CN103441693B - 一种并网型光伏发电微型逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太阳能光伏发电技术领域的一种并网型光伏发电微型逆变器及其控制方法。逆变器包括第一电容、第一电压传感器、第一驱动模块、第一反激变换器、第二反激变换器、第二电压传感器、第三电压传感器、MPU控制器、第二驱动模块、第一逆变桥、第二逆变桥、第二电容、电流传感器、滤波器和第四电压传感器。本发明可有效降低反激变压器的容量以及功率管的最大可承受电压，从而能够降低逆变器的成本，并显著提高逆变器的可靠性及电能质量。

Description

一种并网型光伏发电微型逆变器及其控制方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，尤其涉及一种并网型光伏发电微型逆变器及其控制方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能作为清洁的绿色能源，其发电技术成为世界各国关注和研究的热点。

并网型光伏发电逆变器的作用是将太阳能电池产生的直流电逆变成交流电送入电网。并网型光伏发电微型逆变器是适合于单块光伏电池组件的逆变装置，由于单块光伏电池组件输出的直流电压较低，所以需要先通过DC/DC变换器将低直流电压升压，然后再经DC/AC变换电路将直流电转化为交流电并入电网。常见的DC/DC变换器可分为BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK以及正激、反激等类型，DC/AC变换电路可分为推挽逆变、半桥逆变和全桥逆变等类型。反激变换器具有结构简洁，控制相对简单的优点，而全桥逆变具有电流应力小的优点，因此采用反激变换器与全桥逆变电路构成微型逆变器是一种较好的拓扑方案。

但是，这种采用反激变换器与全桥逆变电路构成微型逆变器的拓扑方案具有并网电流谐波较大的缺点，另外功率管电压应力较大，导致逆变器的可靠性较差。随着光伏并网发电系统的大规模安装与应用，进一步提高光伏微型逆变器并网电流的电能质量以及可靠性显得十分重要。

发明内容

针对背景技术中提到的现有的光伏发电逆变器并网电流谐波较大以及可靠性较差的问题，本发明提出了一种并网型光伏发电微型逆变器及其控制方法。

一种并网型光伏发电微型逆变器，其特征在于，所述逆变器包括第一电容、第一电压传感器、第一驱动模块、第一反激变换器、第二反激变换器、第二电压传感器、第三电压传感器、MPU控制器、第二驱动模块、第一逆变桥、第二逆变桥、第二电容、电流传感器、滤波器和第四电压传感器；所述第一反激变换器包括第一反激变压器、第一二极管、第三电容和第一功率管；所述第二反激变换器包括第二反激变压器、第二二极管、第四电容和第二功率管；所述第一逆变桥包括第三功率管、第四功率管、第五功率管和第六功率管；所述第二逆变桥第七功率管、第八功率管、第九功率管和第十功率管；

其中，所述MPU控制器分别与第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第四电压传感器和电流传感器的测量信号输出端连接；同时与第一驱动模块、第二驱动模块的输入端连接；

所述第一电压传感器的正极与太阳能电池板正极连接，第一电压传感器的负极与太阳能电池板负极连接；

所述第一反激变压器的初级线圈同名端与太阳能电池板正极连接；反激变压器的初级线圈异名端与第一功率管漏极连接；第一功率管源极与太阳能电池板负极连接；第一功率管栅极与第一驱动模块输出端连接；第一反激变压器次级线圈的异名端与第一二极管阳极连接，第一二极管阴极与第三电容一端连接，第三电容另一端与第一反激变压器次级线圈同名端连接；第二电压传感器正极与第一二极管阴极连接，第二电压传感器负极与第一反激变压器次级线圈同名端连接；第三功率管漏极和第四功率管漏极与第一二极管阴极连接；第三功率管源极与第五功率管的漏极连接；第四功率管源极与第六功率管的漏极连接；第五功率管的源极和第六功率管的源极与第一反激变压器次级线圈的同名端连接；第二驱动模块的输出端分别与第三功率管、第四功率管、第五功率管和第六功率管的栅极连接；

所述第二反激变压器的初级线圈同名端与太阳能电池板正极连接；反激变压器的初级线圈异名端与第二功率管漏极连接；第二功率管源极与太阳能电池板负极连接；第二功率管栅极与第一驱动模块输出端连接；第二反激变压器次级线圈的异名端与第二二极管阳极连接，第二二极管阴极与第四电容一端连接，第四电容另一端与第二反激变压器次级线圈同名端连接；第三电压传感器正极与第二二极管阴极连接，第三电压传感器负极与第二反激变压器次级线圈同名端连接；第七功率管漏极和第八功率管漏极与第二二极管阴极连接；第七功率管源极与第九功率管的漏极连接；第八功率管源极与第十功率管的漏极连接；第九功率管的源极和第十功率管的源极与第二反激变压器次级线圈的同名端连接；第二驱动模块的输出端分别与第七功率管、第八功率管、第九功率管和第十功率管的栅极连接；

