专利名称：一种高频隔离单相光伏并网系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种高频隔离的单相光伏并网系统的拓扑及其控制方法，属于新能源
领域，特别是可再生能源发电技术领域。
背景技术：
近年来，能源危机的加重和人们环保意识的增强促进了分布式发电技术在世界各 国快速发展。光伏发电作为分布式发电技术的一种，因为其清洁环保，噪声污染小，维护费 用低，能提高整个电力系统的稳定性和灵活性而备受关注，越来越多的光伏并网系统被投 入使用。同时，并网运行将使光伏发电系统本身以及电网的结构和运行方式都发生重大变 化，因此，如何保证光伏并网发电系统的安全可靠运行成为光伏发电技术研究的重要内容。
传统单相光伏并网系统的典型结构图如图2，3所示。为了实现电气隔离，避免电 磁干扰，并网系统需要使用隔离变压器，同时，由于光伏阵列输出电压较低，而DC/AC变换 (逆变)器具有Buck(降压)属性，所以变压器还起到升压作用，以保证逆变后的电压幅值 满足并网要求。图2是传统的使用工频隔离变压器的单相光伏并网系统的结构图，它的缺 点是工频变压器笨重而庞大，增加了整个系统的体积和重量，不符合电力电子向轻量化、小 型化方向发展的趋势。图3是传统的使用高频隔离变压器的单相光伏并网系统的结构图， 此电路虽然用高频变压器代替工频变压器减小了系统的重量和体积，但是增加的两级电路 会造成拓扑变复杂，可靠性和能量转换效率降低的后果。在这两种典型结构的基础上，各种 新的光伏并网拓扑被不断提出，但总是没能同时很好的解决小型轻量和高能量转换效率这 两个主要问题，因此，仍有必要研究新的光伏发电并网拓扑及其控制技术。
发明内容
发明目的 本发明所要解决的技术问题是提出一种高效率的高频隔离单相光伏并网系统，通 过拓扑的改变，解决传统光伏并网系统笨重庞大，拓扑复杂，变换级数多，稳定性和效率较 低等问题。针对光伏并网系统的自身特点，提出了优化的控制方法，克服了光伏阵列输出电 压的波动对系统造成的不利影响，保证了整个系统输出电能质量高，畸变小，动态响应快， 对可再生能源发电技术的发展和环境保护起到了积极的作用。
技术方案 —种高频隔离单相光伏并网系统，该系统包括光伏阵列，缓冲电容，高频变换器，
高频变压器，AC/AC变换器，滤波器、电网以及控制电路；其中光伏阵列的输出端经过缓冲
电容与高频变换器的直流端连接，高频变换器的交流端与高频变压器的原边绕组Nl连接，
高频变压器的副边绕组N2与AC/AC变换器的输入端连接，AC/AC变换器的输出端经滤波器
与电网连接，所述控制电路输出的调制波信号，用于对整个系统进行控制。 本发明的高频隔离单相光伏并网系统的高频变换器为DC/AC变换器。 本发明的高频隔离单相光伏并网系统的AC/AC变换器为单相全波桥式电路或单相全桥桥式电路，当AC/AC变换器为全波桥式电路，则高频变换器对应为三绕组高频变压
器；当AC/AC变换器为全桥桥式电路，则高频变换器对应为两绕组的高频变压器。 本发明的高频隔离单相光伏并网系统的滤波器为一阶L滤波器或者三阶LCL滤波器。 —种基于本发明的高频隔离单相光伏并网系统的控制方法，当能量从光伏阵列向
电网流动时，该系统按照如下运行的模式工作 A、光伏阵列的输出电压经滤波后经过缓冲电容向高频变换器提供直流电压；
B、高频变换器工作在逆变状态，将A步骤的直流电压逆变成低压高频交流电压；
C、 B步骤所述低压高频交流电压经高频变压器升压后输入至AC/AC变换器；
