CN103199724B - 一种两级式光伏逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两级式光伏逆变器，属于电气控制技术领域。本发明针对现有两级式光伏逆变器，通过温度闭环控制实时调整最大直流输入电流指令限幅值，不仅能够有效控制逆变器整体工作温度，使发电量最大化，同时又解决了通过限制输出电流指令方法可能造成的母线过压问题。本发明不仅适用于单相系统，也适用于三相系统。相比现有技术，本发明具有以下有益效果：1、防止逆变器频繁关机，提高光伏逆变器的发电量。2、适合多级式光伏逆变器系统，在保证发热量降低的情况下，又不会产生母线过压。3、能自动保证输入电压调整方向，无需额外算法。

Description

一种两级式光伏逆变器
技术领域
本发明涉及一种两级式光伏逆变器，尤其涉及一种能够防止过温的两级式光伏逆变器，属于电气控制技术领域。
背景技术
目前，光伏逆变器过温保护的方法主要有两种：其一、在控制器内设定一个温度保护阈值T，当逆变器温度t>T时，进行过温保护，逆变器停止输出。同时，逆变器会设置一个温度滞环，宽度为h，当逆变器温度下降到t<T-h时，逆变器重新启动。这种方法虽然能够检测出逆变器的过热状态，并及时保护器件不受损，但是，在T→T-h这段时间内，逆变器是没有输出的，从而降低了光伏系统的发电量。其二、为解决以上方法所存在的问题，提出了高温限功率的方法。具体做法是：设定两个温度阈值T1、T2，且T2>T1。当逆变器温度超过T1但低于T2时，减小输出电流指令，从而减小逆变器输出功率，降低逆变器发热量。如果逆变器在功率限制过程中，温度继续上升超过T2，则停止运行。此方法在控制逆变器温度过快上升的同时使逆变器保持工作，实现了发电最大化。
然而，上述方法第二种只通过减小输出电流指令来限制功率输出，根据光伏曲线的特性，输入电压工作点可能会向最大功率点左边偏移，从而导致输入电压过低而造成逆变器停机。为此，一篇中国发明专利申请（申请号为201210193010.2）提出了一种抬升工作电压指令的方法，当限功率时保证逆变器工作在最大功率点右侧，从而避免停机。但是，对于单级式系统，减小输出电流指令就相当于减小输入电流，根据光伏曲线特性，输入电流减小必然会使输入电压升高。因此，对于单级式系统，不需要电压抬升模块即可实现既减小输出功率又使工作电压抬升的目的。而如果加入电压抬升模块，反而使限流指令与电压抬升指令不容易匹配而可能会造成功率波动。对于两级式系统，该专利的方法通过电压抬升模块抬升MPPT模块的指令电压，使输入电压工作在最大功率点右边，再通过限定输出电流指令来减小输出功率。由于需要对MPPT的指令电压进行抬升后进行母线控制，在响应速度方面不够快速。另外，同时抬升电压指令、限制输出电流指令容易造成输入、输出功率限定不匹配，对影响母线控制的稳定以及输出功率的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有过温保护方法应用于两级式系统所存在的不足，提供一种两级式光伏逆变器，不仅能够有效控制逆变器整体工作温度，使发电量最大化，同时又解决了通过限制输出电流指令方法可能造成的母线过压问题。
本发明的两级式光伏逆变器，包括DC/DC升压电路、DC/AC逆变电路、MPPT控制模块、DC/DC升压控制模块、DC/AC逆变控制模块，以及用于实时监测DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路中功率器件温度的温度检测模块；DC/DC升压电路输入端与光伏阵列输出端相连，输出端与DC/AC电路输入端连接，DC/AC逆变电路的输出端连到电网；DC/DC升压控制模块采用电压、电流双环控制，外环为电压调节器，内环为电流调节器；MPPT控制模块的输出值与采样得到的光伏阵列输入电压值的差作为电压调节器的输入，电压调节器的输出电流指令值经一个限幅器限幅后，作为电流调节器的输入电流指令值；该两级式光伏逆变器还包括过温控制模块，所述过温控制模块的输入连接温度检测模块的输出，其输出与所述限幅器的控制端连接；所述过温控制模块根据温度检测模块所检测的温度对所述限幅器的最大限定幅值进行实时调整，具体如下：当温度检测模块所检测的温度小于等于预设的温度阈值时，以预设的初始最大限定幅值作为当前最大限定幅值；否则，在0与初始最大限定幅值之间调整当前最大限定幅值，温度检测模块所检测的温度与所述温度阈值的差值越大，则当前最大限定幅值越小。
