专利名称：一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法。
背景技术：
太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，具有清洁、安全、广泛等优点。从理论上看，如果把太阳能传送到地球的能量全部转化为电能，则每年的发电量相当于目前世界上能耗的40倍。随着光伏发电成本的降低和化石能源的告急，大功率光伏并网发电是必然的选择。当前，丽级光伏并网发电通常是由若干个kW级的光伏并网逆变器通过一个共同的变压器升压，再统一并接到高压电网。但是，随着功率等级的提高，开关管工作频率必然下降，导致电能质量下降；而且，通过变压器升压并网，会导致很多问题，如变压器成本高、 体积大、笨重、降低系统效率、存在直流偏磁和励磁涌流等问题。
发明内容
本发明的首要目的是解决现有技术方案中系统容量与电能质量之间的矛盾，解决升压变压器带来的问题，提供一种级联型光伏并网逆变器。具有电压等级高、功率等级大、 电能质量好等优点，可以直接高压并网，不需要变压器，节省了成本和占地面积。本发明的另一目的是提供一种级联型光伏并网逆变器的控制方法。本发明实现上述首要目的所采用的技术方案为本级联型光伏并网逆变器，包括光伏阵列和若干个级联的单元体；所述光伏阵列包括若干个光伏单元，每个光伏单元均与一个单元体的输入侧连接；每个单元体均是一个单级式单相光伏并网逆变器。所述单级式单相光伏并网逆变器包括直流母线电容和H桥逆变电路；直流母线电容并联在单级式单相光伏并网逆变器的输入端；H桥逆变电路与直流母线电容并联。所述单级式单相光伏并网逆变器还包括并联在H桥逆变电路输出端的旁路开关。所述光伏单元，由若干个相同的光伏电池板先串联成若干个电池串，再由若干电池串并联而成。本发明实现上述另一目的所采用的技术方案为本级联型光伏并网逆变器的控制方法，包括以下步骤步骤1 启动时，控制各个光伏单元工作在同一个电压；检测各个光伏单元的端电压Urot和输出电流Ipvk (k = a”……,an;bi;……，bn;Cl，……，cn)，求出所有光伏单元的输出总功率PPV@及端电压平均值Z7PV，采用扰动观察法对光伏单元进行最大功率跟踪控制， 即通过给光伏阵列工作点电压施加扰动Δυ，同时记录扰动后的输出功率，如果输出功率增加，则保持原方向继续扰动，否则反方向扰动，最终使光伏阵列工作在最大功率点附近， 求出其最大功率点电SU_p。在最大功率跟踪过程中，根据所有光伏单元发出的总功率Ppv &对各个光伏单元统一进行最大功率跟踪，各光伏单元的参考工作电压始终一致；步骤2 检测电网相电压ua、ub和u。，采用锁相环技术求出电网电压矢量的相位θ ；检测级联型光伏并网逆变器输出的相电流ia、ib和i。，然后，在与电网电压矢量同步旋转的 d-q坐标系下，进行abc-dq变换，通过d轴电流调节并网有功功率，通过q轴电流调节并网功率因数；步骤3 采用双闭环控制，即外环PIl控制各光伏单元的端电压UPVk，内环控制逆变器的输出电流ia、ib和i。；通过调节并网电流有功分量id，使光伏单元工作在最大功率点电压化_;通过闭环PI2对并网电流的有功分量id进行闭环控制，闭环PI2的输出为<;为了实现单位功率因数并网，设电流无功分量参考值< =0，通过闭环PI3，对并网电流的无功分量、进行闭环控制，闭环PI3输出为< ；步骤4:由于各光伏单元的输出功率不可能完全一致，为此，采取如下措施: 对各光伏单元的端电压分别进行补偿闭环控制，即将Upvk和^v比较，然后把比较误差 AfZpvk = 入闭环PI4，闭环PI4的输出值作为每级单元体输出电压d轴补偿量 Audk，并设q轴补偿量A<k = 0 ；再结合步骤3得到的<和<，求出各单元体输出电压的d轴分量参考值(< +△<)及q轴分量参考值+Δ&)；步骤5:对各单元体输出电压的d轴分量参考值及q轴分量参考值进行dq-abc变换，得到各单元体输出电压参考值<，采用载波移相SPWM调制方
法，得到各单元体H桥逆变电路的PWM开关信号，即对于同一相串联的单元体，每个单元分别采用<作为调制波，用η个三角波分别进行调制，各三角载波具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度，从而使每个单元输出的SPWM脉冲错开一定的角度(如π/η)，等效开关频率大大增加，结果叠加后逆变器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波。步骤6 当某一相的某个单元体或与其连接的光伏单元出现故障时，通过旁路开关旁路该单元体及其他两相同级单元体，直到故障解除；当某个单元体被旁路后，通过提高调制比，提高其余单元体输出电压，使级联型光伏并网逆变器输出正常的电压等级。与现有技术相比，本发明的有益效果如下功率等级大，克服了电力电子器件负荷能力的限制；可以直接高压并网，省略了变压器，降低了成本，节省了空间，提高了效率；采用载波移相SPWM控制，具有完美无谐波变频器的优点，电能质量高；采用单元体旁路控制， 提高了系统的安全性和稳定性。
