CN102074968A - 光伏微型并网逆变器控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光伏并网发电技术领域，特别涉及一种光伏微型并网逆变器控制装置及其控制方法。本发明的微型光伏并网逆变器采用反激逆变器作为拓扑结构，针对传统断续导通模式存在大功率运行时原边峰值电流过大，小功率运行时效率太低的问题，本发明依据逆变器功率大小采用不同的控制方式，在大功率运行时采用临界导通模式，即可以实现电流型并网，又能够减小原边峰值电流；在中等功率运行时采用断续导通模式，此时原边峰值电流不是特别大，而且避免了临界导通模式时开关管随功率减小其开关频率增大的问题；在小功率时采用burst模式，每隔一端时间以一定功率进行并网，可以解决小功率效率低的问题。

Description

光伏微型并网逆变器控制装置及其控制方法

技术领域：

本发明属于光伏并网发电技术领域，特别涉及一种光伏微型并网逆变器控制装置及其控制方法。

背景技术：

光伏建筑一体并网系统容易受周围建筑、树木等物体的遮挡而形成局部阴影，将传统集中式并网逆变系统应用于这些场合，由于受遮挡组件电流急剧下降，限制其它组件电流输出的影响，造成光伏系统输出功率的急剧减小。微型光伏并网逆变器在每块光伏组件背面安装一个集成各种保护及控制功能的微型逆变器，由微型逆变器将电能变换成交流电后直接并入电网，若干相同模块与电网并联构成光伏并网发电系统。相比于传统的集中式光伏并网发电系统，微型光伏并网逆变器每个模块进行最大功率点跟踪，可以降低组件不匹配或局部阴影造成的功率损耗，提高系统的效率；每个模块成为“即插即用”的标准化模块，可以根据不同建筑物形状和面积选择模块数量，增加系统灵活性，同时方便系统今后扩容，因此，微型光伏并网逆变器特别适合于容易遭受局部遮挡的光伏建筑一体发电系统。

许多用于微型光伏并网逆变器的拓扑及其相应的控制策略被报道，其中以Buck-Boost逆变器和反激逆变器为典型，Buck-Boost逆变器采用四个或五个开关实现升压和逆变，而反激逆变器仅采用三个开关，结构上优于Buck-Boost逆变器。但是目前反激逆变器应用于微型光伏并网系统时，为了能够实现电流型并网，反激逆变器一般工作在断续导通模式，导致逆变器在额定功率时原边峰值电流很大，势必需要增大功率开关管的容量及原边绕组的线径，而逆变器工作在小功率时，又存在系统效率不高的问题，因此，断续导通模式并不能满足微型光伏并网逆变器的全范围最优控制。本发明根据逆变器功率大小采用不同的导通模式，在大功率运行时采用临界导通模式，即可以实现电流型并网，又能够减小原边峰值电流；在中等功率运行时采用断续导通模式，此时原边峰值电流不是特别大，而且避免了临界导通模式随功率减小其开关频率增大的问题；在小功率时采用burst模式，每隔一端时间以一定功率进行并网，可以解决小功率效率低的问题。

发明内容

本发明采用反激逆变器作为微型光伏并网逆变器拓扑结构，针对传统断续导通模式在大功率运行时原边峰值电流过大，小功率运行时效率太低的问题，本发明依据逆变器功率大小采用不同的控制方式，在大功率运行时采用临界导通模式，即可以实现电流型并网，又能够减小原边峰值电流；在中等功率运行时采用断续导通模式，此时原边峰值电流不是特别大，而且避免了临界导通模式随功率减小其开关频率增大的问题；在小功率时采用burst模式，每隔一端时间以一定功率进行并网，可以解决小功率效率低的问题。