所述第一逆变桥和第二逆变桥由第四功率管源极与第七功率管源极连接形成串联，第三功率管源极和第八功率管源极为串联串联逆变桥电路的输出；第二电容一端与第三功率管源极连接，另一端与第八功率管源极连接；电流传感器正极与第三功率管源极连接，电流传感器负极与滤波器一输入端连接，滤波器另一输入端与第八功率管源极连接；第四电压传感器正极与滤波器正输出端连接，第四电压传感器负极与滤波器负输出端连接，最后输出连接到电网。

所述第一反激变换器和第二反激变换器为并联结构。

所述第一逆变桥和第二逆变桥为串联结构。

一种并网型光伏发电微型逆变器的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在k时刻，利用第一电压传感器采集太阳能电池板电压V_pv(k)，利用第二电压传感器采集第一反激变换器输出电压V_f1(k)，利用第三电压传感器采集第二反激变换器输出电压V_f2(k)，利用电流传感器采集并网电流I_grid(k)，利用第四电压传感器采集电网电压V_grid(k)；

步骤2：判断采集到的电网电压是否满足V_grid(k)=0并且V_grid(k-1)<0，如果满足，则由MPU控制器中的定时器开始计数，设定计数变量为G；直到当V_grid(k)=0并且V_grid(k-1)>0时停止计数；计算电网周期和控制步宽；所述电网周期的计算公式为：

T=G×t；

其中，t为定时器的中断时间；

所述控制步宽的计算公式为：

$\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{G};$

步骤3：计算k时刻电网电流相角θ(k)=θ(k-1)+Δθ；当时，k时刻的并网电流参考值I_ref(k)=sin(θ(k))；当时，k时刻的并网电流参考值I_ref(k)=sin(π-θ(k))；计算k时刻的并网电流偏差e(k)=I_ref(k)-I_grid(k)；

步骤4：通过比例积分控制方法计算得到并网电流控制量其中，K_p1为比例积分控制方法设定的比例增益，T_i1为比例积分控制方法设定的积分增益；

步骤5：在步骤1的基础上，计算第一反激变压器次级线圈输出电压V_f1(k)和第二反激变压器次级线圈输出电压V_f2(k)的差值ΔV(k)=V_f1(k)-V_f2(k)，通过比例积分控制方法计算得到平衡两个反激变压器输出功率的控制量其中，K_p2为比例积分控制方法设定的比例增益，T_i2为比例积分控制方法设定的积分增益；

步骤6：在步骤1的基础上，根据反激变换器的输入和输出电压关系，计算得到脉宽调制占空比D(k)，其中，N为反激变压器匝数比；

步骤7：结合步骤4、5和6的结果，得出第一反激变换器的PWM占空比与第二反激变换器的PWM的占空比：D1(k)=U(k)+D(k)-ΔU(k)，D2(k)=U(k)+D(k)+ΔU(k)，并且使两路PWM产生180度相移，输入到第一驱动模块，第一驱动模块再分别驱动第一功率管和第二功率管；

步骤8：在步骤2的基础上，以T/2为周期，MPU产生两路互补的PWM驱动信号，输入到第二驱动模块，第二驱动模块驱动第一逆变桥和第二逆变桥的功率管，其中第三功率管、第六功率管、第七功率管和第十功率管为同一驱动信号；第四功率管、第五功率管、第八功率管和第九功率管为同一驱动信号，两组功率管交替导通实现逆变。

本发明具有以下优点:

(1)可有效降低反激变压器的容量以及功率管的最大可承受电压，从而可降低逆变器的成本，并显著提高并网逆变器的可靠性；

(2)并联的反激变换器处于交错工作模式，有利于减小并网电流的谐波含量，提高并网电流的波形质量；

(3)并联的反激变换器采用了功率平衡的控制算法，可有效提高并网逆变器的稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的一种并网型光伏发电微型逆变器的硬件结构图；

图2是本发明提供的一种并网型光伏发电微型逆变器的控制方法流程图；

图3是本发明提供的实施例的并网电流曲线图；

其中，1-第一反激变换器；2-第二反激变换器；3-第一逆变桥；4-第二逆变桥；5-电网。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的一种并网型光伏发电微型逆变器的硬件结构图。图1中，主要由第一反激变换器1、第二反激变换器2与第一逆变桥3、第二逆变桥4组成，具体包括MPU控制器，第一电压传感器U1、第二电压传感器U2、第三电压传感器U3、第四电压传感器U4，电流传感器I1，第一反激变压器TX1、第二反激变压器TX2，第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5、第六功率管Q6、第七功率管Q7、第八功率管Q8、第九功率管Q9、第十功率管Q10，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4，第一二极管D1、第二二极管D2，第一驱动模块（两路PWM—脉宽调制信号输入端；两路PWM驱动信号输出端）和驱动模块2（两路PWM—脉宽调制信号输入端；两路PWM驱动信号输出端）和滤波器等部分。

