CN102005772B

CN102005772B - 一种并网逆变系统的控制方法

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Publication number: CN102005772B
Application number: CN200910189695.1A
Authority: CN
Inventors: 王营辉; 王娉雪
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: CN102005772A

Abstract

本发明提供一种并网逆变系统及其控制方法，一种并网逆变系统，包包括逆变单元和控制单元，逆变单元包括：逆变模块，用于将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置充电，以及将外部储能装置的直流电信号转换成交流电信号输入到电网；驱动模块，用于驱动逆变模块进行工作。控制单元包括信号产生模块，信号产生模块产生的信号通过驱动模块驱动逆变模块进行工作。通过以上技术方案，实现对并网逆变系统正反向的控制(反向工作状态及逆变工作状态)，从而实现了整个并网逆变系统的反向工作，在用电低谷通过电网可以给外部储能装置进行充电。而且整个系统不需要另外设计整流器，使得整个工作系统结构简单，成本低廉。

Description

一种并网逆变系统的控制方法

技术领域

本发明涉及逆变并网技术领域，更具体的涉及一种可双向工作的并网逆变系统及其控制方法。

背景技术

电网在每天不同的时段的负荷是很不均衡的，晚上6-9点是用电高峰时间段，这样就需要调用备用的储能电站及储能系统来为电网供电，从而满足用电高峰时间段的供电，而并网逆变系统作为一种电力系统，在光伏并网发电系统、储能电站、储能柜等多种场合有着广泛的应用。而光伏(风能)并网发电系统、光伏(太阳能)并网发电系统及光伏(蓄电池)并网发电系统是将风能、太阳能及蓄电池产生的直流电逆变成交流电馈送至常规电网。

对于蓄电池来讲，并网逆变系统是将蓄电池组的直流电转换为相对稳定的交流电并入电网供负载使用的功率变换装置。但是，传统的并网逆变系统都是只工作在逆变状态，即只能单向工作-将(蓄电池)直流电转换成和电网电压同频、同相的交流电。这种逆变系统的缺点在于很大程度上限制了逆变系统的应用范围。而且如果整个并网逆变系统还需要在一定情况下反向工作的话，即在用电低谷通过电网给蓄电池进行充电，就必须另外设计整流器，这就使得整个并网系统的体积增大，成本提高。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中并网逆变系统只能单向工作的问题，提供一种能够双向工作而且成本低的并网逆变系统。本发明还提供一种并网逆变系统的控制方法。

一种并网逆变系统，所述并网逆变系统包括逆变单元和控制单元，所述逆变系统包括：

逆变模块，用于将外部储能装置的直流电信号转换成交流电信号输入到电网，以及将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置充电；

驱动模块，用于驱动逆变模块进行工作；

所述控制单元包括信号产生模块，所述信号产生模块产生的信号通过驱动模块驱动所述逆变模块进行工作。

本发明还提供一种并网逆变系统的控制方法：

一种上述并网逆变系统的控制方法，包括以下步骤：

采样模块采集三相电网电压、逆变模块输出三相交流电压U0及外部储能装置的荷电量SOC；

控制单元比较U1和U0的关系，如果：

如果U1＞U0，信号产生模块改变SPWM波的调制比系数a的值，得到一个小于其系统内部设定值a₀的值a₁并输出SPWM控制波u_r＝a₁sinω_rt，并网逆变系统1反向工作；

如果U1＜U0，信号产生模块改变SPWM波的调制比系数a的值，得到一个小于其系统内部设定值a₀的值a₂并输出SPWM控制波u_r＝a₂sinω_rt，并网逆变器工作在逆变状态；

如果U1＝U0，逆变系统处于待机状态。

通过以上技术方案，通过控制单元的信号产生模块产生不同占空比的PWM波来驱动逆变模块进行相应的工作，并通过控制单元控制内部调制比系数来改变PWM控制波的不同占空比实现对并网逆变系统正反向的控制(逆变工作状态及反向工作状态)，从而实现了整个并网系统的反向工作，在用电低谷通过电网可以给外部储能装置进行充电。而且整个系统不需要另外设计整流器，使得整个工作系统结构简单，成本低廉。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明逆变模块一种实施例的电路结构示意图；

图2是本发明信号产生模块控制信号与逆变模块的接口电路示意图；

图3是本发明的一种实施例的系统电路示意图；

图4是本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图3所示，本发明提供的并网逆变系统1包括逆变单元和控制单元18，逆变单元包括逆变模块13和驱动模块，逆变模块13用于将外部储能装置2的直流电信号转换成交流电信号输入到电网以供其他负载使用，以及将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置2进行充电。

