CN102931678B - 一种双交错反激式光伏并网微逆变器及其控制方法 - Google Patents

一种双交错反激式光伏并网微逆变器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双交错反激式光伏并网微逆变器及其控制方法，包括直流侧电容、双反激变换器、换流桥和输出滤波器；双交错反激变换器的两个高频变压器均具有双副边绕组结构，既保证了任何时候系统工作在交错反激模式下，又降低了系统对高频变压器饱和电流和磁芯、输入输出电容和功率MOSFET额定电流的要求；换流桥仅采用两个晶闸管组成，采用“主动式”换流方法，在保证系统可靠性的前提下也兼顾并网电流波形质量；该双交错反激式光伏并网微逆变器能够无污染、高效地转换和传输能量，同时具有结构紧凑、成本低廉和可靠实用的特点。

Description

一种双交错反激式光伏并网微逆变器及其控制方法
技术领域
本发明属于新能源光伏并网发电领域，特别涉及一种双交错反激式光伏并网微逆变器及其控制方法。
背景技术
能源作为人类社会发展的核心要素和关键推动力，随着人类社会的发展，当前的能源结构越发突显出其不足之处，如常规能源的耗竭，环境不友好性。太阳能以其丰富性，清洁性，受到了越来越多的关注。规模化发展太阳能有利于应对日益增长的能源需求，缓解能源危机，降低环境污染。许多发达国家为实现能源可持续发展，积极推广屋顶计划和外墙式光伏并网发电技术，其成功经验和有益效果对我们发展光伏并网发电技术，有效利用太阳能具有建设性指导意义。
早期使用集中式光伏并网逆变器，即大量光伏组件串并联后连接至一个集中式光伏并网逆变器。虽然这种结构能够提供足够高的直流电压，从而省掉升压环节，但是它在以下三方面的不足严重局限了它的广泛持续应用：（1）高直流母线电压在增加器件电压应力的同时降低了系统的安全系数，高压直流电缆也增加了系统成本；（2）光伏组件特性不完全匹配、遮挡和环境温差等因素的存在使得集中式最大功率点跟踪无法实现最大化光伏组件的能量输出；（3）逆变器是依据具体工作条件设计而得，扩展灵活性差。
光伏并网微逆变器集成有控制和各种保护作用，可直接将单个光伏组件所形成的30～70V较低的直流转换为满足要求的交流注入电网，可以安装在每个光伏组件背面而不占用额外的空间，若干相同光伏微逆变器模块可并联组成分布式光伏并网发电系统。由于每块光伏组件对应一个并网逆变器，因此可以实现单块组件的最大功率点跟踪，消除了光伏组件老化、不一致、遮挡等因素对系统整体效率的影响，提高了发电总量；模块化并联，系统无单点故障，有利于快速诊断和改进，系统扩展灵活；智能化通讯方式，使得监控系统可跟踪至单块组件，为智能电网的应用奠定基础；直流母线电压即光伏组件电压，系统无高电压，降低了对器件的应力，安装安全方便，真正做到即插即用。
目前广泛使用反激式变换器构成两级式光伏并网逆变器，第一级反激变换器调制其输出电流跟踪整流正弦波，第二级全桥变换器进行工频调制，将整流正弦电流“展开”为正弦电流并网。为了消除输入电流纹波，减小输入侧电容容量大小，减小磁芯体积和半导体器件的额定电流，一般采用交错反激式变换器。然而仍然存在以下几点不足：（1）两级式交错反激光伏并网逆变器在结构上不够紧凑，系统功率密度偏低；（2）直流侧输入电容依然偏大，功率器件电压电流应力较大，尤其是工作在电流断续模式的时候，使得整机效率不够高，质保寿命与光伏组件无法接近一致；（3）为保证系统可靠换流，全桥变换器在电流过零时插入了比较大的死区，并网电流在过零点的较大畸变降低了并网电流波形质量。
发明内容
本发明涉及一种双交错反激式光伏并网微逆变器拓扑结构及其控制方法，其目的在于克服两级式交错反激光伏并网逆变器在结构上不够紧凑，系统功率密度偏低；整机效率不够高，质保寿命与光伏组件无法接近一致；全桥变换器在电流过零时存在比较大的死区，并网电流在过零点的较大畸变降低了并网电流波形质量的问题，为解决上述问题，采用如下技术方案：
