CN102005953B - 一种并网逆变器及其交流输出滤波方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种并网逆变器及其交流输出滤波方法。该并网逆变器包括：交流输出滤波器，包括并联的多个可切换的滤波模块，其中每个滤波模块的功率容量为并网逆变器的不同输出功率；监测模块，用于对并网逆变器的交流输出电压和电流进行实时监测；和控制电路，其用于根据监测到的电压和电流计算并网逆变器的输出功率，并根据所计算的输出功率所属的功率等级控制切换到具有与该功率等级相应的功率容量的滤波模块，所述功率等级根据所述多个滤波模块的功率容量而划分。通过本发明，无论并网逆变器的输出功率如何，并网逆变器的输出电流波形的THD均可满足相关标准的要求，并提高了并网逆变器在低负载率情况下的转换效率。

Description

一种并网逆变器及其交流输出滤波方法
技术领域
本发明涉及并网逆变器技术领域，尤其涉及一种并网逆变器及其交流输出滤波方法。
背景技术
随着并网发电技术的广泛应用，并网逆变器的输出电能质量得到了电网公司更多的关注。为了降低并网输出谐波，提高电能质量，国内外光伏发电标准(如UL1741、IEEE929-2000)中均对并网电流各次谐波及总谐波含量都提出了严格的要求。影响并网电流谐波的因素有很多，本文主要讨论并网逆变器的交流输出滤波方式对并网电流谐波的影响。
目前，并网逆变器的输出滤波器都是针对并网逆变器自身的额定输出功率所设计的。当并网逆变器输出功率在额定功率时，并网逆变器的输出电流波形的谐波畸变率可以很好地满足并网逆变器相关标准的要求。但在轻载情况下，尤其是负载率低于25％以下、逆变器输出功率远低于额定功率时，存在以下两个严重问题：
(1)由于在低负载率情况下，调制比很低，开关占空比很小，导致并网电流谐波含量严重超标，对电网造成较大的谐波污染；
(2)在轻载情况下，由于滤波器空载损耗占的比重增加，使逆变器的转换效率也大幅降低。
这种问题对于光伏并网逆变器尤其严重。由于一天中日照强度的自然变化，光伏并网逆变器在一天的大部分时间都工作在较低的负载率下。在这种情况下，如上所述，存在并网电流谐波含量超标和转换效率降低的问题，从而降低了输出电能质量。但是，目前尚缺乏对于这种问题的解决方案。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种并网逆变器及其交流输出滤波方法，以使得并网逆变器即使在低负载率情况下其输出电流波形的总谐波畸变率(THD)也能满足相关标准的要求，并使得并网逆变器在低负载率情况下的转换效率得到提高。
为了实现以上目的，本发明提供一种并网逆变器，包括：交流输出滤波器，其包括并联的多个可切换的滤波模块，其中每个滤波模块的功率容量为并网逆变器的不同输出功率；监测模块，其与并网逆变器的交流输出端连接，用于对并网逆变器的交流输出电压和电流进行实时监测；和控制电路，其连接在监测模块和交流输出滤波器之间，用于根据通过监测模块监测到的电压和电流计算并网逆变器的输出功率，并根据所计算的输出功率所属的功率等级控制切换到具有与该功率等级相应的功率容量的滤波模块，所述功率等级根据所述多个滤波模块的功率容量而划分。
优选地，所述滤波模块每个包括串联的LC或LCL交流滤波器和第一交流接触器，所述LC或LCL交流滤波器中的滤波电容支路包括串联的滤波电容和第二交流接触器，所述控制电路通过控制各个滤波模块中所包括的第一交流接触器和第二交流接触器的通断来控制切换到所述滤波模块。
优选地，所述监测模块对并网逆变器的并网条件进行实时监测，如果并网条件不满足，则控制电路控制切断所述交流输出滤波器中的所有滤波模块，如果并网条件满足，则控制电路执行所述计算和控制步骤。
优选地，根据并网逆变器输出功率的范围跨度和并网逆变器对最低负载率情况下的谐波要求选取所述滤波模块的数量。
相应地，本发明提供一种并网逆变器的交流输出滤波方法，所述并网逆变器包括交流输出滤波器，该交流输出滤波器包括并联的多个可切换的滤波模块，其中每个滤波模块的功率容量为并网逆变器的不同输出功率，所述滤波方法包括：对并网逆变器的交流输出电压和电流进行实时监测；根据监测到的电压和电流计算并网逆变器的输出功率；和根据所计算的输出功率所属的功率等级控制切换到具有与该功率等级相应的功率容量的滤波模块，所述功率等级根据所述多个滤波模块的功率容量而划分。
优选地，在所述滤波模块每个包括串联的LC或LCL交流滤波器和第一交流接触器并且所述LC或LCL交流滤波器中的滤波电容支路包括串联的滤波电容和第二交流接触器的情况下，通过控制各个滤波模块中所包括的第一交流接触器和第二交流接触器的通断来控制切换到所述滤波模块。