逆变模块13可以为各种桥式逆变电路，只要能实现上述逆变充放电功能即可，这里逆变模块13优选采用三相全桥逆变电路，该三相全桥逆变电路包括三组六个高可靠功率开关器件IGBT(Q1-Q6)以及六个反向并联二极管(D1-D6)，如图1所示，每组包括两个串联的开关器件IGBT，每个开关器件IGBT都并联有一个反向二极管，如第一组由Q1与D1并联构成上桥臂开关、Q2与D2并联后构成下桥臂开关，上、下桥臂开关再串联而成，即该三相全桥逆变电路的每一组都包括上桥臂开关和下桥臂开关，三组上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点可以接入三相电网以用来引入交流电信号。三相全桥逆变电路的三组开关中每一个上桥臂的另外一端用来连接外部储能装置2的一个电极，每一个下桥臂的另外一端用来连接外部储能装置2的另外一个电极。通过以上连接方式，逆变模块13可以实现将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置2进行充电，以及将外部储能装置2的直流电信号转换成交流电信号输入到电网以供其他负载使用。因为以上逆变模块13的电路组成及连接方式为本领域的公知常识，因此其交流电信号转化为直流电信号，以及直流电信号转化为交流电信号的原理在此不做详细描述。

驱动模块，用于驱动上述逆变模块13进行工作，实现将外部储能装置2的直流电信号转换成交流电信号输入到电网以供其他负载使用，以及将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置2进行充电。这里的驱动模块可以采用本领域公知的驱动电路，如全桥驱动模块，具体的工作原理属于本领域公知常识，在此不做赘述。

本发明并网逆变系统1的控制单元18包括信号产生模块，信号产生模块用来产生控制信号控制驱动电路驱动逆变模块13进行相应的工作。该信号产生模块优选采用DSP控制电路，DSP控制电路的DSP芯片采用32位的TMS320F2812作为控制核心。结合图1、图2所示，该控制电路可产生SPWM波，该SPWM波为正弦脉宽调制波，也就是脉冲宽度随正弦波变化的PWM波。它是通过调制法产生的，把期望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波，SPWM波就是把正弦波作为调制信号。本发明的控制信号波的调制方法通过软件控制由DSP的事件管理器模块来实现，即在程序中设置一个正弦表(即一个离散化的正弦波)作为调制信号，设该正弦波的方程为u_r＝asinω_rt，其中a为调制比系数，0≤a≤1，通过DSP控制电路的计数器产生的三角波作为载波进行信号调制得到所期望的输出SPWM波，SPWM波的脉冲宽度是随着调制信号的幅值变化的；同样的，SPWM波的占空比也是随着调制信号的幅值不断变化的，即随着调制比系数的变化而变化，输出信号波的占空比D与调制信号的关系可以用关系式D＝1/2(1+asinω_rt)来表示。软件产生三路SPWM波，即PWM1、PWM2、PWM3，每一路再通过反相器产生另一路互补对称的SPWM波，即PWM1’、PWM2’、PWM3’，通过以上方式就可以产生六路SPWM波，PWM1、PWM2、PWM3、PWM1’、PWM2’、PWM3’，一对SPWM波通过驱动模块控制逆变模块13的一路桥臂，即通过驱动电路控制IGBT开关器件的导通和关断，如图2所示。

对于本发明的信号产生模块，可预先在软件中设置调制比系数a的值，当逆变模块13的输出电压与电网电压相等时，程序中设定此时调制比系数a＝a₀，此时整个并网逆变系统1处于待机状态，逆变系统1停止电网与外部储能装置2之间电信号的传输，即逆变系统1既不能将外部储能装置2的直流电信号转换成交流电信号输入到电网以供其他负载使用，也不能将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置2进行充电，即并网逆变系统1既不充电也不放电。当逆变模块13的输出电压与电网电压不相等时，此时可以通过PI调节，即通过逆变输出的反馈量与软件中给定值的差值，来改变调制比系数a的大小，从而实现输出PWM波形占空比的改变，达到让并网逆变系统1进行双向工作的目的。当检测到逆变模块的输出电压大于电网电压时，在LC滤波器的电感两边产生正向压降，此时控制单元控制调制比系数a增大，使a＝a₁(a₁＞a₀)时，SPWM控制波的占空比增大，这时逆变系统工作在逆变状态，将外部储能装置2的直流电信号转换为交流电信号并入电网；当检测到逆变模块的输出电压小于电网电压，这时LC滤波器的电感两边产生反向的压降，此时控制单元控制调制比系数a减小，使a＝a₂(a₂＜a₀)时，SPWM控制波的占空比减小，此时并网逆变系统反向工作，将电网电压经逆变模块13升压后，转换成直流电信号对外部储能装置2充电，储存能量。