一种双交错反激式光伏并网微逆变器，包括直流侧电容CPV、双反激变换器、换流桥和输出滤波器；直流侧电容CPV与光伏电池并联；
所述双反激变换器包括第一变压器T1、第二变压器T2、第一反向阻断型功率开关SPV1、第二反向阻断型功率开关SPV2以及4个电力二极管Drect1、Drect2、Drect3和Drect4；
输出滤波器包括滤波电容Cgrid和滤波电感Lgrid；
换流桥由第一晶闸管Sac1和第二晶闸管Sac2组成，Sac1和Sac2分别构成正向换流桥臂和负向换流桥臂；
第一反向阻断型功率开关SPV1的S极接光伏电池的负极，第一反向阻断型功率开关SPV1的D极通过第一变压器T1的原边接光伏电池的正极；第二反向阻断型功率开关SPV2的S极通过第二变压器T2的原边接光伏电池的负极，第二反向阻断型功率开关SPV2的D极接光伏电池的正极；
图1中绕组的上端为第一端，绕组的下端为第二端；
第一变压器T1的副边第一绕组的第一端接Drect1的正极，Drect1的负极接Sac2的正极，Sac2的负极接第二变压器T2的副边第一绕组的第一端；第二变压器T2的副边第一绕组的第二端接Drect4的正极，Drect4的负极接Sac1的正极，Sac1的负极接第一变压器T1的副边第一绕组的第二端；
第一变压器T1的副边第一绕组的第二端接第二变压器T2的副边第二绕组的第一端，第二变压器T2的副边第二绕组的第二端接Drect3的正极，Drect3的负极接Drect1的负极；
第一变压器T1的副边第二绕组的第二端接第二变压器T2的副边第一绕组的第一端，第一变压器T1的副边第二绕组的第一端接Drect2的正极，Drect2的负极接Drect4的负极；
第一变压器T1中，与光伏电池正极相连的原边绕组的一端、副边第一绕组的第二端以及副边第二绕组的第二端为同名端；
第二变压器T2中，与第二反向阻断型功率开关SPV2的S极相连的原边绕组的一端、副边第一绕组的第一端以及副边第二绕组的第一端为同名端；
Cgrid接于Sac1的正极和Sac2的正极之间；
Lgrid的一端接Sac2的正极，Lgrid的另一端与Sac1的正极接入到电网中。
一种双交错反激式光伏并网微逆变器的控制方法，采用基于上述的双交错反激式光伏并网微逆变器，其控制方法为：
步骤1：采用锁相环检测电网相位角度θ；
步骤2：计算参考整流并网电流iref，按iref＝Impp·sin(θ)计算，其中Impp为利用最大功率点跟踪法计算得到的参考并网电流峰值；
最大功率点跟踪法：是以光伏电池的平均输出电压和平均输出电流为输入，参考并网电流峰值为它的输出，具有跟踪光伏电池最大功率点的功能；
步骤3：通过并网电流峰值控制器计算得到开关管占空比的主控制量D，叠加均流附加控制量ΔD后经调制器输出脉冲信号控制SPV1和SPV2的通断；
步骤4：依据电网相位角度θ判别并网电流方向，以此控制正向和负向换流桥臂中的晶闸管Sac1和Sac2的通断；
在θ∈[0°,180°)时，开通Sac1，关闭Sac2；在θ∈[180°,360°)时，开通Sac2，关闭Sac1；
步骤5：对均流控制计数器A加1，接着对均流控制计数器A进行判断，若均流控制计数器A达到设定值N，则执行并联均流控制，即利用流经功率开关SPV1和SPV2电流之差，均流控制器计算出均流附加占空比，然后，对均流控制计数器A进行清零处理后，进入步骤6；否则，若均流控制计数器A未达到设定值N，则直接进入步骤6；