优选地，该方法还包括：对并网逆变器的并网条件进行实时监测，如果并网条件不满足，则控制切断所述交流输出滤波器中的所有滤波模块，如果并网条件满足，则执行所述计算和控制步骤。
优选地，该方法还包括：根据并网逆变器输出功率的范围跨度和并网逆变器对最低负载率情况下的谐波要求选取所述滤波模块的数量。
从以上技术方案可看出，本发明根据并网逆变器的不同输出功率，在并网逆变器的交流输出滤波器中并联有多个按照不同功率等级设计的滤波模块，并根据并网逆变器的实时输出功率在这多个滤波模块之间进行相应的切换，从而使得无论并网逆变器的输出功率如何，并网逆变器的输出电流波形的THD均可满足相关标准的要求，并且有效地提高了并网逆变器在低负载率情况下的转换效率。
附图说明
图1是现有的三相全桥光伏并网逆变器的系统结构图；
图2是根据本发明实施例的三相全桥光伏并网逆变器的系统结构图；
图3是根据本发明实施例的并网逆变器交流输出滤波方法的流程图；
图4是根据现有技术的单滤波方式和根据本发明的双滤波方式的THD对比图；
图5是根据现有技术的单滤波方式和根据本发明的双滤波方式的转换效率对比图。
具体实施方式
以下，将参照附图和实施例对本发明进行描述。在以下描述中，将以三相全桥光伏并网逆变器作为示例进行说明，但是，应该理解，本发明并不限于三相全桥光伏并网逆变器，而是可同样地应用于任何类型的并网逆变器。
图1是现有的三相全桥光伏并网逆变器的系统结构图。如图1所示，该光伏并网逆变器包括PV电池板10、直流滤波器20、三相全桥电路30和交流输出滤波器40四个部分，其中，交流输出滤波器40的输入端与三相全桥电路30的输出端(即，并网逆变器的交流输出端)连接，交流输出滤波器40的输出端作为光伏并网逆变器的输出端接入电网。在现有技术中，交流输出滤波器中仅包括一个根据并网逆变器的额定输出功率设计的滤波模块，例如一个LC或LCL滤波器。
图2是根据本发明实施例的三相全桥光伏并网逆变器的系统结构图。如图2所示，该光伏并网逆变器的交流输出滤波器40由两个不同功率容量的滤波模块，即，滤波模块A和滤波模块B并联构成，其中，滤波模块A由交流滤波器A和交流接触器KA2串联构成，交流滤波器A中的电容支路由电容C1和交流接触器KA1串联构成；滤波模块B由交流滤波器B和交流接触器KB2串联构成，交流滤波器B中的电容支路由电容C2和交流接触器KB1串联构成。这里，定义滤波模块A为辅助滤波模块，定义滤波模块B为主滤波模块。
在仅包括两个并联滤波模块的情况下，主滤波模块(即，滤波模块B)的功率容量设计为光伏并网逆变器的额定输出功率，辅助滤波模块(即，滤波模块A)的功率容量通常可设计为光伏并网逆变器的额定输出功率的15％-30％。例如，对于额定输出功率为500kw的并网逆变器，可根据100kw(即，额定功率的20％)的功率容量来设计滤波模块A的电感L1和电容C1的参数，然后再根据电容C1的电流大小，选取与电容C1串联的交流接触器KA1的型号，交流接触器KA2的型号则根据并网逆变器的输出电流值的大小来选取。
为了实现各个滤波模块之间的切换，如图2所示，根据本发明的光伏并网逆变器还包括监测模块50和控制电路60，其中，监测模块50与并网逆变器的交流输出端连接，用于对并网逆变器的交流输出电压和电流进行实时监测；控制电路60连接在监测模块50和交流输出滤波器40之间，用于根据通过监测模块50监测到的电压和电流计算并网逆变器的输出功率，并根据所计算的输出功率所属的输出功率等级分别向交流输出滤波器40中所包括的滤波模块A和滤波模块B发送控制信号1和控制信号2来控制交流接触器KA1、KA2、KB1和KB2的通断，以使得切换到具有与该输出功率等级相应的功率容量的滤波模块。也就是说，通过监测模块50和控制电路60使得并网逆变器在不同的输出功率情况下选择不同的滤波模块对并网逆变器的交流输出进行滤波，以达到最佳的滤波效果。
这里，所述功率等级是根据交流输出滤波器40中所包括的多个滤波模块的功率容量来划分的。例如，在包括功率容量为500kw的主滤波模块和功率容量为100kw的辅助滤波模块的情况下，共分为两个功率等级，第一功率等级为500kw-100kw，第二功率等级为100kw以下。当并网逆变器的输出功率在第一功率等级范围内时，切换到主滤波模块进行滤波，当并网逆变器的输出功率在第二功率等级范围内时，切换到辅助滤波模块进行滤波。
从图2可看出，本发明与现有技术的不同之处在于，根据现有技术的交流输出滤波器40仅包括一个滤波模块(可称为单滤波方式)，而根据本发明的交流输出滤波器40则包括两个并联的滤波模块(可称为双滤波方式)。