如图3所示，在逆变模块13与外部储能装置2之间的连接电路上还设有输入断路器11，该输入断路器11的输入端连接外部储能装置2的两个电极，输入断路器11的输出端连接逆变模块13的输入端，输入断路器11用来控制导通或者关断外部储能装置2与逆变模块13之间的电信号的传输。

作为进一步改进，逆变模块13与外部储能装置2之间还设有预充电路12，该预充电路12采用常见的电阻继电器电路，包括一个电阻和一个继电器，继电器的导通和关断由控制单元18控制。该预充电路12的输入端可连接外部储能装置2的两个电极，输出端连接逆变模块13的输入端。设置预充电路12的目的是让系统在通电瞬间输入侧电压缓慢升高或者降低，防止因为电压变化过快而带来大的冲击电压对IGBT的造成损坏。

作为再进一步改进，在逆变模块13与电网之间还设有用来滤除杂波的LC滤波电路14、用来滤除干扰的(电磁干扰等)EMC滤波电路16及用来抑制峰尖电压的输出浪涌抑制电路，LC滤波电路14、EMC滤波电路16及输出浪涌抑制电路依次串联后接入逆变模块13与电网之间。因LC滤波电路14、EMC滤波电路16及输出浪涌抑制电路在本领域都是比较常见的滤波电路，其在三相交流电路中的工作原理及连接方式在此不做详细介绍。

作为一种优选的方案，并网逆变系统1还包括输出断路器17，输出断路器17的一端与输出浪涌抑制电路连接，输出断路器17的另一端通过一个开关柜4接入电网，可通过控制开关柜4中开关的状态可以实现电信号在电网与并网逆变系统1之间的传输。

如图3所示，在LC滤波电路14及EMC滤波电路16之间还设有第一继电器15，该第一继电器15的状态由控制单元18控制，通过控制第一继电器15的工作状态可实现电信号在LC滤波电路14与EMC滤波电路16之间的传输。在并网逆变系统1电路系统的末端，即接入电网的一端设有输出断路器17，用来控制并网逆变系统1与电网之间交流电信号的传输。

本发明并网逆变系统1的控制单元18还包括采样模块，采样模块可采集包括三相电网电压、逆变模块13输出三相交流电压、三相电网电流和直流侧电流等在内的11路电信号，控制单元18根据采样模块采集的各种信号对整个并网逆变系统1进行相应的控制。为了保证并网逆变系统1的控制单元18及时散热不至于积热过多对电路造成损害，控制单元18可连接一风机，当控制单元18进行工作时，该风机也同时工作对控制单元18进行风冷。

当然，由于某些原因，如并网逆变系统1的高电压危险性，以上逆变系统1可通过一远程监控系统3进行监控，通过远程监控系统3的监控，工作人员可以很清楚的了解该并网逆变系统1的工作状态，时时监控该并网逆变系统1的工作情况，远程监控系统3通过CAN总线与并网逆变系统1进行通讯，如果并网逆变系统1出现状况或者故障，那么工作人员通过远程监控系统3可以及时得知该状况或者故障，以便及时采取相应的措施。

如图4所示，本发明提供的并网逆变系统中信号产生模块产生不同信号控制逆变模块13实现：

将外部储能装置(2)的直流电信号转换成交流电信号输入到电网；

以及，将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置(2)充电。其具体的控制方法如下：

将并网逆变系统1的直流输入端连接储能装置2，这里的储能装置2优选为电池组，并网逆变系统的交流输出端通过开关柜4接入电网，并网逆变柜1工作时：

步骤一，控制单元18的采样模块采集并网逆变器内相应的电信号，包括三相电网电压U1、逆变模块13输出三相交流电压U0及电池组的荷电量SOC值；

步骤二，控制单元18比较三相电网电压U1和逆变模块13输出三相交流电压U0的大小，控制单元18判断分析U1与U0的关系，如果U1＞U0，则进入步骤三，反之则进入步骤六；

步骤三，控制单元18的信号产生模块改变SPWM波的调制比系数a的值，使其小于其系统内部设定的值a₀，从而得到调制比系数a₂，信号产生模块最终输出一个占空比减小的SPWM控制波；

步骤四，由于此输出的SPWM控制波的占空比减小，这时逆变模块的输出电压小于电网的电压，LC滤波器的电感两边产生反向压降，并网逆变系统1反向工作，并网逆变系统1将电网电压经逆变模块13升压后，转换成直流电信号对外部储能装置2充电，储存能量；