步骤6：对MPPT计数器B加1，接着对MPPT计数器B进行判断，若MPPT计数器B达到设定值M，则进行MPPT控制，MPPT即Maximum Power Point Tracking是最大功率点跟踪，根据每个MPPT周期内采样到的光伏电池端电压和输出电流，计算光伏电池平均输出电压和电流，采用扰动观察法，计算出参考并网电流峰值，对MPPT计数器B清零后，接着返回步骤1；否则，即若MPPT计数器B未达到设定值M，则直接返回步骤1；
所述步骤5中均流控制的操作执行频率范围为10～20KHz,结合选用的控制器主频，利用控制器主频除以均流控制器的操作执行频率得到值C，设定均流控制计数器A的计数值N，N=1/C；
所述步骤6中MPPT控制器执行频率为1～10Hz，结合选用的控制器主频，利用控制器主频除以MPPT控制器的操作执行频率得到值D，设定MPPT计数器的计数值M，M=1/D。
所述的步骤4中并网电流方向判别及控制步骤如下：
步骤1：如果电网相位角度θ进入过零区间[α,β]，关闭功率开关SPV1和SPV2以及当前导通的换流桥臂，并进入等待切换到另一组桥臂导通的状态；
步骤2：检测电网是否存在电压过零信号，若存在电压过零信号，并且电网相位角度已经离开过零区间[α,β]，则进入步骤3；否则直接退出并网电流方向控制；
步骤3：对并网电流状态是否处于第一、第二象限进行判断，若是，则将当前并网电流切换到第三、第四象限；否则，将并网电流切换到第一、第二象限。
所述过零区间[α,β]可依据所选用的换流晶闸管的开关性能设置，其中，α取决于并网电流下降时间和所选用晶闸管的关断延时，所设置的α要保证并网电流下降到零后电网过零前当前已开通换流桥臂的晶闸管能可靠关断，参照选用的晶闸管数据手册中的关断延时设置，在晶闸管关断延时标准上延长5%～10%；β取决于所选用晶闸管的反向阻断恢复延时以及硬件过零检测的灵敏度，所设置的β要保证电网可靠过零后即将开通的换流桥臂能够安全开通，参照选用的晶闸管数据手册中的正向阻断恢复时间设置，在晶闸管正向阻断恢复时间标准上延长5%～10%。
图1和图2中均只有一个光伏电池，为了绘图简洁才绘制成图示式样；
所述均流控制是使交错并联的两个反激变换器原边电流相等，实现均摊负载；
所述MPPT控制是指找到光伏电池输出功率最大的那个点，MPPT通过调节参考并网电流峰值，使得在外界光照、温度等环境变化时，使得光伏电池依然工作在最大功率输出点，从而最大化输出光伏电池的能量。
微逆变器(也叫交流模块)通常功率在100W～300W，常规的光伏逆变器一般功率在1KW～5KW。
有益效果
本发明提出了一种双交错反激式光伏并网微逆变器及其控制方法，高频变压器采用双副边绕组结构，高频变压器频率范围为100KHz～300KHz，使用两个晶闸管即可构成换流桥，在一定程度上简化了主电路，提高系统效率，降低系统成本；高频变压器采用双副边绕组结构，在电网电压的正半周，第一变压器T1的#1副边绕组和第二变压器T2的#2副边绕组交错工作，在电网电压的负半周，第一变压器T1的#2副边绕组和第二变压器T2的#1副边绕组交错工作，既保证了任何时候系统均能够工作在交错反激模式下，又降低了系统对高频变压器饱和电流和磁芯体积、输入输出电容容量和功率MOSFET额定电流的要求；本发明采用的“主动式”换流方法，即电网电压即将过零时就开始切换并网电流方向，结合工程实践整定法，在保证系统可靠性的前提下也兼顾了并网电流波形质量。
附图说明
图1是本发明双交错反激式光伏并网微逆变器拓扑结构图，其中图示两个光伏组件为同一个光伏组件，图示直流侧电容两个电容CPV也为同一个；
图2是本发明双交错反激式光伏并网微逆变器控制框图；
其中对电网电压信号不仅采样其幅值，而且检测其过零信号；
图3是本发明双交错反激式光伏并网微逆变器功率器件驱动信号、变压器副边电流及并网电流示意图；
图4是本发明双交错反激式光伏并网微逆变器控制流程图，其中a图是整体控制流程图，b图是并网电流方向控制流程图；