作为本发明的一个优选方案，所述在0与初始最大限定幅值之间调整当前最大限定幅值，具体按照以下方法：以温度检测模块所检测的温度与所述温度阈值的差值作为一个PI控制器的输入，所述PI控制器输出为一个范围在[0，1]之间的幅值限定系数β；根据PI控制器输出的幅值限定系数β，按照下式计算限幅器的当前最大限定幅值IpvMax并输出至所述限幅器：
IpvMax=(1-β)IpvMax0
其中，IpvMax0为预设的初始最大限定幅值。
作为本发明的另一优选方案，所述在0与初始最大限定幅值之间调整当前最大限定幅值，具体按照以下方法：根据温度检测模块所检测的温度与所述温度阈值的差值ΔT，通过查询预先建立的ΔT-ΔI对应表获得相应的电流幅值调整量ΔI，ΔT越大则对应的ΔI越大；然后按照下式计算限幅器的当前最大限定幅值IpvMax并输出至所述限幅器：
IpvMax=IpvMax0-ΔI
其中，IpvMax0为预设的初始最大限定幅值。
本发明通过温度闭环控制实时调整最大直流输入电流指令限幅值，不仅能够有效控制逆变器整体工作温度，使发电量最大化，同时又解决了通过限制输出电流指令方法可能造成的母线过压问题。相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、防止逆变器频繁关机，提高光伏逆变器的发电量。
2、适合多级式光伏逆变器系统，在保证发热量降低的情况下，又不会产生母线过压。
3、能自动保证输入电压调整方向，无需额外算法。
附图说明
图1为常用的单相两级式光伏逆变器控制结构框图；
图2为本发明具体实施方式中的单相两级式光伏逆变器控制结构框图；
图3为本发明具体实施方式中的单相两级式光伏逆变器的过温控制流程示意图；
图4（a）、图4（b）分别为光伏电池的I-U特性曲线、P-U特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的思路是通过温度闭环控制实时调整最大直流输入电流指令限幅值，不仅能够有效控制逆变器整体工作温度，使发电量最大化，同时又解决了通过限制输出电流指令方法可能造成的母线过压问题。本发明不仅适用于单相系统，也适用于三相系统。
下面以单相两级式光伏逆变器为例来对本发明的技术方案进行详细描述。
图1显示了常用的单相两级式光伏逆变器控制结构框图。如图所示，采样元件采集光伏电池（或光伏阵列）的输出电压Vpv、输出电流Ipv，经过MPPT运算得到直流输入电压指令DC/DC升压模块为Boost升压模块，采用电压、电流双环控制，电压环将反馈电压Vpv与指令电压作差，将差值输入PI调节器生成电流指令值为更好地进行电流控制，需对进行限幅，方法是将输入到一个限幅器L，该限幅器L有一个最小限定幅值IpvMin，预设值为IpvMin=0；一个最大限定幅值IpvMax，预设值为IpvMax=IpvMax0，即电流环对与光伏电池输入Ipv的差值进行PI控制，得到Boost电路中电感两端的电压指令值VL，再根据Boost输入、输出电压关系计算得到Boost中控制功率管的PWM信号（Boost电路由电感、功率管以及二极管组成，为公知技术）。经过Boost升压后的母线电压为Vdclink，与母线指令电压经过PI调节器计算得到并网电流幅值指令值（母线指令电压由直流母线控制模块给定）。锁相环PLL锁定电网相位θ，将幅值指令与sinθ相乘后得到并网电流指令值Idref。逆变器的输出电压Vab被输出滤波电感与电网分压。Idref与输出电流反馈值Ig经过PR调节器得到输出滤波电感两端的电压指令值VLref，（其中输出滤波电感在图上未示出，只示出了电网）再结合输出的电网电压Vg与母线电压Vdclink,计算得到控制DC/AC单元中功率管的PWM信号。其中逆变器的输出电压Vab=VLref+Vg。
为了防止功率器件温度过高造成损坏，同时保证逆变器发电量最大化，本发明的方法是在上述控制系统中加入过温控制模块，过温控制模块根据温度检测模块所检测的温度对所述限幅器的最大限定幅值进行实时调整，具体如下：当温度检测模块所检测的温度小于等于预设的温度阈值时，以预设的初始最大限定幅值作为当前最大限定幅值；否则，在0与初始最大限定幅值之间调整当前最大限定幅值，温度检测模块所检测的温度与所述温度阈值的差值越大，则当前最大限定幅值越小。传统的防止逆变器温度过高的方法是减小输出电流指令值，使逆变器输出功率减小，从而降低发热量。但是，对于两级式逆变器系统，通常DC/DC与DC/AC部分是独立控制的。如果限制输出电流指令值，而不对输入功率进行限制，那么逆变器无法快速将输入能量输出，会造成能量在母线上堆积，从而引起母线过压。本发明的另一个优点是，不必对MPPT算法作任何修改，就可实现输入电压工作点向最大功率点右边偏移，从而避免由于电压过低而造成关机的问题。
