于并网系统的每相总输出电流等于对应输出相的多个并联逆变单元的电流之和，载波相移使得每个逆变单元的输出电流脉动纹波也相移一定角度，合成时各单元电流纹波互相抵消，从而大大减
少了合成后的电流纹波含量。该方法与传统方案相比，在同一载波频率、同一滤波电感条件下，可以大大减少电流纹波，且器件的总容量并不增加，较功率模块的直接并联均流性好、安全性高。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在
1、本发明适用于逆变单元并联扩容的大功率并网装置，逆变单元采用载波移相开关控制，使得并联输出电流的基波分量等于单元输出电流的基波分量之和，而并联单元输出电流的谐波分量相互抵消，从而降低并联输出电流的谐波畸变率。与直接使用大功率开关器件的系统相比，即使在相同的调制频率下，本发明的输出电流谐波畸变率也有大幅度的降低。200910144901.7
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2、 本发明系统的等效开关频率高，各单元的电路结构和器件的工作负荷一致，输出滤 波电感设计简单，因而降低了系统成本，提高了系统的可靠性。
3、 本发明采用光纤实现各逆变单元模块与主控单元的控制联系，抗干扰能力强，系统 控制结构简单，各逆变单元结构相同，具有互换性，方便安装、维护和扩容。
图1为本发明系统各逆变单元模块主电路原理图。
图2为本发明逆变单元模块子系统控制结构图。
图3为本发明各逆变单元模块并联组合主电路系统结构图。
图4为系统主控单元的光纤控制结构图。
图5为系统并网功率控制原理框图。
以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施例方式
图l、图3所示，端口 SP和SN为直流母线的输入端口， Ul、 VI、 Wl为逆变单元模 块的三相输出端口， CTll、 CT12、 CT13为逆变单元输出电流传感器，可以检测输出电流， 实现逆变单元模块的过流保护，Cl为直流滤波电容，Ll、 L2、 L3为三相滤波电感，T1 T6 为逆变单元模块中的功率模块IGBT。
图2所示，本实施例中，单元控制器的主控芯片采用DSP、或FPGA、或单片机，内置 光纤通讯接口和状态检测电路，光纤通讯接口含两根光纤，分别用于信号发送和信号接收， 单元控制器是通过光纤与系统主控制器相联。DSP接收主控PWM指令，经解码运算发PWM 信号给驱动电路，驱动逆变主电路IGBT，最终输出对应的PWM波形，DSP同时也采集主 电路的输出电流和母线电压等状态变量，通过光纤上传主控单元，并自我保护。
图3所示为系统各逆变单元模块的连线示意图，并网装置的主电路采用多个逆变单元并 联，每个逆变单元采用相同拓扑结构；并联逆变单元的直流侧直接与太阳电池阵列，各逆变 单元共用直流母线，各逆变单元的交流输出端并联，并经C1、 C2、 C3电容滤波接输出变压 器，输出变压器升压后连接到电网上，并联的各逆变单元为三相逆变结构，逆变输出侧经三 相电感L后并联。交流输出侧滤波电感值相同，对应相的滤波电感输出互相连接在一起形成 交流母线。
图4所示为系统主控单元的光纤控制结构图。系统的主控单元控制器含DSP和FPGA， 其运算控制指令分别经多组光纤发送给逆变单元模块，每组光纤数为2根，各逆变单元模块 可以互换，无需设置对应参数，方便系统的安装、维护和调试。主控单元可以通过这些光纤实现对各逆变单元模块的PWM控制和数据监控显示等。
本实施例中的系统的控制方法可以是系统主控制器以FPGA完成指令的转换和下发，经 光纤传送至各逆变单元模块INV1、 INV2 INVn，各逆变单元模块INV1、 INV2 ~INVn的 PWM信号同步，其它各逆变单元模块INV2 INVn的PWM载波相对于第一逆变单元模块 INV1的PWM载波有一个载波相移角度A对于具有《个并联逆变单元模块的大功率并网系 统，其中第i个逆变单元模块的载波相移角度0按照以下公式获得
其中，0的单位为调制正弦波的电角度，"为并联逆变单元模块的个数，1《"；A:为载 波比；！'的范围为<n。
本实施例中的系统的控制方法，也可以是各逆变单元模块m(l^m^w)内部的调制正弦波 与载波的相位固定，第/(2^ '5w )个逆变单元模块内部的调制正弦波与载波相对于第一逆 变单元模块INV1内部的调制正弦波与载波同时相移一个角度A ，
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其中，^的单位为调制正弦波的电角度，w为并联逆变单元模块的个数，15"; A:为载 波比；Z的范围为OS <"。