D、 AC/AC变换器将C步骤传输入的电压经过变换输出正弦脉宽调制(SP丽)方波 电压，经滤波器滤波后向电网输出正弦电流完成并网。 本发明的控制方法的B至D步骤中，高频变换器和AC/AC变换器共同采用正弦脉 宽脉位调制(SPWPM)的方法，高频变换器输出电压方波正负交替，AC/AC变换器将高频变换 器输出的正负交替的电压方波转换为正弦脉宽调制方波。 本发明的控制方法的B至D步骤中，控制电路对高频变换器和AC/AC变换器的控 制采用如下步骤 首先采用最大功率点追踪控制算法追踪光伏阵列可以输出的最大有功功率，得到 有功参考指令； 其次将该有功参考指令与按照电网需求设定的无功功率参考指令共同产生交流 电流参考信号； 接着通过反馈控制算法对高频变换器的输出电流进行控制，输出调制波信号，控
制高频变换器和AC/AC变换器向电网输出期望的有功功率和可调的无功功率。 本发明的控制方法的步骤A中还有对直流电压的变化进行补偿的步骤，补偿的方
法是给控制电路输出的调制波信号乘以一个动态补偿系数，该系数与实时检测到的光伏阵
列输出电压成反比。 有益效果 20世纪70年代末国外已开始在正弦波逆变器中应用类似的高频链拓扑，其控制 方法至今仍在不断研究和优化中，国内的研究起步相对较晚。但是国内外对这种高频链拓 扑及其控制的研究主要集中在独立运行的逆变器和AC/AC变换器上，运用于UPS (不间断电 源)等场合。本发明首次把这种拓扑和控制加以改进，以运用到并网系统中，并针对性地解 决了在光伏并网系统中遇到的特殊问题，实现了光伏并网系统的电磁隔离、小型轻量、以及 高转换效率。本发明所提供的高效率的高频隔离单相光伏并网系统及其控制方法的有益效 果主要有 1.小型、轻量，省去了笨重庞大的工频变压器，由重量体积大大减小了的高频变压 器替代其电气隔离和升压的作用； 2.只有两级功率变换低压直流电压/低压高频交流电压脉冲/高压工频交流电
压，拓扑简单，转换效率高，可靠性好； 3.整个系统动态响应快，能实现能量双向流动； 4.克服了光伏阵列输出电压的波动对系统造成的不利影响，输出正弦波质量高，
4
5.系统既可以把光伏阵列可输出的最大有功功率送入电网，又可以充当无功发生装置对电网无功进行补偿。
图1是本发明高效率的高频隔离单相光伏并网系统的结构图。
图2是传统的使用工频隔离变压器的单相光伏并网系统的结构图。 图3是传统的使用高频隔离变压器的单相光伏并网系统的结构图。 图4是本发明高效率的高频隔离单相光伏并网系统实例一一一使用全桥桥式AC/
AC变换器和LCL滤波器的电路。 图5是本发明高效率的高频隔离单相光伏并网系统实例二 一一使用全桥全波式AC/AC变换器和L滤波器的电路。 图6是实例二所对应的单极性SPWPM调制原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明 如图l所示，并网型单相光伏发电系统包括光伏阵列，缓冲电容，高频变换器，高频变压器，AC/AC变换器，滤波器和电网。其中光伏阵列的输出通过缓冲电容接高频变换器的直流端，高频变换器的交流端接高频变压器的Nl绕组，高频变压器的N2绕组接AC/AC变换器，AC/AC变换器的输出经滤波器接电网。其中高频变换器可选择各种能量可以双向流动的DC/AC变换器，例如如图4，5所示的全桥式电路。AC/AC变换器有全桥全波式和全桥桥式两种电路，如果选择如图4所示的全桥桥式电路，则各相对应使用两绕组的高频变压器；如果选择如图5所示的全桥全波式电路，则各相对应使用三绕组高频变压器，当能量从光伏阵列向电网流动时，三个绕组中包括一个原边绕组和两个副边绕组。滤波器为如图4所示的一阶L滤波器或者如图5所示的三阶LCL滤波器。 该高效率的高频隔离单相光伏并网系统的运行方式为当能量从光伏阵列向电网流动时，光伏阵列的输出经稳压和滤波后提供直流电压，高频变换器工作在逆变状态，将直流电压逆变成几十至几百千赫的低压高频交流电压，低压高频交流电压经高频变压器升压后输入AC/AC变换器，AC/AC变换器变频输出高压正弦脉宽调制方波电压，经滤波器滤波后向电网输出正弦电流完成并网。因为整个系统的能量可以双向流动，所以本系统也可作其他用途，例如可以根据电网需求，系统给电网进行无功补偿，如果系统中包含其他储能装置或本地负载，电网还可以和光伏发电系统一起为储能装置和本地负载提供有功功率。