图2显示了一个加入过温控制模块后的单相两级式光伏逆变器的实施例。如图所示，逆变器运行过程中，温度检测模块实时检测逆变器中功率器件的温度t并将检测结果传输至过温控制模块。过温控制模块首先计算t与TC的差值ΔT，TC为设定的过温控制温度阈值；然后将ΔT输入PI控制器进行PI控制，PI控制器的输出值β为DC/DC控制模块中电流环的输入电流指令值的幅值限定系数，β的取值范围为：0≤β≤1。当ΔT≤0时，β=0，限幅器L的最大限定幅值IpvMax取IpvMax0，即不用对输入电流指令值限幅，逆变器可以满功率输出；当ΔT>0时，0<β≤1，IpvMax=(1-β)IpvMax0，直到ΔT≤0为止。这种情况下，根据实时计算出的β，通过IpvMax=(1-β)IpvMax0实时更新的最大限定值，从而限制逆变器的输入功率。该单相两级式光伏逆变器的过温控制流程如图3所示。
限幅器当前最大限定幅值的动态调整也可由查表方法实现。预先建立温度差值ΔT与电流幅值调整量ΔI的对应表，当ΔT≤0时，电流变化量ΔI=0；当ΔT>0时，根据当前温度差值ΔT查得相对应的电流幅值调整量ΔI；然后设置限幅器L的当前最大限定幅值IpvMax=IpvMax0-ΔI。
图4（a）、图4（b）分别显示了光伏电池的I-U特性曲线和P-U特性曲线，假设当前工作点位于A点，当温度控制模块检测到当前功率器件温度t高于TC时，利用本发明方案更新最大电流指令限幅值IpvMax。由IpvMax=(1-β)IpvMax0，0<β≤1，输入电流指令值被减小。根据图4（a）的光伏电池I-U特性曲线可知，逆变器工作点会向C点偏移。传统的过温控制是减小并网电流指令，由图4（b）可以看出，从A点减小功率有两种可能性：B点和C点。如果工作点向B点移动，则可能导致输入电压过低而造成关机。因此，传统过温控制方法还需要增加输入电压抬升算法，而本发明的方案则不需要，算法更加简便。

Claims (3)

1.一种两级式光伏逆变器，包括DC/DC升压电路、DC/AC逆变电路、MPPT控制模块、DC/DC升压控制模块、DC/AC逆变控制模块，以及用于实时监测DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路中功率器件温度的温度检测模块；DC/DC升压电路的输入端与光伏阵列的输出端相连，DC/DC升压电路的输出端与DC/AC逆变电路的输入端连接，DC/AC逆变电路的输出端连到电网；DC/DC升压控制模块采用电压、电流双环控制，外环为电压调节器，内环为电流调节器；MPPT控制模块的输出值与采样得到的光伏阵列输入电压值的差作为电压调节器的输入，电压调节器的输出电流指令值经一个限幅器限幅后，作为电流调节器的输入电流指令值；其特征在于，该两级式光伏逆变器还包括过温控制模块，所述过温控制模块的输入连接温度检测模块的输出，其输出与所述限幅器的控制端连接；所述过温控制模块根据温度检测模块所检测的温度对所述限幅器的最大限定幅值进行实时调整，具体如下：当温度检测模块所检测的温度小于等于预设的温度阈值时，以预设的初始最大限定幅值作为当前最大限定幅值；否则，在0与初始最大限定幅值之间调整当前最大限定幅值，温度检测模块所检测的温度与所述温度阈值的差值越大，则当前最大限定幅值越小。
2.如权利要求1所述两级式光伏逆变器，其特征在于，所述在0与初始最大限定幅值之间调整当前最大限定幅值，具体按照以下方法：以温度检测模块所检测的温度与所述温度阈值的差值作为一个PI控制器的输入，所述PI控制器输出为一个范围在[0，1]之间的幅值限定系数β；根据PI控制器输出的幅值限定系数β，按照下式计算限幅器的当前最大限定幅值IpvMax并输出至所述限幅器：
IpvMax＝(1-β)IpvMax0
其中，IpvMax0为预设的初始最大限定幅值。
3.如权利要求1所述两级式光伏逆变器，其特征在于，所述在0与初始最大限定幅值之间调整当前最大限定幅值，具体按照以下方法：根据温度检测模块所检测的温度与所述温度阈值的差值ΔT，通过查询预先建立的ΔT-ΔI对应表获得相应的电流幅值调整量ΔI，ΔT越大则对应的ΔI越大；然后按照下式计算限幅器的当前最大限定幅值IpvMax并输出至所述限幅器：
IpvMax＝IpvMax0-ΔI
其中，IpvMax0为预设的初始最大限定幅值。
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