图5是本发明双交错反激式光伏并网微逆变器仿真电网电压和并网电流波形；
图6是本发明双交错反激式光伏并网微逆变器实例实测电网电压和并网电流波形。
具体实施方式
下面结合附图和实例详细阐述本发明：
如图1所示，本双交错反激式光伏并网微逆变器拓扑结构包括直流侧电容CPV、双反激变换器、换流桥和输出滤波器。直流侧电容CPV与光伏组件相接；双反激变换器包括高频变压器T1、T2，反向阻断型功率开关SPV1、SPV2，电力二极管Drect1、Drect2、Drect3和Drect4，换流桥包括晶闸管Sac1和Sac2，Sac1为正向换流桥臂，Sac2为负向换流桥臂；Cgrid和Lgrid并联形成CL输出滤波器。
图2是本发明双交错反激式光伏并网微逆变器控制框图，数字信号处理器对光伏组件输入电压vpv、两个变压器T1及T2的主边电流ipv1和ipv2、逆变器输出电压vinv、电网电压vgrid和并网电流igrid进行采样；所述数字信号处理器包括峰值电流控制器、并网电流相位判别器、MPPT控制器及均流控制器。光伏组件输入电压和两个变压器T1和T2的主边电流用来给MPPT控制器提供输入参数，同时，采样到的两个变压器主边电流也是均流控制器的输入参数，电网电压不仅为系统提供幅值和相位信息，而且和逆变器输出电压组合进行孤岛防治，并网电流作为反馈信号与参考并网电流构成电流控制环。
均流控制使交错并联的两个反激变换器原边电流相等，实现均摊负载；MPPT控制是指找到光伏组件输出功率最大的那个点。
所谓孤岛防治，是指是在电网已经停电(人为停电的或者意外断电)的情况下，逆变器应该要能够迅速检测出来，并立即停止向电网供电，否则可能损坏电气设备，危及抢修人员安全。
本实例中选用的控制器主频为72MHz；
控制步骤如下：
（1）锁相环检测电网角度θ；
（2）计算参考整流并网电流iref，按iref＝Impp·sin(θ)计算，其中Impp为利用最大功率点跟踪法计算得到的参考并网电流峰值；
（3）通过并网电流峰值控制器计算得到主占空比D，经PWM调制器和驱动电路输出开关信号，控制MOSFET SPV1和SPV2的通断；
（4）依据电网角度θ判别并网电流方向，并网电流为正时，控制Sac1导通，Sac2关断，并网电流为负时，控制Sac2导通，Sac1关断；
（5）如果均流控制周期到达控制计数器A的设定值N，本实例中均流控制频率为20KHz，N为3600，则依据采样到的变压器T1和T2的主边电流，通过均流控制器计算得到附加占空比ΔD，叠加到主占空比D上，使用PI控制器作为均流控制器，T1和T2主边电流的差值为均流控制器的输入，附加占空比ΔD为均流控制器的输出；否则执行步骤（6）；
（6）如果MPPT控制周期到达控制计数器B的设定值M，本实施例中MPPT控制频率为10Hz，M为720000，执行步骤（6），根据每个MPPT周期内采样到的光伏组件端压和输出电流，计算光伏组件平均输出电压和电流，本实施例采用扰动观察法，计算出参考并网电流峰值Impp；否则执行步骤（1）；
所述的步骤（4）中并网电流方向判别及控制流程如图4（b）所示：如果电网角度进入过零区间[α,β]，本实例中设定的180°过零区间为[176°,181°]，即α＝176°，其中包括撤除反激变换器驱动信号后晶闸管电流下降到零所需的198us和晶闸管关断延时35us，β＝181°，其中晶闸管正向恢复阻断时间为50us，关闭前级反激变换器和当前导通的换流桥臂，并进入等待切换到另一组桥臂导通的状态。一旦硬件检测到电网过零信号，并且电网角度已经离开过零区间[α,β]，开放前级反激变换器，开通当前处于等待状态的换流桥臂。