图1是本发明级联型光伏并网逆变器的电路原理图；图2是单元体的电路原理图；图3是系统控制原理图。图中1.光伏阵列，2.单元体，3. H桥逆变电路，4.旁路开关。
具体实施例方式下面结合实施及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明逆变器采用如图1所示的结构，包括光伏阵列1和若干个级联的单元体2，光伏阵列1包括若干个光伏单元，每个光伏单元均与一个单元体2的输入侧连接。所述的每个光伏单元，均是由若干个相同的光伏电池板先串联成若干电池串，再将若干电池串并联而成；每个光伏单元的安装环境尽量一致，以保证光伏阵列的各个光伏单元的电压等级和功率等级等特性相同。如图2所示，每个单元体均是一个单级式单相光伏并网逆变器，包括直流母线电容C、H桥逆变电路3和旁路开关4 ；直流母线电容C并联在单级式单相光伏并网逆变器的输入端；H桥逆变电路3与直流母线电容C并联；旁路开关4并联在H桥逆变电路3的输出端，用于实现在非正常情况下的旁路控制。通过H桥逆变电路3实现最大功率跟踪控制和并网逆变控制。单元体采用载波移相SPWM控制，通过堆波技术(堆波技术即单元体级联)， 实现多电平的高压输出，直接高压并网。本发明逆变器的控制方法中，每个单元体对与其连接的光伏单元进行最大功率跟踪控制和并网逆变控制，采用载波移相SPWM调制方法，通过堆波技术，实现多电平的高压输出；对非正常单元体及其他两相的同级单元体采取旁路措施，提高了系统运行的稳定性和可靠性。如图3所示，本发明采用的控制方法具体包括以下步骤步骤1 启动时，控制各个光伏单元工作在同一个电压；检测各个光伏单元的端电压Urot和输出电流Ipvk (k = a”……,an;bi;……，bn;Cl，……，cn)，求出所有光伏单元的输出总功率PPV@及端电压平均值Z7PV，采用扰动观察法对光伏单元进行最大功率跟踪控制， 即通过给光伏阵列工作点电压施加扰动Δυ，同时记录扰动后的输出功率，如果输出功率增加，则保持原方向继续扰动，否则反方向扰动，最终使光伏阵列工作在最大功率点附近， 求出其最大功率点电SU_p。在最大功率跟踪过程中，根据所有光伏单元发出的总功率Ppv &对各个光伏单元统一进行最大功率跟踪，各光伏单元的参考工作电压始终一致。步骤2 检测电网相电压ua、ub和u。，采用软件锁相环技术(SPLL，为本领域常用的锁相环技术)，求出电网电压矢量的相位θ。检测级联型光伏并网逆变器输出的相电流ia、 ib和i。，然后，在与电网电压矢量同步旋转的d_q坐标系下，进行abc-dq变换，通过d轴电流调节并网有功功率，通过q轴电流调节并网功率因数。步骤3 采用双闭环控制，即外环PIl控制各光伏单元的端电压UPVk，内环控制逆变器的输出电流ia、ib和i。；通过调节并网电流有功分量id，使光伏单元工作在最大功率点电 SU_P。通过闭环PI2对并网电流的有功分量id进行闭环控制，PI2的输出为<;为了实现单位功率因数并网，设电流无功分量参考值< =0，通过闭环PI3，对并网电流无功分量i,进行闭环控制，其输出为<。步骤4:由于各光伏单元的输出功率不可能完全一致，为此，采取如下措施 对各光伏单元的端电压分别进行补偿闭环控制，即将Upvk和^v比较，然后把比较误差 AfZpvk = U靴-f/^送入闭环PI4，闭环PI4的输出值作为每级单元体2输出电压d轴补偿量 Audk，并给定q轴补偿量A<k =0 ；再结合步骤3得到的<和<，求出系统各级单元体2输出电压的d轴分量参考值(< +△<)及q轴分量参考值+Δ /；)。步骤5 对系统各级单元体2输出电压的d轴分量参考值+Δ<)及q轴分量参考值进行dq-abc变换，得到各单元体2输出电压参考值< (k = a1;……，an；b1 ……，bn;Cl，……，cn)，采用载波移相SPWM调制方法，得到各单元体H桥3的PWM开关信号。本步骤所述的载波移相SPWM调制方法具体为对于同一相串联的单元体，每个单元分别采用<(k = ，……，知办，……，bn;Cl，……，cn)作为调制波，用η个三角载波分别进行调制，各三角载波具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度，从而使每个单元输出的SPWM脉冲错开一定的角度，等效开关频率大大增加，结果叠加后变流器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波，选择合适的相移角度(如η/η)就能使输出电压的谐波含量大大减少。步骤6 当某一相的某个单元体2或与其连接的光伏单元出现故障时，通过旁路开关4旁路该单元体2及其他两相同级单元体2，直到故障解除。为了保证系统采取旁路措施以后仍能正常工作，单元体2电压输出能力和调制比都要留有足够的裕量；当某一级单元体2被旁路后，通过提高调制比，提高单元体2输出电压，使级联型光伏并网逆变器输出正常的电压等级。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种级联型光伏并网逆变器，其特征在于，包括光伏阵列和若干个级联的单元体； 所述光伏阵列包括若干个光伏单元，每个光伏单元均与一个单元体的输入侧连接；每个单元体均是一个单级式单相光伏并网逆变器。