适用于上述高效率的高频隔离单相光伏并网系统的控制目标如下高频变换器和AC/AC变换器配合工作，控制器控制系统有功功率和无功功率的输出，使整个系统能量可以受控作双向流动，MPPT控制算法追踪光伏阵列可以输出的最大有功功率，把它和电网需要的无功功率送入电网，另外需要控制并网交流电流使其正弦度高，以保证对电网无污染。
对于高频变换器具体的控制方法为采用MPPT控制算法(可采用爬山法，电导增量法等)追踪光伏阵列可以输出的最大有功功率得到有功参考指令，与按照电网需求设定的无功功率参考指令共同产生交流电流参考信号，接着通过反馈控制算法(如PID控制、重复控制、谐振控制、滑模控制等)对高频变换器的输出电流进行控制，输出调制波信号，控制变换器向电网输出期望的有功功率和可调的无功功率。值得注意的是，对于光伏系统而言，直流侧电压，即光伏阵列输出电压是随着光照强度和温度的变化而变化的，为了保证并网电流正弦度良好及其幅值频率稳定，必须对直流电压的变化进行补偿。补偿的方法是给控制电路输出的调制波信号乘以一个动态补偿系数，该系数与实时检测到的光伏阵列输出电压成反比当光伏阵列输出电压减小时，动态系数增大，调制比随之增大，补偿了光伏阵列输出电压的减小，使AC/AC变换器的输出脉宽调制信号的伏秒面积不随光伏阵列电压的减小而变化，于是输出电流保持良好的正弦性，系统运行稳定；当光伏阵列输出电压增大时，动态系数减小，调制比随之减小，补偿了光伏阵列输出电压的增大，使AC/AC变换器的输出脉宽调制信号的伏秒面积不随光伏阵列电压的增大而变化，于是输出电流保持良好的正弦性，系统运行稳定。 把按照上述方法得到的调制波进行SPWPM调制，同时控制高频变流器和AC/AC变换器，使二者配合工作，高频变换器输出电压方波周期为开关周期的两倍，且每周期内的前后半周期电压方波正负交替，AC/AC变换器每隔一个开关周期翻转一次高频变换器输出的电压方波，将电压从高频变为工频，这样只需两级变换电路就实现了高频链接隔离变换，保证了整个系统可控稳定的运行。 对于如图4所示的使用全桥桥式AC/AC变换器的单相电路实例一，单极性SPWPM调制的方法如下将调制波进行SP丽调制得到信号、，将、下降沿二分频、反相互补后分别得到功率开关S3的驱动信号；将调制波的反极性信号进行SP丽调制得到信号b，将k2下降沿二分频、反相互补后分别得到功率开关S2、 S4的驱动信号；将载波下降沿二分频、反相互补后分别得到功率开关S7a， S7b， S8a， S8b和S5a， S5b， S6a， S6b的驱动信号。
对于如图5所示的使用全桥全波式AC/AC变换器的单相电路实例二，单极性SPWPM调制的方法如图6所示将调制波um进行SP丽调制得到信号、，将、下降沿二分频、反相互补后分别得到功率开关S3的驱动信号；将调制波的反极性信号-um进行SP丽调制得
到信号b，将k2下降沿二分频、反相互补后分别得到功率开关S2、 S4的驱动信号；将载波下
降沿二分频、反相互补后分别得到功率开关S7， S8和S5， S6的驱动信号。 上述单极性SPWPM移相控制具有如下优点实现了 AC/AC变换器的零电压开关
(ZVS)开关；输出滤波器的前端电压为单极性SP丽波，频谱特性优，滤波器体积重量小；工
程实现较易。 本发明所提供的高效率的高频隔离单相光伏并网系统小型、轻量，省去了笨重庞大的工频变压器，由重量体积大大减小了的高频变压器替代其电气隔离和升压的作用；只有两级功率变换低压直流电压/低压高频交流电压脉冲/高压SP丽电压，拓扑简单，转换效率高，可靠性好；针对光伏并网系统的自身特点，提出了优化的控制算法，克服了光伏阵列输出电压的波动对系统造成的不利影响，保证了整个系统输出正弦波质量高，畸变小，动态响应快，能实现能量双向流动，且可充当无功发生装置对电网无功进行补偿。
