CN101980436B

CN101980436B - 一种光伏并网逆变器装置及提高其转换效率的控制方法

Info

Publication number: CN101980436B
Application number: CN2010105200400A
Authority: CN
Inventors: 张犁; 胡海兵; 冯兰兰; 邢岩
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN101980436A

Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变器装置及提高其转换效率的控制方法，属于逆变器控制领域。该装置包括N个光伏并网逆变器，每个光伏并网逆变器的电压外环控制电路（3）包括母线电压采样电路（301）、第一、第二母线电压调节器（302、303）、第一、第二限幅电路（304、305）和三个电压环；本发明的控制方法首先对多个并网逆变器的母线电压调节器分别设定不同等级的给定电压，随着输入功率的增加，逆变器依据给定电压的高低依次投入工作,通过在轻载情况下减少逆变器的运行数量来提高轻载效率；对单个并网逆变器的直流母线电压调节器分别施以不同的给定值和输出限幅值，确保在不同功率等级下逆变器均能优先以最高效率运行，提高系统总体效率。

Description

一种光伏并网逆变器装置及提高其转换效率的控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器的控制方法，尤其涉及一种光伏并网逆变器装置及提高其转换效率的控制方法，属于逆变器控制领域。

背景技术

随着传统燃料能源的紧缺，太阳能、风能等可再生能源因其具有环保、无能源消耗等诸多优点而逐渐得到广泛的关注和研究。

目前组串式光伏发电并网系统中，主要是在DC/DC变换器处实现分布式并联，即一个光伏阵列分别与一个DC/DC变换器连接，实现最大功率跟踪，避免集中式的光伏阵列所导致的相互影响，提高最大功率跟踪的效率。DC/DC变换器输出并联后通过一个大容量集中式逆变器进行DC/AC变换，把能量送入电网，故逆变环节不具备冗余性。

采用分布式DC/DC和分布式DC/AC的结构，逆变环节具有冗余性，且可以根据直流母线电压高低对并联运行的并网逆变单元进行能量管理，根据系统的输入功率，使所有并网逆变单元中的一个非满载工作，一部分满载工作，其余的自动关闭，并网逆变单元之间无任何信号互连线。但是该方法仅优化了系统轻载工作时的效率，忽略了DC/AC变换器一般在其50%至60%负载工作时，变换效率最高的特点。因此，当系统功率较轻时，若使得DC/AC变换器一部分工作在50%~60%负载，以最高变换效率工作，一个DC/AC变换器较轻载工作，其余自动关闭；而当系统功率进一步增大时，一部分DC/AC变换器工作在满载状态，一个DC/AC变换器非满载工作，其余DC/AC变换器以50%~60%负载工作，则系统全负载范围内的变换效率均可以得到一定程度的提高，真正实现了光伏发电并网系统全负载范围内的高效运行。

发明内容

本发明针对背景技术中分布式光伏发电并网系统能量管理方法存在的缺陷，而提出一种光伏并网逆变器装置及提高其转换效率的控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种光伏并网逆变器装置，所述光伏并网逆变器装置包括N个光伏并网逆变器，N为正整数，每个光伏并网逆变器包括发电单元、直流母线、直流-交流转换电路、电压外环控制电路、电流内环控制及调制电路；其中所述发电单元包括依次连接的光伏阵列、直流-直流变换器；所述电流内环控制及调制电路包括依次连接的电流内环控制电路、PWM产生电路；其中，发电单元的输出端与直流母线的输入端连接，直流母线的输出端依次与直流-交流转换电路、交流电网连接，电压外环控制电路分别与直流母线、电流内环控制及调制电路连接；

所述电压外环控制电路包括母线电压采样电路、第一、第二母线电压调节器、第一、第二限幅电路和三个电压环；其中母线电压采样电路的第一输出端依次与第一电压环、第一母线电压调节器、第一限幅电路连接；母线电压采样电路的第二输出端依次与第二电压环、第二母线电压调节器、第二限幅电路连接；第一限幅电路、第二限幅电路的输出端分别与第三电压环连接。

一种提高光伏并网逆变器装置转换效率的控制方法，具体步骤如下：

步骤A，将光伏阵列和直流-直流变换器组成发电单元后与直流母线的输入端连接，采用母线电压采样电路测量直流母线电压得到母线电压反馈信号；

步骤B，将母线电压反馈信号与第一电压环的电压给定信号相减再依次通过第一母线电压调节器和第一限幅电路得到第一电压调制信号；将母线电压反馈信号与第二电压环的电压给定信号相减再依次通过第二母线电压调节器和第二限幅电路得到第二电压调制信号；