图5为系统并网功率控制原理框图。其基本工作原理如下MPPT为最大功率跟踪控制， 其根据当前并网功率大小，识别阵列的工作电压是否处于最大功率点电压，并发出母线工作 电压的偏移指令，是母线的工作电压向最大功率点电压移动。MPPT模块的输出指令电压经 电压调节模块和电压检测模块的运算产生并网功率指令P*，经功率检测模块和功率调节模 块的检测运算产生PWM脉宽调制指令，再经PWM载波移相运算和PWM脉冲分配电路获 得各路PWM信号，并分送各逆变单元模块。
每组逆变单元模块的调制波相同，系统的输出相基波电流等于多个逆变单元对应输出相
的电流之和；功率器件的开关调制采用载波相移控制策略，三角载波根据相移规律移动相应 角度，使得脉动纹波互差移相角度，从而使得每相电流在合成时，电流谐波分量互相抵消， 大大减少输出电流的纹波幅值。
权利要求
1、模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置，其特征是设置具有相同内部结构的第一逆变单元模块(INV1)及其它各逆变单元模块(INV2～INVn)相互并联，所有逆变单元模块(INV1、INV2～INVn)共用直流母线(SP、SN)，所述所有逆变单元模块(INV1、INV2～INVn)的交流输出端相互并联后，或直接接入电网，或经过输出变压器连接到电网交流母线(U、V、W)上；所述并联的各逆变单元模块(INV1、INV2～INVn)采用三相逆变结构，逆变输出侧经三相电感L1、L2、和L3后相互并联。
2、 根据权利要求1所述的模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置，其特征是所述三相逆变结构为三相电压型逆变桥。
3、 一种权利要求1所述模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置的控制系统，其特征是所述各逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)具有独立的单元控制器、单元驱动电路、单元检测和通讯功能，设置系统主控制器是通过光纤对各逆变单元模块发出控制指令实现光伏并网的并联控制，并可实时获得各逆变单元模块的状态数据。
4、 根据权利要求3所述的模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置控制系统，其特征是所述单元控制器采用DSP、 FPGA或单片机作为主控芯片，所述系统主控制器釆用DSP和FPGA为主控电路。
5、 一种权利要求4所述模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置控制系统的控制方法，其特征是所述系统主控制器以FPGA完成指令的转换和下发，经光纤传送至各逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)，所述各逆变单元模块(INV1、 INV2 INVn)的PWM信号同步，其它各逆变单元模块(INV2 INVn)的PWM载波相对于第一逆变单元模块(INV1)的PWM载波有一个载波相移角度A对于具有"个并联逆变单元模块的大功率并网系统，其中第/个逆变单元模块的载波相移角度6按照以下公式获得其中，e的单位为调制正弦波的电角度，n为并联逆变单元模块的个数，1《"；A为载波比；/的范围为0S、n。
6、 一种权利要求4所述模块化并联组合大功率光伏并网逆变装置控制系统的控制方法，其特征是各逆变单元模块m(l^^n)内部的调制正弦波与载波的相位固定，第_/ (25_/5 )个逆变单元模块内部的调制正弦波与载波相对于第一逆变单元模块INV1内部的调制正弦波与载波同时相移一个角度^ ，<formula>formula see original document page 3</formula>其中，A的单位为调制正弦波的电角度，"为并联逆变单元模块的个数，15w; A:为载波比；i的范围为OS' <"。
全文摘要
模块化并联组合式大功率光伏并网逆变装置、其控制系统及控制方法，其特征是设置具有相同内部结构的第一逆变单元模块及其它各逆变单元模块相互并联，所有逆变单元模块共用直流母线，所有逆变单元模块的交流输出端相互并联后，或直接接入电网，或经过输出变压器连接到电网交流母线上；并联的各逆变单元模块采用三相逆变结构，逆变输出侧经三相电感后相互并联。本发明中各逆变单元模块具有独立控制保护功能，在同样容量和载波频率下，可大大减少实际输出的电流纹波含量，且各逆变单元模块结构相同，可以互换，方便扩容和维护。
文档编号H02J3/38GK101645605SQ20091014490
公开日2010年2月10日 申请日期2009年9月9日 优先权日2009年9月9日
发明者宁 刘, 张国荣, 燕 杜, 杨向真, 汪海宁, 苏建徽, 茆美琴 申请人:合肥工业大学