权利要求
一种高频隔离单相光伏并网系统，其特征在于该系统包括光伏阵列，缓冲电容，高频变换器，高频变压器，AC/AC变换器，滤波器、电网以及控制电路；其中光伏阵列的输出端经过缓冲电容与高频变换器的直流端连接，高频变换器的交流端与高频变压器的原边绕组N1连接，高频变压器的副边绕组N2与AC/AC变换器的输入端连接，AC/AC变换器的输出端经滤波器与电网连接，所述控制电路输出的调制波信号，用于对整个系统进行控制。
2. 根据权利要求1所述的高频隔离单相光伏并网系统，其特征在于所述的高频变换 器为DC/AC变换器。
3. 根据权利要求1所述的高频隔离单相光伏并网系统，其特征在于所述的AC/AC变 换器为全桥全波式电路或全桥桥式电路，当AC/AC变换器为单相全波桥式电路，则高频变 换器对应为三绕组高频变压器；当AC/AC变换器为单相全桥桥式电路，则高频变换器对应 为两绕组的高频变压器。
4. 根据权利要求1所述的高频隔离单相光伏并网系统，其特征在于所述的滤波器为 一阶L滤波器或者三阶LCL滤波器。
5. —种基于权利要求1所述的高频隔离单相光伏并网系统的控制方法，其特征在于 当能量从光伏阵列向电网流动时，该系统按照如下运行的模式工作A、 光伏阵列的输出电压经滤波后经过缓冲电容向高频变换器提供直流电压；B、 高频变换器工作在逆变状态，将A步骤的直流电压逆变成低压高频交流电压；C、 B步骤所述低压高频交流电压经高频变压器升压后输入至AC/AC变换器；D、 AC/AC变换器将C步骤传输入的电压经过变换输出高压正弦脉宽调制(SP丽)方波 电压，经滤波器滤波后完成并网。
6. 根据权利要求5所述的高频隔离单相光伏并网系统的控制方法，其特征在于所述 B至D步骤中，高频变换器和AC/AC变换器共同采用正弦脉宽脉位调制(SPWPM)的方法，高 频变换器输出电压方波正负交替，AC/AC变换器将高频变换器输出的正负交替的电压方波 转换为SP丽方波。
7. 根据权利要求5所述的高频隔离单相光伏并网系统的控制方法，其特征在于所述B 至D步骤中，控制电路对高频变换器和AC/AC变换器的控制采用如下步骤首先采用最大功率点追踪控制算法追踪光伏阵列可以输出的最大有功功率，得到有功 参考指令；其次将该有功参考指令与按照电网需求设定的无功功率参考指令共同产生交流电流 参考信号；接着通过反馈控制算法对高频变换器的输出电流进行控制，输出调制波信号，控制高 频变换器和AC/AC变换器向电网输出期望的有功功率和可调的无功功率。
8. 根据权利要求5所述的高频隔离单相光伏并网系统的控制方法，其特征在于步骤A 中还有对直流电压的变化进行补偿的步骤，补偿的方法是给控制电路输出的调制波信号乘 以一个动态补偿系数，该系数与实时检测到的光伏阵列输出电压成反比。
全文摘要
本发明提供一种高频隔离单相光伏并网系统及其控制方法。系统主要由光伏阵列，缓冲电容，高频变换器，高频变压器，AC/AC变换器，滤波器和电网组成；通过使用高频链接技术，实现了光伏发电系统与电网的电气隔离，减小了隔离变压器和整个系统的重量和体积，且只需两级功率变换，简化了拓扑，提高了整个系统的可靠性和电能转换的效率。此外，针对该拓扑和光伏系统自身的特点，提出了优化的控制算法，克服了光伏阵列输出电压的波动对系统造成的不利影响，保证了整个系统输出电能质量高，畸变小，动态响应快，能量可双向流动，能够根据电网需求提供无功补偿。
文档编号H02M7/537GK101777775SQ20101011455
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月26日 优先权日2010年2月26日
发明者周克亮, 周文华, 朱力, 朱文杰, 苏秀娥 申请人:东南大学