采用上述第一电压调制信号和第二电压调制信号分别限定该光伏并网逆变器的输出功率；

步骤C，将第一电压调制信号和第二电压调制信号通过第三电压环相加后得到第三电压调制信号，将第三电压调制信号作为并网电流给定的幅值信号，将此幅值信号输入电流内环控制及调制电路中的电流内环控制电路；

步骤D，电流内环控制电路将步骤C所述幅值信号转换成调制信号，并将此调制信号发送至PWM产生电路，得到直流-交流转换电路的驱动信号。

进一步的，本发明的提高光伏并网逆变器装置转换效率的控制方法，采用步骤B所述的第一电压调制信号和第二电压调制信号分别限定光伏并网逆变器的输出功率，具体步骤如下：

B1，当第一、第二母线电压调节器的输出均分别达到第一、第二限幅电路的最高限值时，所述光伏并网逆变器输出满载功率；

B2，当第一、第二母线电压调节器的输出均分别是第一、第二限幅电路的最低限值时，所述光伏并网逆变器的输出功率为零；

B3，当第一、第二母线电压调节器的输出中的一个达到限幅电路的最低限值、另一个达到限幅电路的最高限值时，该光伏并网逆变器的输出功率为满载功率的60%。

进一步的，本发明的提高光伏并网逆变器装置转换效率的控制方法，所述第一电压环的电压给定信号和第二电压环的电压给定信号不相等；

当第二电压环的电压给定信号大于第一电压环的电压给定信号时，将第一电压调制信号作为该并网逆变器最高效率点对应的并网电流幅值给定信号；

当第一电压环的电压给定信号大于第二电压环的电压给定信号时，将第二电压调制信号作为该并网逆变器最高效率点对应的并网电流幅值给定信号。

本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：

1）本发明的装置无需增加任何的软硬件成本，即可提高并网系统全负载范围的效率，尤其提高系统的半载效率和欧洲效率；

2）本发明的装置易于模块化，也易于扩容和维修；

3）本发明的逆变器之间无信号互连线，系统无需上位机控制和通讯即可实现功率的合理分配；

4）本发明的控制方法首先对多个并网逆变器的母线电压调节器分别设定不同等级的给定电压，随着输入功率的增加，逆变器依据给定电压的高低依次投入工作,通过在轻载情况下减少逆变器的运行数量来提高轻载效率；对单个并网逆变器的直流母线电压调节器分别施以不同的给定值和输出限幅值，确保在不同功率等级下，逆变器均能优先以最高效率运行，进一步提高系统总体效率。

附图说明

图1是提高光伏并网逆变器转换效率的控制方法原理图；

图2是采用单相全桥逆变器拓扑的实施例原理图；

图3是两个并网逆变器共直流母线并联工作时的电路拓扑及控制电路原理图；

图4是模块化光伏发电并网系统实施例；

图5是并网逆变器采用图2所示全桥逆变器拓扑的变换效率曲线；

图6是效率优化对比曲线；图6（a）是3个并网逆变器并联时的效率对比曲线，图6（b）是6个并网逆变器并联时的效率对比曲线；

图中符号说明：

图1和图2中：1—为直流母线，2—直流-交流转换电路，3—电压外环控制电路，4—电流内环控制及调制电路，301—母线电压采样电路，302、303—第一、第二母线电压调节器，304、305—第一、第二限幅电路，401—电感电流采样电路，402—电感电流调节器，U _d—直流母线电压，C _in—母线滤波电容，grid—交流电网，S ₁~S ₄—第一至第四功率开关管，L _f1、L _f2—第一、第二滤波电感，C _f为输出滤波电容，u _ref1、u _ref2—第一、第二电压环的电压给定信号，u _r1、u _r2—第一、第二电压调制信号，u _r—第三电压调制信号，PLL—电网电压相位信号，i _ref—并网电流给定信号，i _Lf1—第一滤波电感电流反馈信号，i _r—电流调制信号，v _gs1~v _gs4—第一至第四功率开关管驱动信号。