图3是本双交错反激式光伏并网微逆变器功率器件驱动信号、变压器副边电流及并网电流示意图。以图3为例，电网相位从第二象限切换到第三象限的过程中，当电网相位进入设定的过零区间时，MOSFET SPV1的驱动信号S1、SPV2的驱动信号S2和Sac1驱动信号S3均关闭，在这段时间内，忽略输出滤波器给电网提供的能量，此时的并网电流为0。电网过零瞬间，硬件产生过零的跳变信号，等待电网相位离开过零区间后，重新开放S1和S2，并给Sac2提供开通驱动信号S4，提供负向并网电流；isec1_1并联的两个反激变换器中的T1的副边电流。
上述并网电流方向判别及控制方法中的过零区间[α,β]可依据所选用的换流晶闸管的开关性能设置，并预留一定的余量。其中α主要取决于所选用晶闸管的关断延时，因此，所设置的α要保证电网过零前当前已开通换流桥臂的晶闸管能可靠关断。β主要取决于所选用晶闸管的反向阻断恢复延时以及硬件过零检测的灵敏度，因此，所设置的β要保证电网可靠过零后即将开通的换流桥臂能够安全开通。基于上述原则，兼顾并网电流波形质量，结合工程实践整定值，即可优化过零区间设置。
图5是本双交错反激式光伏并网微逆变器仿真电网电压和并网电流波形。在仿真中，设定参考整流并网电流峰值为1A，并且，由于使用全控型器件构成换流桥，故在仿真中并未进行过零控制，换流桥根据电网相位严格进行工频调制。从图5中可知，并网电流和电网电压基本同频同相，电流波形总体为正弦波形，充分说明了本发明所使用的控制方法的有效性。图6是基于本发明搭建的原型机实测电网电压和并网电流。同样地，设定参考整流并网电流峰值为1A，并网电流总体为与电网电压同频同相的正弦电流。本实例中控制器参数和输出滤波器参数仍有优化的余地，进而获得更高品质的并网电流。从图中可以看出，使用本发明的并网电流过零控制方法后，在电网电压过零的时候，并网电流有一小段为零的区间，这一方法在保证系统安全运行的前提下，也兼顾了并网电流波形质量。

Claims (4)

1.一种双交错反激式光伏并网微逆变器，其特征在于，包括直流侧电容CPV、双反激变换器、换流桥和输出滤波器；
直流侧电容CPV与光伏电池并联；
所述双反激变换器包括第一变压器T1、第二变压器T2、第一反向阻断型功率开关SPV1、第二反向阻断型功率开关SPV2以及4个电力二极管Drect1、Drect2、Drect3和Drect4；
输出滤波器包括滤波电容Cgrid和滤波电感Lgrid；
换流桥由第一晶闸管Sac1和第二晶闸管Sac2组成，Sac1和Sac2分别构成正向换流桥臂和负向换流桥臂；
第一反向阻断型功率开关SPV1的S极接光伏电池的负极，第一反向阻断型功率开关SPV1的D极通过第一变压器T1的原边接光伏电池的正极；第二反向阻断型功率开关SPV2的S极通过第二变压器T2的原边接光伏电池的负极，第二反向阻断型功率开关SPV2的D极接光伏电池的正极；
第一变压器T1的副边第一绕组的第一端接Drect1的正极，Drect1的负极接Sac2的正极，Sac2的负极接第二变压器T2的副边第一绕组的第一端；第二变压器T2的副边第一绕组的第二端接Drect4的正极，Drect4的负极接Sac1的正极，Sac1的负极接第一变压器T1的副边第一绕组的第二端；
第一变压器T1的副边第一绕组的第二端接第二变压器T2的副边第二绕组的第一端，第二变压器T2的副边第二绕组的第二端接Drect3的正极，Drect3的负极接Drect1的负极；
第一变压器T1的副边第二绕组的第二端接第二变压器T2的副边第一绕组的第一端，第一变压器T1的副边第二绕组的第一端接Drect2的正极，Drect2的负极接Drect4的负极；
第一变压器T1中，与光伏电池正极相连的原边绕组的一端、副边第一绕组的第二端以及副边第二绕组的第二端为同名端；
第二变压器T2中，与第二反向阻断型功率开关SPV2的S极相连的原边绕组的一端、副边第一绕组的第一端以及副边第二绕组的第一端为同名端；
Cgrid接于Sac1的正极和Sac2的正极之间；