步骤五，当控制单元18检测到外部储能装置2的荷电量SOC达到其内部设定的高阀值SOC1时，控制并网逆变器停止对外部储能装置2进行充电，否则控制单元18继续对外部储能装置2进行充电并时时检测外部储能装置2的荷电量SOC，当达到高阀值SOC1时，控制并网逆变器停止对外部储能装置2进行充电，然后系统进入下一个循环。

步骤六，控制单元18继续比较三相电网电压U1和逆变模块13输出三相交流电压U0的大小，控制单元18判断分析U1与U0的关系，如果U1＜U0，则进入步骤七，反之进入步骤十；

步骤七，控制单元18的信号产生模块改变SPWM波的调制比系数a的值，使其大于其系统内部设定的值a₀，从而得到调制比系数a₁，信号产生模块最终输出一个占空比增大的SPWM控制波；

步骤八，由于此输出的SPWM控制波的占空比增大，此时逆变器输出的电压大于电网电压，在LC滤波器的电感两边产生正向压降，这时逆变系统工作在逆变状态，将外部储能装置2的直流电信号转换为交流电信号并入电网；

步骤九，当控制单元18检测到外部储能装置2的荷电量SOC达到其内部设定的低阀值SOC2时，控制并网逆变器停止对外部储能装置2进行放电，否则控制单元18继续对外部储能装置2进行放电并时时检测外部储能装置2的荷电量SOC，当达到高阀值SOC2时，控制并网逆变器停止对外部储能装置2进行放电，然后系统进入下一个循环。

步骤十，此时控制单元18得到的三相电网电压U1和逆变模块13输出三相交流电压U0是相等的，控制单元18的信号产生模块产生的调制比系数a与系统内设的调制比系数a₀是相等的，此时整个逆变系统1处于待机状态，既不能将外部储能装置2的直流电信号转换成交流电信号输入到电网以供其他负载使用，也不能将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置2进行充电，即充电柜既不放电也不充电。然后系统进入下一个循环。

在并网逆变系统1的实际运行中，当外部储能装置2的电压降到一定值，使得并网逆变系统的输入处于欠压状态时，此时逆变模块13的输出电压小于电网电压，并网逆变系统1反向工作，将电网的交流电信号转换成直流电信号，对外部储能装置2充电。这样就实现了并网逆变系统1的双向工作。本发明在工作的同时，与监控系统3通过CAN总线进行实时通信。

通过以上控制方法，在并网逆变(放电)模式下，外部储能装置2的直流电信号通过并网逆变系统1变换为交流电信号，同时控制单元18监测电网的电压、频率及相位，并控制电路调节逆变模块13的输出交流电信号，使输出的交流电信号与电网电压同频、同相、幅值相等，然后将并网逆变系统1输出并网。在逆变模式下，控制单元18的控制电路可以根据采集的各种信号量对并网逆变系统1工作中的电压、电流、相位等参数进行控制，通过捕捉到的相位信号，可以调节输出电压与电流的相位，从而达到调节功率因数的目的。外部储能装置2的电压会随着放电时间的增长逐渐变小，当外部储能装置2的电压减小到低阀值SOC2时，蓄电池会欠压，这时控制单元18就通过调节SPWM波的占空比，改变并网逆变系统1的工作方向，将电网的交流电信号转换为直流电信号，为外部储能装置2充电。也就是将放电状态转换为充电状态。此时，外部储能装置2的电压会随着充电时间的增长逐渐变大，当外部储能装置2的电压增大到高阀值SOC1时，外部储能装置2过压，这时控制单元18又会控制并网逆变系统1使其工作于放电状态。当然蓄电池的低阀值SOC2与高阀值SOC1可以根据电池的具体情况在软件中设定。所述SOC1的范围为70％-90％，SOC2的范围为10％-20％，优选地，SOC1设定为80％，SOC2设定为20％。这样，并网逆变系统1就可在两种工作状态自动的转换。同时，当并网逆变系统1处于某一种工作状态时，也可以通过软件控制改变逆变器的工作状态。

逆变器在工作时，逆变器输出以及直流端参数、电网参数都会通过控制单元18的控制在与控制单元18连接的显示面板上实时显示出来。

并网逆变系统1的控制单元18的采集模块在工作过程中与外部储能装置2的组管理系统进行实时通信，监测外部储能装置2的充放电状态及荷电量SOC，当外部储能装置2或者并网逆变系统1出现故障时，控制单元18接收到故障信号，控制逆变器停止工作。当电网突然断电时，控制单元18也可检测到电网故障，控制并网逆变系统1停止工作。