图3中：11、12—第一、第二发电单元；21、22—第一、第二全桥逆变电路；31、32—第一、第二电压外环控制电路，311、321—第一、第二母线电压采样电路，312、313、322、323—第一至第四母线电压调节器，314、315、324、325—第一至第四限幅电路，41、42—第一、第二电流内环控制和调制电路，411、421—第一、第二电感电流采样电路，412、422—第一、第二电感电流调节器，PV1、PV2—第一、第二光伏阵列，L ₁、L ₂—第一、第二储能电感，S _B1、S _B2—第一、第二功率开关管，D ₁、D ₂—第一、第二功率二极管，C ₁、C ₂—第一、第二母线电容，S ₁₁~S ₁₄—第三至第六功率开关管，S ₂₁~ S ₂₄—第七至第十功率开关管，L _f11、L _f12、L _f21、L _f22—第一至第四滤波电感，C _f1、C_f2—第一、第二滤波电容，grid—交流电网，K _d1、K _d2—第一、第二母线电压反馈系数，u _ref11、u _ref12、u _ref21、u _ref22—第一至第四电压环的电压给定信号，u _r11、u _r12、u _r21、u _r22—第一至第四电压调制信号，u _r1、u _r2—第五、第六电压调制信号，i _ref1、i _ref2—第一、第二电流给定信号，i _Lf11、i _Lf21—第一、第三滤波电感电流反馈信号，i _r1、i _r2—第一、第二电流调制信号，v _gs11~v _gs14—第三至第六功率开关管驱动信号，v _gs21~v _gs24—第七至第十功率开关管驱动信号。

具体实施方式

本发明涉及的一种提高并网逆变器装置转换效率的控制方法原理图如图1所示，包括发电单元、直流母线1、直流-交流转换电路2、电压外环控制电路3、电流内环控制及调制电路4；其中所述发电单元包括依次连接的光伏阵列、直流-直流变换器；所述电流内环控制及调制电路4包括依次连接的电流内环控制电路、PWM产生电路；其中，发电单元的输出端与直流母线的输入端连接，直流母线1的输出端依次与直流-交流转换电路2、交流电网连接，电压外环控制电路3分别与直流母线1、电流内环控制及调制电路4连接；

所述电压外环控制电路3包括母线电压采样电路301、第一、第二母线电压调节器302、303、第一、第二限幅电路304、305和三个电压环；其中母线电压采样电路301的第一输出端依次与第一电压环、第一母线电压调节器302、第一限幅电路304连接；母线电压采样电路301的第二输出端依次与第二电压环、第二母线电压调节器303、第二限幅电路305连接；第一限幅电路304、第二限幅电路305的输出端分别与第三电压环连接；

所述控制方法具体步骤如下：

步骤A，将光伏阵列和直流-直流变换器组成发电单元后与直流母线的输入端连接，采用母线电压采样电路301测量直流母线电压U _d得到母线电压反馈信号u _of；

步骤B，将母线电压反馈信号u _of与第一电压环的电压给定信号u _ref1相减再依次通过第一母线电压调节器302和第一限幅电路304得到第一电压调制信号u _r1；将母线电压反馈信号u _of与第二电压环的电压给定信号u _ref2相减再依次通过第二母线电压调节器303和第二限幅电路305得到第二电压调制信号u _r2；

步骤C，将第一电压调制信号u _r1和第二电压调制信号u _r2通过第三电压环相加后得到第三电压调制信号u _r，将第三电压调制信号u _r作为并网电流给定的幅值信号，将此幅值信号输入电流内环控制及调制电路4中的电流内环控制电路；

步骤D，电流内环控制电路将步骤C所述幅值信号转换成调制信号，并将此调制信号发送至PWM产生电路，得到直流-交流转换电路2的驱动信号。

采用步骤B所述的第一电压调制信号u _r1和第二电压调制信号u _r2分别限定光伏并网逆变器的输出功率，具体步骤如下：

B1，当第一、第二母线电压调节器302、303的输出均分别达到第一、第二限幅电路的最高限值时，所述光伏并网逆变器输出满载功率；

B2，当第一、第二母线电压调节器302、303的输出均分别是第一、第二限幅电路的最低限值时，所述并网逆变器输出功率为零；

B3，当第一、第二母线电压调节器302、303的输出中的一个达到限幅电路的最低限值、另一个达到限幅电路的最高限值时，并网逆变器变换效率最优。

所述第一电压环的电压给定信号u _ref1和第二电压环的电压给定信号u _ref2不相等；

当第二电压环的电压给定信号u _ref2大于第一电压环的电压给定信号u _ref1时，将第一电压调制信号u _r1作为并网逆变器最高效率点对应的并网电流幅值给定信号；