Lgrid的一端接Sac2的正极，Lgrid的另一端与Sac1的正极接入到电网中。
2.一种双交错反激式光伏并网微逆变器的控制方法，其特征在于，采用基于权利要求1所述的双交错反激式光伏并网微逆变器，其控制方法为：
步骤1：采用锁相环检测电网相位角度θ；
步骤2：计算参考整流并网电流iref，按iref＝Impp·sin(θ)计算，其中Impp为利用最大功率点跟踪法计算得到的参考并网电流峰值；
最大功率点跟踪法：是以光伏电池的平均输出电压和平均输出电流为输入，参考并网电流峰值为它的输出，具有跟踪光伏电池最大功率点的功能；
步骤3：通过并网电流峰值控制器计算得到开关管占空比的主控制量D，叠加均流附加控制量ΔD后经调制器输出脉冲信号控制SPV1和SPV2的通断；
步骤4：依据电网相位角度θ判别并网电流方向，以此控制正向和负向换流桥臂中的晶闸管Sac1和Sac2的通断；
在θ∈[0°,180°)时，开通Sac1，关闭Sac2；在θ∈[180°,360°)时，开通Sac2，关闭Sac1；
步骤5：对均流控制计数器A加1，接着对均流控制计数器A进行判断，若均流控制计数器A达到设定值N，则执行并联均流控制，即利用流经功率开关SPV1和SPV2电流之差，均流控制器计算出均流附加占空比，然后，对均流控制计数器A进行清零处理后，进入步骤6；否则，若均流控制计数器A未达到设定值N，则直接进入步骤6；
步骤6：对MPPT计数器B加1，接着对MPPT计数器B进行判断，若MPPT计数器B达到设定值M，则进行MPPT控制，MPPT即Maximum Power Point Tracking是最大功率点跟踪，根据每个MPPT周期内采样到的光伏电池端电压和输出电流，计算光伏电池平均输出电压和电流，采用扰动观察法，计算出参考并网电流峰值，对MPPT计数器B清零后，接着返回步骤1；否则，即若MPPT计数器B未达到设定值M，则直接返回步骤1；
所述步骤5中均流控制的操作执行频率范围为10～20KHz,结合选用的控制器主频，利用控制器主频除以均流控制器的操作执行频率得到值C，设定均流控制计数器A的计数值N，N＝1/C；
所述步骤6中MPPT控制器执行频率为1～10Hz，结合选用的控制器主频，利用控制器主频除以MPPT控制器的操作执行频率得到值D，设定MPPT计数器的计数值M，M＝1/D。
3.根据权利要求2所述的双交错反激式光伏并网微逆变器的控制方法，其特征在于，所述的步骤4中并网电流方向判别及控制步骤如下：
步骤1)：如果电网相位角度θ进入过零区间[α,β]，关闭功率开关SPV1和SPV2以及当前导通的换流桥臂，并进入等待切换到另一组桥臂导通的状态；
步骤2)：检测电网是否存在电压过零信号，若存在电压过零信号，并且电网相位角度已经离开过零区间[α,β]，则进入步骤3)；否则直接退出并网电流方向控制；
步骤3)：对并网电流状态是否处于第一、第二象限进行判断，若是，则将当前并网电流切换到第三、第四象限；否则，将并网电流切换到第一、第二象限。
4.根据权利要求3所述的双交错反激式光伏并网微逆变器的控制方法，其特征在于，所述过零区间[α,β]可依据所选用的换流晶闸管的开关性能设置，其中，α取决于并网电流下降时间和所选用晶闸管的关断延时，所设置的α要保证并网电流下降到零后电网过零前当前已开通换流桥臂的晶闸管能可靠关断，参照选用的晶闸管数据手册中的关断延时设置，在晶闸管关断延时标准上延长5％～10％；β取决于所选用晶闸管的反向阻断恢复延时以及硬件过零检测的灵敏度，所设置的β要保证电网可靠过零后即将开通的换流桥臂能够安全开通，参照选用的晶闸管数据手册中的正向阻断恢复时间设置，在晶闸管正向阻断恢复时间标准上延长5％～10％。
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