由于本发明双向逆变系统1的作用，该外部储能装置2可以在用电低谷时储存能量。然后在用电高峰时向电网释放能量。实现削峰填谷、平衡电网负荷的目的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1. 一种并网逆变系统的控制方法，所述并网逆变系统设有逆变单元和控制单元（18），所述逆变单元包括：

逆变模块（13），用于将外部储能装置（2）的直流电信号转换成交流电信号输入到电网，以及将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置（2）充电；

驱动模块，用于驱动逆变模块（13）进行工作；

所述控制单元（18）包括信号产生模块，所述控制单元（18）还包括采样模块，用于采集三相电网电压U1、逆变模块（13）输出三相交流电压U0、三相电网电流、直流侧电流、外部储能装置（2）的充放电状态及荷电量SOC，所述控制单元（18）根据采样模块采集的信息控制所述信号产生模块产生信号，所述信号产生模块产生的信号通过驱动模块驱动所述逆变模块（13）进行工作，其特征在于，所述信号产生模块产生不同信号控制所述逆变模块实现：

将外部储能装置（2）的直流电信号转换成交流电信号输入到电网；

以及，将电网提供的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置（2）充电，

采样模块采集三相电网电压U1、逆变模块（13）输出三相交流电压U0及外部储能装置（2）的荷电量SOC；

控制单元（18）比较三相电网电压U1和逆变模块（13）输出的三相交流电压U0的关系，

如果U1＞U0，信号产生模块改变SPWM波的调制比系数a的值，得到一个小于其系统内部设定值a₀的值a₂并输出一个占空比减小的SPWM控制波，并网逆变系统（1）反向工作；

如果U1＜U0，信号产生模块改变SPWM波的调制比系数a的值，得到一个大于其系统内部设定值a₀的值a₁并输出一个占空比增大的SPWM控制波，并网逆变系统工作在逆变状态；

如果U1=U0，并网逆变系统（1）处于待机状态，

当所述控制单元（18）检测到所述外部储能装置（2）的荷电量SOC等于其内部设定的高阀值SOC1时，控制并网逆变器停止对外部储能装置（2）进行充电，然后控制单元（18）进入下一个循环，

当所述控制单元（18）检测到所述外部储能装置（2）的荷电量SOC等于其内部设定的低阀值SOC2时，控制单元（18）控制并网逆变器停止对外部储能装置（2）进行放电，然后系统进入下一个循环。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述并网逆变系统（1）反向工作时，所述并网逆变系统（1）将电网的交流电信号转换成直流电信号对外部储能装置（2）进行充电。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述并网逆变系统（1）工作在逆变状态时，所述并网逆变系统（1）将外部储能装置（2）的直流电信号转换为交流电信号并入电网。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述并网逆变系统（1）处于待机状态时，所述并网逆变系统（1）停止电网与外部储能装置（2）之间电信号的传输。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述高阀值SOC1的取值范围为70%—90%。

6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述低阀值SOC2的取值范围为10%—30%。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述并网逆变系统（1）工作时，可通过设置一远程监控系统（3）监控所述并网逆变系统的工作情况，所述远程监控系统（3）通过CAN线与所述并网逆变系统（1）进行通讯。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述信号产生模块采用DSP控制电路，所述DSP控制电路采用32位的TMS320F2812。

9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述逆变模块（13）采用三相全桥逆变电路。

10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述逆变模块（13）与外部储能装置（2）之间还设有输入断路器（11），该输入断路器（11）的输入端连接外部储能装置（2）的两个电极，输入断路器（11）的输出端连接逆变模块（13）的输入端。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述逆变模块（13）与外部储能装置（2）之间还设有预充电路（12），所述预充电路（12）的输入端可连接外部储能装置（2）的两个电极，预充电路（12）的输出端连接逆变模块（13）的输入端。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述逆变模块（13）与电网之间设有用来滤除杂波的LC滤波电路（14）、用来滤除电磁干扰的EMC滤波电路（16）及用来抑制峰尖电压的输出浪涌抑制电路，所述LC滤波电路（14）、EMC滤波电路（16）及输出浪涌抑制电路依次串联后接入所述逆变模块（13）与电网之间。

13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述LC滤波电路（14）与EMC滤波电路（16）之间设有与控制单元（18）相连的第一继电器（15），所述第一继电器（15）控制LC滤波电路（14）与EMC滤波电路（16）之间电信号的传输。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述并网逆变系统（1）还包括输出断路器（17），所述输出断路器（17）的一端与输出浪涌抑制电路连接，输出断路器（17）的另一端通过开关柜（4）接入电网。