当第一电压环的电压给定信号u _ref1大于第二电压环的电压给定信号u _ref2时，将第二电压调制信号u _r2作为并网逆变器最高效率点对应的并网电流幅值给定信号。

在具体实施例中，直流-交流转换电路可采用多种电路拓扑，图2所示为直流-交流变换电路采用单相全桥逆变器拓扑的实施例原理图。

图3所示是两个并网逆变器共直流母线并联工作时的实施例电路拓扑及控制电路原理图，包括发电单元11和12，全桥并网逆变电路21和22，电压外环控制电路31和32，电流内环控制和调制电路41和42，输出滤波电感和电容。发电单元11和12中的PV1和PV2均为光伏阵列，每个光伏阵列的输出端均串接一个Boost DC/DC变换器组成发电单元后连入公共直流母线，每个全桥并网逆变电路的输入端均接入公共直流母线，其输出端均连入交流电网grid。前级Boost DC/DC变换器对光伏阵列进行最大功率点跟踪，把光伏阵列发出的电能送入直流母线。第三电压调制信号u _r1和第六电压调制信号u _r2的最大值相等，两个全桥并网逆变器的最大功率均是1000W，考虑到采样电路中的模拟器件离散性不完全相同，第一母线电压反馈系数K _d1为0.01，第二母线电压反馈系数K _d2为0.0099，其余控制参数完全相同，第一母线电压给定信号u _ref1为4V，第二母线电压给定信号u _ref2为4.2V，假设两个全桥并网逆变器的最大效率点均在60%负载处，即设定第一电压调制信号u _r11最大值为第三电压调制信号u _r1最大值的0.6倍，第二电压调制信号u _r12最大值为第三电压调制信号u _r1最大值的0.4倍，第四电压调制信号u _r21最大值为第六电压调制信号u _r2最大值的0.6倍，第五电压调制信号u _r22最大值为第六电压调制信号u _r2最大值的0.4倍。当DC/DC变换器的输出总功率小于600W时，第一全桥并网逆变器由于母线电压反馈系数最大，最先开始工作，由第一母线电压调节器312控制直流母线电压为400V，第二母线电压调节器313的输出达到第二限幅电路315的最低限值。第二全桥并网逆变器的第三、第四母线电压调节器322、324的输出分别达到第三、第四限幅电路324、325的最低限值；当DC/DC变换器的总输出功率大于600W小于1200W时，第一全桥并网逆变器的第一母线电压调节器312的输出达到第一限幅电路314的最高限值，第二母线电压调节器313的输出达到第二限幅电路的最低限值，第一全桥并网逆变器输出功率600W，由第二全桥并网逆变器的第三母线电压调节器322控制直流母线电压为404V，第四母线电压调节器323的输出达到第四限幅电路325的最低限值；当DC/DC变换器的总输出功率大于1200W小于1600W时，第一全桥并网逆变器的第一母线电压调节器312的输出达到第一限幅电路314的最高限值，由第二母线电压调节器313控制直流母线电压为420V，第二全桥并网逆变器的第三母线电压调节器322的输出达到第三限幅电路324的最高限值，第四母线电压调节器323的输出达到第四限幅电路325的最低限值，第二全桥并网逆变器输出功率600W；当DC/DC变换器的总输出功率大于1600W小于2000W，第一全桥并网逆变器的第一母线电压调节器312的输出达到第一限幅电路314的最高限值，第二母线电压调节器313的输出达到第二限幅电路315的最高限值，第一全桥并网逆变器输出功率1000W，第二全桥并网逆变器的第三母线电压调节器322的输出达到第三限幅电路324的最高限值，由第四母线电压调节器323控制直流母线电压为424V；当DC/DC变换器的总输出功率大于2000W时，由于第一、第二全桥并网逆变器均已达到最大功率，母线电压将不断升高，因此该模块化光伏发电并网系统正常工作的前提是并网逆变器的并网总功率应大于或等于DC/DC变换器的输入总功率。

图4为本发明控制方法所适用的光伏发电并网系统结构的实施例。

图5为并网逆变器采用图2所示全桥逆变器拓扑的变换效率曲线，从图中可以看出，变换器在60%负载处达到最大效率。

图6为系统效率优化对比曲线，采用0~60%负载0~100%负载的控制方法，图6（a）为3个并网逆变器并联时的效率对比曲线，图6（b）为6个并网逆变器并联时的效率对比曲线，从图中可以看出，采用本发明的提高并网逆变器转换效率的控制方法可以显著提高光伏并网变换系统全负载范围内的效率。