根据上诉的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种光伏微型并网逆变器控制装置，包括一个数字信号处理器、一个反激逆变器主电路，由一个电压传感器和一个电流传感器检测光伏电池输出电压和电流后输入数字信号处理器，一个电压传感器检测电网电压后输入一个电网电压过零点检测器，所述的电网电压过零点检测器将检测到的电网电压信号进行过零点信号处理后输入数字信号处理器，一个电流传感器检测反激变压器副边电流后输入零电流检测器，所述的零电流检测器进行信号处理后将反激变压器副边零电流信号输入数字信号处理器，数字信号处理器根据输入的电网电压过零点信号生成驱动信号S₂和S₃，所述的驱动信号经驱动电路功率放大后驱动开关管T₂和开关管T₃，数字信号处理器根据光伏电池电压信号和光伏电池电流信号得到峰值电流包络线和脉冲信号S₁后输入峰值电流控制器，所述的峰值电流控制器生成驱动信号驱动开关管T₁。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置中，所述的电流传感器采用电阻电流采样电路、或霍尔电流传感器电路；所述的电压传感器采用分压电路、或霍尔电压传感器电路；所述的电压传感器采用分压电路、或霍尔电压传感器电路、或电压互感器电路；所述的电流传感器采用电阻电流采样电路、或霍尔电流传感器电路、或反激变压器辅助绕组电路。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置中，所述的电网电压过零点检测器由数字处理器或模拟电路构成，根据采样得到的电网电压信号与零电压相比较，生成电网电压正半周过零点信号和负半周过零点信号，同时计算获得电网峰值电压U_m；所述的零电流检测器由数字处理器或模拟电路构成，生成反激变压器副边零电流信号。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置中，所述的驱动电路采用富士电机的EXB841、或日本英达的HR065、或日本三菱的M57962L、或夏普的PC923、或Agilent的HCPL-3120、或HCPL-316J、或美国IR公司的IR2110、或IR2130驱动电路。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置中，所述的峰值电流控制器根据数字信号处理器的脉冲信号S₁生成开通信号，当检测到反激变压器原边电流大于数字信号处理器输入的峰值电流包络线时生成关断信号。

一种用于光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，所述的数字信号处理器根据电网电压正半周过零点信号和负半周过零点信号生成驱动信号S₂和S₃，电网电压正半周时导通开关管T₂，关断开关管T₃；电网电压负半周时导通开关管T₃，关断开关管T₂；

一种用于光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，控制步骤如下：

①将电流传感器检测的光伏电池输出电流i_pv和电压传感器检测的光伏电池输出电压u_pv输入到数字信号处理器；

②数字信号处理器计算光伏电池输出功率P_pv＝u_pv*i_pv；

③运行最大功率点跟踪算法，生成并网电流设定值I_m；

④光伏电池输出功率P_pv与设定功率域值P_域值1相比较，如果P_pv＞P_域值1，启动临界导通模式后结束；否则跳到步骤⑤；

⑤启动断续导通模式；

⑥光伏电池输出功率P_pv与设定功率域值P_域值2相比较，如果P_pv＜P_域值2，设定并网电流I_burst，启动burst模式后结束；否则直接结束；

上述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，所述控制步骤在电网电压正半周过零点信号或电网电压负半周过零点信号时运行；所述的功率域值P_域值1为临界导通模式和断续导通模式切换的设定功率值，P_域值1为30％～50％额定功率之间；所述的功率域值P_域值2为启动burst模式的设定功率值，P_域值2为10％～20％额定功率之间。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，临界导通模式时，所述的数字信号处理器根据电网电压过零点信号计算当前时刻电网电压运行角度θ，将光伏电池输出电压u_pv、电网峰值电压U_m、由最大功率点跟踪生成的并网设定电流I_m、反激变压器副边和原边匝数倍数n，电网角度θ输入公式

生成峰值电流包络线输入峰值电流控制器，当检测到副边零电流信号生成脉冲信号S₁。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，断续导通模式时，所述的数字信号处理器根据电网电压过零点信号计算当前时刻电网电压运行角度θ，由当前运行角度θ和最大功率点跟踪算法获得的并网设定电流I_m生成正弦波峰值电流包络线I_msinθ输入峰值电流控制器，数字信号处理器每隔固定时间生成脉冲信号S₁。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，根据光伏电池电压u_pv控制burst模式，当u_pv＞U_H时运行burst模式，设定正弦峰值包络线I_burst*sinθ，开关管T₁的控制方式同上述断续导通模式，当u_pv＜U_L时关断开关管T₁，U_H为burst模式时光伏电池设定电压上限域值，U_L为burst模式时光伏电池设定电压下限域值