但是，应该理解，根据本发明的交流输出滤波器40并不限于仅包括图2所示的双滤波模块，并联的滤波模块的数量取决于并网逆变器输出功率的范围跨度和逆变器对最低负载率情况下的谐波要求。一般来讲，如果并网逆变器输出功率跨度较大，而且谐波要求也很严格，那么电路中根据不同功率等级所并联的滤波模块就越多；如果并网逆变器输出功率跨度不是很大，谐波要求不是很严格，那么电路中并联的滤波模块也就相应的较少。通常，如果要求在5％的负载率情况下并网逆变器的输出并网电流谐波含量＜5％，则只需要选取2个滤波模块并联就可以了。此外，并联的滤波模块中的交流滤波器也不限于图2所示LC滤波器，例如还可以使用LCL滤波器作为滤波模块中的交流滤波器，此时，按照上述功率容量设计选取LCL滤波器中的各个元器件即可。
图3是由控制电路60执行的双滤波方法的流程图。在该方法中，如下设置状态字：
FLAG为滤波模块选择标志；
FALG＝1表示选择滤波模块A(辅助滤波模块)或者滤波模块A正在工作；
FLAG＝2表示选择滤波模块B(主滤波模块)或者滤波模块B正在工作；
RESTART为并网逆变器热启动标志；
RESTART＝1表示并网逆变器需要热启动；
RESTART＝0表示热启动过程完成。
如图3所示，在并网逆变器开始运行后，首先在步骤S301中对状态字进行初始化，令FLAG＝1，RESTRAT＝1。
接着，在步骤S302中，对并网逆变器的并网条件进行监测，这里，并网条件包括：1.电网电压、频率、幅值、相位符合设定并网条件；2.PV阵列电压达到逆变器的最小启动电压。只要这两个条件满足，逆变器即可并网运行。
如果不满足并网条件，则在步骤S303中，控制KA1、KA2、KB1和KB2都断开，并令FLAG＝1，RESTRAT＝1，然后跳转到步骤S302继续对并网条件进行监测。
如果满足并网条件，则在步骤S304中判断状态字RESTART是否等于1，即，判断并网逆变器是否需要热启动。如果RESTART＝0，即，表明并网逆变器的热启动过程已经完成，则跳转到步骤S310开始执行后续的实时切换操作。如果RESTART＝1，即，表明并网逆变器需要热启动，则首先在步骤S305中延迟3秒钟，这是因为在进行实时切换控制中，交流接触器实际硬件的断开需要一定的时间，为了给交流接触器KA1、KA2、KB1、KB2断开留有足够的时间，让交流接触器能够彻底地断开，所以需要延迟一定的时间，这里为了保险起见，延迟时间设为3秒钟，但是其实这个延迟时间可以是1秒到3秒之间的任何值。然后，在步骤S306中判断状态字FLAG是否等于1。如果状态字FLAG＝1，即，选择滤波模块A进行工作，则在步骤S307中控制断开KB1、KB2，闭合KA1、KA2。如果状态字FLAG≠1，即表明FLAG＝2，选择滤波模块A进行工作，则在步骤S308中控制断开KA1、KA2，闭合KB1、KB2。接着，在步骤S309中令RESTATR＝0，即，表明热启动过程完成，可以从步骤S310开始进行后续的实时切换操作。
在步骤S310中，根据监测模块50监测到的交流输出电压U0和I0电流计算并网逆变器的输出功率，即，
Figure BSA00000360554100071
接着，在步骤S311中，判断计算的输出功率P0是否大于设定的参考值P1。这里，P1应与辅助滤波模块(即，滤波模块A)的功率容量一致。例如，对于500kw逆变器，如果按照100kw设计滤波模块A，则P1应为100kw。根据如此设定的参考值P1，即可分为两个功率等级，第一功率等级为500kw-100kw，第二功率等级为100kw以下。
如果在步骤S311中判断P0＞P1，即，属于第一功率等级，则应该利用主滤波模块(即，滤波模块B)进行滤波，因此在步骤S312中判断FLAG是否等于1。如果FLAG＝1，则首先在步骤S313中，将KA1、KA2、KB1和KB2都断开，并分别在步骤S314和S315中令FLAG＝2和RESTART＝1，以便为切换到滤波模块B做准备，然后，再跳转到步骤S302继续进行监测。如果FLAG≠1，则表明FLAG＝2，此时滤波模块B正在工作，不需要改变，直接跳转到步骤S302继续进行监测。
如果在步骤S311中判断P0＜P1，即，属于第二功率等级，则应该利用辅助滤波模块(即，滤波模块A)进行滤波，因此在步骤S316中判断FLAG是否等于2。如果FLAG＝2，则首先在步骤S317中，将KA1、KA2、KB1和KB2都断开，并分别在步骤S318和S319中令FLAG＝1和RESTART＝1，以便为切换到滤波模块A做准备，然后，再跳转到步骤S302继续进行监测。如果FLAG≠2，则表明FLAG＝1，此时滤波模块A正在工作，不需要改变，直接跳转到步骤S302继续进行监测。