Claims

1.一种光伏并网逆变器装置，包括N个光伏并网逆变器，N为正整数，每个光伏并网逆变器包括发电单元、直流母线（1）、直流-交流转换电路（2）、电压外环控制电路（3）、电流内环控制及调制电路（4）；其中所述发电单元包括依次连接的光伏阵列、直流-直流变换器；所述电流内环控制及调制电路（4）包括依次连接的电流内环控制电路、PWM产生电路；其中，发电单元的输出端与直流母线的输入端连接，直流母线（1）的输出端依次与直流-交流转换电路（2）、交流电网连接，电压外环控制电路（3）分别与直流母线（1）、电流内环控制及调制电路（4）连接；其特征在于：

所述电压外环控制电路（3）包括母线电压采样电路（301）、第一、第二母线电压调节器（302、303）、第一、第二限幅电路（304、305）和三个电压环；其中母线电压采样电路（301）的第一输出端依次与第一电压环、第一母线电压调节器（302）、第一限幅电路（304）连接；母线电压采样电路（301）的第二输出端依次与第二电压环、第二母线电压调节器（303）、第二限幅电路（305）连接；第一限幅电路（304）和第二限幅电路（305）的输出端分别与第三电压环连接。

2.一种用于提高权利要求1所述的光伏并网逆变器装置转换效率的控制方法，其特征在于：所述控制方法具体步骤如下：

步骤A，将光伏阵列和直流-直流变换器组成发电单元后与直流母线的输入端连接，采用母线电压采样电路（301）测量直流母线电压（U _d）得到母线电压反馈信号（u _of）；

步骤B，将母线电压反馈信号（u _of）与第一电压环的电压给定信号（u _ref1）相减再依次通过第一母线电压调节器（302）和第一限幅电路（304）得到第一电压调制信号（u _r1）；将母线电压反馈信号（u _of）与第二电压环的电压给定信号（u _ref2）相减再依次通过第二母线电压调节器（303）和第二限幅电路（305）得到第二电压调制信号（u _r2）；

采用上述第一电压调制信号（u _r1）和第二电压调制信号（u _r2）分别限定该光伏并网逆变器的输出功率；

步骤C，将第一电压调制信号（u _r1）和第二电压调制信号（u _r2）通过第三电压环相加后得到第三电压调制信号（u _r），将第三电压调制信号（u _r）作为并网电流给定的幅值信号，将此幅值信号输入电流内环控制及调制电路（4）中的电流内环控制电路；

步骤D，电流内环控制电路将步骤C所述幅值信号转换成调制信号，并将此调制信号发送至PWM产生电路，得到直流-交流转换电路（2）的驱动信号。

3.根据权利要求2所述的一种提高光伏并网逆变器装置转换效率的控制方法，其特征在于：采用步骤B所述的第一电压调制信号（u _r1）和第二电压调制信号（u _r2）分别限定光伏并网逆变器的输出功率，具体步骤如下：

B1，当第一、第二母线电压调节器（302、303）的输出均分别达到第一、第二限幅电路的最高限值时，所述光伏并网逆变器输出满载功率；

B2，当第一、第二母线电压调节器（302、303）的输出均分别是第一、第二限幅电路的最低限值时，所述光伏并网逆变器的输出功率为零；

B3，当第一、第二母线电压调节器（302、303）的输出中的一个达到限幅电路的最低限值、另一个达到限幅电路的最高限值时，该光伏并网逆变器的输出功率为满载功率的60%。

4.根据权利要求2所述的一种提高光伏并网逆变器装置转换效率的控制方法，其特征在于：所述第一电压环的电压给定信号（u _ref1）和第二电压环的电压给定信号（u _ref2）不相等；

当第二电压环的电压给定信号（u _ref2）大于第一电压环的电压给定信号（u _ref1）时，将第一电压调制信号（u _r1）作为该并网逆变器最高效率点对应的并网电流幅值给定信号；

当第一电压环的电压给定信号（u _ref1）大于第二电压环的电压给定信号（u _ref2）时，将第二电压调制信号（u _r2）作为该并网逆变器最高效率点对应的并网电流幅值给定信号。