附图说明

图1是本发明的光伏微型并网逆变器控制装置结构框图。

图2是光伏微型并网逆变器控制方法流程图。

图3是临界导通模式电流波形示意图。

图4是断续导通模式电流波形示意图。

图5是Burst模式电流波形示意图。

图6是临界导通模式给定正弦峰值包络线时并网电流、电网电压波形。

图7是临界导通模式本发明给定峰值包络线时并网电流、电网电压波形。

具体实施方法

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

参见图1，一种光伏微型并网逆变器控制装置，包括一个数字信号处理器1、一个反激逆变器主电路10，由一个电压传感器6和一个电流传感器5检测光伏电池输出电压和电流后输入数字信号处理器1，一个电压传感器8检测电网电压后输入一个电网电压过零点检测器，所述的电网电压过零点检测器将检测到的电网电压信号进行过零点信号处理后输入数字信号处理器1，一个电流传感器7检测反激变压器副边电流后输入零电流检测器4，所述的零电流检测器4进行信号处理后将反激变压器副边零电流信号输入数字信号处理器1，数字信号处理器1根据输入的电网电压过零点信号生成驱动信号S₂和S₃，所述的驱动信号经驱动电路3功率放大后驱动开关管T₂和开关管T₃，数字信号处理器1根据光伏电池电压信号和光伏电池电流信号得到峰值电流包络线和脉冲信号S₁后输入峰值电流控制器9，所述的峰值电流控制器9生成驱动信号驱动开关管T₁。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置中，所述的电流传感器5采用电阻电流采样电路、或霍尔电流传感器电路；所述的电压传感器6采用分压电路、或霍尔电压传感器电路；所述的电压传感器8采用分压电路、或霍尔电压传感器电路、或电压互感器电路；所述的电流传感器7采用电阻电流采样电路、或霍尔电流传感器电路、或反激变压器辅助绕组电路。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置中，所述的电网电压过零点检测器由数字处理器或模拟电路构成，根据采样得到的电网电压信号与零电压相比较，生成电网电压正半周过零点信号和负半周过零点信号，同时计算获得电网峰值电压U_m；所述的零电流检测器由数字处理器或模拟电路构成，生成反激变压器副边零电流信号。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置中，所述的驱动电路3采用富士电机的EXB841、或日本英达的HR065、或日本三菱的M57962L、或夏普的PC923、或Agilent的HCPL-3120、或HCPL-316J、或美国IR公司的IR2110、或IR2130驱动电路。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置中，所述的峰值电流控制器根据数字信号处理器1的脉冲信号S₁生成开通信号，当检测到反激变压器原边电流大于数字信号处理器1输入的峰值电流包络线时生成关断信号。

一种用于光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，所述的数字信号处理器1根据电网电压正半周过零点信号和负半周过零点信号生成驱动信号S₂和S₃，电网电压正半周时导通开关管T₂，关断开关管T₃；电网电压负半周时导通开关管T₃，关断开关管T₂；

参见图2，一种用于光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，控制步骤如下：

①将电流传感器5检测的光伏电池输出电流i_pv和电压传感器6检测的光伏电池输出电压u_pv输入到数字信号处理器1；

②数字信号处理器1计算光伏电池输出功率P_pv＝u_pv*i_pv；

③运行最大功率点跟踪算法，生成并网电流设定值I_m；

④光伏电池输出功率P_pv与设定功率域值P_域值1相比较，如果P_pv＞P_域值1，启动临界导通模式后结束；否则跳到步骤⑤；

⑤启动断续导通模式；

⑥光伏电池输出功率P_pv与设定功率域值P_域值2相比较，如果P_pv＜P_域值2，设定并网电流I_burst，启动burst模式后结束；否则直接结束；

上述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，所述控制步骤在电网电压正半周过零点信号或电网电压负半周过零点信号时运行；所述的功率域值P_域值1为临界导通模式和断续导通模式切换的设定功率值，P_域值1为30％～50％额定功率之间；所述的功率域值P_域值2为启动burst模式的设定功率值，P_域值2为10％～20％额定功率之间。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，临界导通模式时，所述的数字信号处理器1根据电网电压过零点信号计算当前时刻电网电压运行角度θ，将光伏电池输出电压u_pv、电网峰值电压U_m、由最大功率点跟踪生成的并网设定电流I_m、反激变压器副边和原边匝数倍数n，电网角度θ输入公式生成峰值电流包络线输入峰值电流控制器9，当检测到副边零电流信号生成脉冲信号S₁。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，断续导通模式时，所述的数字信号处理器1根据电网电压过零点信号计算当前时刻电网电压运行角度θ，由当前运行角度θ和最大功率点跟踪算法获得的并网设定电流I_m生成正弦波峰值电流包络线I_msinθ输入峰值电流控制器9，数字信号处理器1每隔固定时间生成脉冲信号S₁。

上述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，根据光伏电池电压u_pv控制burst模式，当u_pv＞U_H时运行burst模式，设定正弦峰值包络线I_burst*sinθ，开关管T₁的控制方式同上述断续导通模式，当u_pv＜U_L时关断开关管T₁，U_H为burst模式时光伏电池设定电压上限域值，U_L为burst模式时光伏电池设定电压下限域值

应当理解的是，对本发明所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等同改变或替换，而所有这些改变或替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