通过以上流程，控制电路60根据并网逆变器的实时输出功率来控制交流接触器KA1、KA2、KB1和KB2的通断状态，从而使得切换到具有与该输出功率所述功率等级相应的功率容量的滤波模块。
以下，将通过实验对比来说明本发明的技术效果。在下述实验对比中，并网逆变器的额定功率为500kw，标准要求设为逆变器输出电流THD＜5％(可参见标准IEEE 929-2000，《400V以下低压并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法》等)。
以下表1是500kw逆变器的单滤波方式与双滤波方式在不同负载率情况下关于总谐波含量(THD)和转换效率的实验对比分析。
表1
Figure BSA00000360554100081
图4和图5是表1所示实验数据的曲线图。从表1、图4和图5可看出，双滤波方式与单滤波方式相比，在低负载率情况下，THD明显下降，转换效率也有所提高。
以上已参照附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是，应该理解，本发明并不限于以上所公开的具体实施例，任何本领域的技术人员在此基础之上容易想到的修改和变型都应包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种并网逆变器，包括：
交流输出滤波器，其包括并联的多个可切换的滤波模块，其中每个滤波模块的功率容量为并网逆变器的不同输出功率；
监测模块，其与并网逆变器的交流输出端连接，用于对并网逆变器的交流输出电压和电流进行实时监测；和
控制电路，其连接在监测模块和交流输出滤波器之间，用于根据通过监测模块监测到的电压和电流计算并网逆变器的输出功率，并根据所计算的输出功率所属的功率等级控制切换到具有与该功率等级相应的功率容量的滤波模块，所述功率等级根据所述多个滤波模块的功率容量而划分。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征在于，
所述滤波模块每个包括串联的LC或LCL交流滤波器和第一交流接触器，所述LC或LCL交流滤波器中的滤波电容支路包括串联的滤波电容和第二交流接触器，
所述控制电路通过控制各个滤波模块中所包括的第一交流接触器和第二交流接触器的通断来控制切换到所述滤波模块。
3.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征在于，
所述监测模块对并网逆变器的并网条件进行实时监测，如果并网条件不满足，则控制电路控制切断所述交流输出滤波器中的所有滤波模块，如果并网条件满足，则控制电路执行所述计算和控制步骤。
4.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征在于，
根据并网逆变器输出功率的范围跨度和并网逆变器对最低负载率情况下的谐波要求选取所述滤波模块的数量。
5.一种并网逆变器的交流输出滤波方法，所述并网逆变器包括 交流输出滤波器，该交流输出滤波器包括并联的多个可切换的滤波模块，其中每个滤波模块的功率容量为并网逆变器的不同输出功率，所述滤波方法包括：
对并网逆变器的交流输出电压和电流进行实时监测；
根据监测到的电压和电流计算并网逆变器的输出功率；和
根据所计算的输出功率所属的功率等级控制切换到具有与该功率等级相应的功率容量的滤波模块，所述功率等级根据所述多个滤波模块的功率容量而划分。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述滤波模块每个包括串联的LC或LCL交流滤波器和第一交流接触器并且所述LC或LCL交流滤波器中的滤波电容支路包括串联的滤波电容和第二交流接触器，通过控制各个滤波模块中所包括的第一交流接触器和第二交流接触器的通断来控制切换到所述滤波模块。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
对并网逆变器的并网条件进行实时监测，如果并网条件不满足，则控制切断所述交流输出滤波器中的所有滤波模块，如果并网条件满足，则执行所述计算和控制步骤。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
根据并网逆变器输出功率的范围跨度和并网逆变器对最低负载率情况下的谐波要求选取所述滤波模块的数量。 
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