2.根据权利要求1所述的级联型光伏并网逆变器，其特征在于，所述单级式单相光伏并网逆变器包括直流母线电容和H桥逆变电路；直流母线电容并联在单级式单相光伏并网逆变器的输入端；H桥逆变电路与直流母线电容并联。
3.根据权利要求1所述的级联型光伏并网逆变器，其特征在于，所述单级式单相光伏并网逆变器还包括并联在H桥逆变电路输出端的旁路开关。
4.根据权利要求1所述的级联型光伏并网逆变器，其特征在于，所述的每个光伏单元均由若干个相同的光伏电池板先串联成若干电池串，再将若干电池串并联而成。
5.一种如权利要求3所述级联型光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1 启动时，控制各个光伏单元工作在同一个电压；检测各个光伏单元的端电压 Upvk和输出电流IPVk，k = &1，……,an;bi;……，bn;Cl，……，cn，求出所有光伏单元的输出总功率PPV@及端电压平均值Z7PV，对光伏单元进行最大功率跟踪控制，求出光伏单元最大功率点电压Ulimp ；步骤2:检测电网相电压ua、Ub和u。，采用锁相环技术求出电网电压矢量的相位θ ；检测级联型光伏并网逆变器输出的相电流ia、ib和i。，然后，在与电网电压矢量同步旋转的 d-q坐标系下，进行abc-dq变换，通过d轴电流调节并网有功功率，通过q轴电流调节并网功率因数；步骤3 采用双闭环控制即外环PIl控制各光伏单元的端电压Upvk，内环控制逆变器的输出电流ia、ib和i。；通过调节并网电流有功分量id，使光伏单元工作在最大功率点电压 Unmp ；通过闭环PI2对并网电流的有功分量id进行闭环控制，闭环PI2的输出为<;为了实现单位功率因数并网，设电流无功分量参考值< =0，通过闭环PI3，对并网电流无功分量i,进行闭环控制，闭环PI3的输出为<;步骤4:由于各光伏单元的输出功率不可能完全一致，为此，对各光伏单元的端电压分别进行补偿闭环控制，即将Upvk和^v比较，然后把比较误差AfZpvk -队%送入闭环 PI4，闭环PI4的输出值作为每级单元体输出电压d轴补偿量，并设q轴补偿量= 0 ； 再结合步骤3得到的<和<，求出各单元体输出电压的d轴分量参考值< 及q轴分量参考值；步骤5 对各单元体输出电压的d轴分量参考值< 及q轴分量参考值< 进行dq-abc变换，得到各单元体输出电压参考值<，采用载波移相SPWM调制方法，得到各单元体H桥逆变电路的PWM开关信号，即对于同一相串联的单元体，每个单元分别采用<，k = ai;……，知办，……，bn;Cl，……，cn，作为调制波，用η个三角波分别进行调制，各三角载波具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度，从而使每个单元输出的SPWM 脉冲错开一定的角度，等效开关频率大大增加，结果叠加后逆变器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波；步骤6 当某一相的某个单元体或与其连接的光伏单元出现故障时，通过旁路开关旁路该单元体及其他两相同级单元体，直到故障解除；当某个单元体被旁路后，通过提高调制比，提高其余单元体输出电压，使级联型光伏并网逆变器输出正常的电压等级。
全文摘要
本发明公开了一种级联型光伏并网逆变器及其控制方法，具有电压等级高、功率等级大、电能质量好等优点，可以直接高压并网，不需要变压器，节省了成本和占地面积。其逆变器包括光伏阵列和若干个级联的单元体；所述光伏阵列包括若干个光伏单元，每个光伏单元均与一个单元体的输入侧连接；每个单元体均是一个单级式单相光伏并网逆变器。所述单级式单相光伏并网逆变器包括直流母线电容和H桥逆变电路；直流母线电容并联在单级式单相光伏并网逆变器的输入端；H桥逆变电路与直流母线电容并联。
文档编号H02J3/38GK102290828SQ20111023163
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者刘满仓, 孙开发, 许贤昶, 邱培春 申请人:广州智光电气股份有限公司