本光伏微型并网逆变器控制装置及控制方法的原理简述如下：

如图6所示，反激逆变器工作在临界导通模式时，利用正弦包络线峰值控制会导致输出并网电流谐波很大，不符合光伏并网的要求，这主要是由于临界导通模式时载波频率随峰值电流的大小而变化，在正弦波电流过零点附近载波频率最高，而在正弦波电流峰值处载波频率最低。为了满足高质量的并网发电，需要对临界导通模式时峰值包络线进行修正，以便能够实现正弦波并网。

假设电网电压和单位功率因数并网电流表达式为：

U_grid＝U_msinωt                 (1)

I_grid＝I_msinωt                  (2)

反激变压器副边电流为三角波脉冲，设其峰值为I_s，p、导通时间为T_off、载波周期为T_s，则副边电流的平均值为：

$I_{s,\mathrm{av}}=\frac{1}{2}\·I_{s,p}\·\frac{T_{\mathrm{off}}}{T_s}=I_m\sin \mathrm{\ωt}---\left(3\right)$

反激变压器原边电流同样为三角脉冲波，其导通时间为：

$T_{\mathrm{on}}=L_p\·\frac{I_p^{*}\left(\mathrm{\ωt}\right)}{V_{\mathrm{in}}}---\left(4\right)$

式中

为原边峰值电流，V_in为输入电源电压，L_p为变压器原边电感。

假设反激变压器原、副边匝数比为1∶n，则原、副边的电流峰值关系为：

$I_{s,p}=\frac{I_p^{*}\left(\mathrm{\ωt}\right)}{n}---\left(5\right)$

副边续流导通时间为：

$T_{\mathrm{off}}=L_s\·\frac{I_{s\·P}}{U_{\mathrm{grid}}}=\frac{L_p{n}^2{I}_{s\·P}}{U_{\mathrm{grid}}}---\left(6\right)$

将式(1)、式(5)带入得：

$T_{\mathrm{off}}=\frac{{\mathrm{nL}}_p\·I_p^{*}\left(\mathrm{\ωt}\right)}{U_m\sin \mathrm{\ωt}}---\left(7\right)$

比较式(4)、式(7)可得：

$T_{\mathrm{off}}=\frac{n\·V_{\mathrm{in}}}{U_m\sin \mathrm{\ωt}}{T}_{\mathrm{on}}---\left(8\right)$

反激变压器工作在BCM模式，所以其工作周期为：

$T_s=T_{\mathrm{on}}+T_{\mathrm{off}}=(1+\frac{n{V}_{\mathrm{in}}}{U_m\sin \mathrm{\ωt}})T_{\mathrm{on}}---\left(9\right)$

将式(7)、式(9)带入式(3)得：

$I_{s,\mathrm{av}}=I_m\·\sin \mathrm{\ωt}=\frac{1}{2}\·\frac{I_p^{*}\left(\mathrm{\ωt}\right)}{n}\·\frac{\frac{n\·V_{\mathrm{in}}}{U_m\sin \mathrm{\ωt}}{T}_{\mathrm{on}}}{(1+\frac{n{V}_{\mathrm{in}}}{U_m\sin \mathrm{\ωt}})T_{\mathrm{on}}}=\frac{1}{2}\·\frac{V_{\mathrm{in}}\·I_p^{*}\left(\mathrm{\ωt}\right)}{U_m\sin \mathrm{\ωt}+n\·V_{\mathrm{in}}}---\left(10\right)$

化简得：

$I_p^{*}\left(\mathrm{\ωt}\right)=\frac{2\·I_m{U}_m}{V_{\mathrm{in}}}{\sin }^2\left(\mathrm{\ωt}\right)+2n\·I_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(11\right)$

图7所示为临界导通模式时采用式(11)包络线进行峰值电流控制，图中并网电流完全实现了正弦波。

Claims (11)

1.一种光伏微型并网逆变器控制装置，包括一个数字信号处理器(1)、一个反激逆变器主电路(10)，其特征在于：由一个电压传感器(6)和一个电流传感器(5)检测光伏电池输出电压和电流后输入数字信号处理器(1)，一个电压传感器(8)检测电网电压后输入一个电网电压过零点检测器，所述的电网电压过零点检测器将检测到的电网电压信号进行过零点信号处理后输入数字信号处理器(1)，一个电流传感器(7)检测反激变压器副边电流后输入零电流检测器(4)，所述的零电流检测器(4)进行信号处理后将反激变压器副边零电流信号输入数字信号处理器(1)，数字信号处理器(1)根据输入的电网电压过零点信号生成驱动信号S₂和S₃，所述的驱动信号经驱动电路(3)功率放大后驱动开关管T₂和开关管T₃，数字信号处理器(1)根据光伏电池电压信号和光伏电池电流信号得到峰值电流包络线和脉冲信号S₁后输入峰值电流控制器(9)，所述的峰值电流控制器(9)生成驱动信号驱动开关管T₁。

2.根据权利要求1所述的光伏微型并网逆变器控制装置，其特征在于所述的电流传感器(5)采用电阻电流采样电路、或霍尔电流传感器电路；所述的电压传感器(6)采用分压电路、或霍尔电压传感器电路；所述的电压传感器(8)采用分压电路、或霍尔电压传感器电路、或电压互感器电路；所述的电流传感器(7)采用电阻电流采样电路、或霍尔电流传感器电路、或反激变压器辅助绕组电路。

3.根据权利要求1所述的光伏微型并网逆变器控制装置，其特征在于所述的电网电压过零点检测器由数字处理器或模拟电路构成，根据采样得到的电网电压信号与零电压相比较，生成电网电压正半周过零点信号和负半周过零点信号，同时计算获得电网峰值电压U_m；所述的零电流检测器由数字处理器或模拟电路构成，生成反激变压器副边零电流信号。

4.根据权利要求1所述的光伏微型并网逆变器控制装置，其特征在于所述的驱动电路(3)采用富士电机的EXB841、或日本英达的HR065、或日本三菱的M57962L、或夏普的PC923、或Agilent的HCPL-3120、或HCPL-316J、或美国IR公司的IR2110、或IR2130驱动电路。

5.根据权利要求1所述的光伏微型并网逆变器控制装置，其特征在于所述的峰值电流控制器根据数字信号处理器(1)的脉冲信号S₁生成开通信号，当检测到反激变压器原边电流大于数字信号处理器(1)输入的峰值电流包络线时生成关断信号。

6.一种用于根据权利1所述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，其特征在于所述的数字信号处理器(1)根据电网电压正半周过零点信号和负半周过零点信号生成驱动信号S₂和S₃，电网电压正半周时导通开关管T₂，关断开关管T₃；电网电压负半周时导通开关管T₃，关断开关管T₂；

7.一种用于根据权利1所述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，其特征在于控制步骤如下：

①将电流传感器(5)检测的光伏电池输出电流i_pv和电压传感器(6)检测的光伏电池输出电压u_pv输入到数字信号处理器(1)；

②数字信号处理器(1)计算光伏电池输出功率P_pv＝u_pv*i_pv；

③运行最大功率点跟踪算法，生成并网电流设定值I_m；

④光伏电池输出功率P_pv与设定功率域值P_域值1相比较，如果P_pv＞P_域值1，启动临界导通模式后结束；否则跳到步骤⑤；

⑤启动断续导通模式；

⑥光伏电池输出功率P_pv与设定功率域值P_域值2相比较，如果P_pv＜P_域值2，设定并网电流I_burst，启动burst模式后结束；否则直接结束；

8.根据权利要求7所述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，其特征在于所述控制步骤在电网电压正半周过零点信号或电网电压负半周过零点信号时运行；所述的功率域值P_域值1为临界导通模式和断续导通模式切换的设定功率值，P_域值1为30％～50％额定功率之间；所述的功率域值P_域值2为启动burst模式的设定功率值，P_域值2为10％～20％额定功率之间。

9.根据权利要求7所述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，其特征在于临界导通模式时，所述的数字信号处理器(1)根据电网电压过零点信号计算当前时刻电网电压运行角度θ，将光伏电池输出电压u_pv、电网峰值电压U_m、由最大功率点跟踪生成的并网设定电流I_m、反激变压器副边和原边匝数倍数n，电网角度θ输入公式

生成峰值电流包络线输入峰值电流控制器(9)，当检测到副边零电流信号生成脉冲信号S₁。

10.根据权利要求7所述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，其特征在于断续导通模式时，所述的数字信号处理器(1)根据电网电压过零点信号计算当前时刻电网电压运行角度θ，由当前运行角度θ和最大功率点跟踪算法获得的并网设定电流I_m生成正弦波峰值电流包络线I_msinθ输入峰值电流控制器(9)，数字信号处理器(1)每隔固定时间生成脉冲信号S₁。

11.根据权利要求7所述的光伏微型并网逆变器控制装置的控制方法，其特征在于根据光伏电池电压u_pv控制burst模式，当u_pv＞U_H时运行burst模式，设定正弦峰值包络线I_burst*sinθ，开关管T₁的控制方式同上述断续导通模式，当u_pv＜U_L时关断开关管T₁，U_H为burst模式时光伏电池设定电压上限域值，U_L为burst模式时光伏电池设定电压下限域值。

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