其中，MPU控制器采用dsPIC33FJ06GS504数字信号控制器；电压传感器采用MCP6022；电流传感器I1采用霍尔电流传感器ACS712ELCTR-058-1；第一驱动模块为MCP14E4，第二驱动模块为MOC3052；第一功率管Q1和第二功率管Q2选用TK50X15J1，功率管第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5、第六功率管Q6、第七功率管Q7、第八功率管Q8、第九功率管Q9、第十功率管Q10选用IPB60R190C6；第一电容C1选用2200UF，第三电容C3和第四电容C4选用0.1UF，第二电容C2选用0.015UF；第一二极管D1、第二二极管D2采用C2D05120E，第一反激变压器TX1和第二反激变压器TX2采用NA5814-AL。

图2是本发明提供的一种并网型光伏发电微型逆变器的控制方法流程图；具体步骤包括：

步骤1：在k时刻，利用第一电压传感器采集太阳能电池板电压V_pv(k)，利用第二电压传感器采集第一反激变换器输出电压V_f1(k)，利用第三电压传感器采集第二反激变换器输出电压V_f2(k)，利用电流传感器采集并网电流I_grid(k)，利用第四电压传感器采集电网电压V_grid(k)；

步骤2：判断采集到的电网电压是否满足V_grid(k)=0并且V_grid(k-1)<0，如果满足，则由MPU控制器中的定时器开始计数，设定计数变量为G；直到当V_grid(k)=0并且V_grid(k-1)>0时停止计数；计算电网周期和控制步宽；所述电网周期的计算公式为：

T=G×t；

其中，t为定时器的中断时间；实施例中t取10us；

所述控制步宽的计算公式为：

$\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{G};$

步骤3：计算k时刻电网电流相角θ(k)=θ(k-1)+Δθ；当时，k时刻的并网电流参考值I_ref(k)=sin(θ(k))；当时，k时刻的并网电流参考值I_ref(k)=sin(π-θ(k))；计算k时刻的并网电流偏差e(k)=I_ref(k)-I_grid(k)；

步骤4：通过比例积分控制方法计算得到并网电流控制量其中，K_p1为比例积分控制方法设定的比例增益，T_i1为比例积分控制方法设定的积分增益；实施例中取K_p1=0.25，T_i1=0.6；

步骤5：在步骤1的基础上，计算第一反激变压器次级线圈输出电压V_f1(k)和第二反激变压器次级线圈输出电压V_f2(k)的差值ΔV(k)=V_f1(k)-V_f2(k)，通过比例积分控制方法计算得到平衡两个反激变压器输出功率的控制量其中，K_p2为比例积分控制方法设定的比例增益，T_i2为比例积分控制方法设定的积分增益；实施例中取K_p2=0.1，T_i2=0.03；

步骤6：在步骤1的基础上，根据反激变换器的输入和输出电压关系，计算得到脉宽调制占空比D(k)，其中，N为反激变压器匝数比；实施例中取N=12；

步骤7：结合步骤4、5和6的结果，得出第一反激变换器的PWM占空比与第二反激变换器的PWM的占空比：D1(k)=U(k)+D(k)-ΔU(k)，D2(k)=U(k)+D(k)+ΔU(k)，并且使两路PWM产生180度相移，输入到第一驱动模块，第一驱动模块再分别驱动第一功率管和第二功率管；

步骤8：在步骤2的基础上，以T/2为周期，MPU产生两路互补的PWM驱动信号，输入到第二驱动模块，第二驱动模块驱动第一逆变桥和第二逆变桥的功率管，其中第三功率管、第六功率管、第七功率管和第十功率管为同一驱动信号；第四功率管、第五功率管、第八功率管和第九功率管为同一驱动信号，两组功率管交替导通实现逆变。

图3是本发明提供的实施例的并网电流曲线图；虚线为电网电压，实线为并网电流。可以看出，该逆变器的并网电流能够快速地跟踪电网电压，并具有谐波小的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种并网型光伏发电微型逆变器的控制方法，所述逆变器包括第一电容、第一电压传感器、第一驱动模块、第一反激变换器、第二反激变换器、第二电压传感器、第三电压传感器、MPU控制器、第二驱动模块、第一逆变桥、第二逆变桥、第二电容、电流传感器、滤波器和第四电压传感器；所述第一反激变换器包括第一反激变压器、第一二极管、第三电容和第一功率管；所述第二反激变换器包括第二反激变压器、第二二极管、第四电容和第二功率管；所述第一逆变桥包括第三功率管、第四功率管、第五功率管和第六功率管；所述第二逆变桥包括第七功率管、第八功率管、第九功率管和第十功率管；

其中，所述MPU控制器分别与第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第四电压传感器和电流传感器的测量信号输出端连接；同时与第一驱动模块、第二驱动模块的输入端连接；

所述第一电压传感器的正极与太阳能电池板正极连接，第一电压传感器的负极与太阳能电池板负极连接；

所述第一反激变压器的初级线圈同名端与太阳能电池板正极连接；所述第一反激变压器的初级线圈异名端与第一功率管漏极连接；第一功率管源极与太阳能电池板负极连接；第一功率管栅极与第一驱动模块输出端连接；第一反激变压器次级线圈的异名端与第一二极管阳极连接，第一二极管阴极与第三电容一端连接，第三电容另一端与第一反激变压器次级线圈同名端连接；第二电压传感器正极与第一二极管阴极连接，第二电压传感器负极与第一反激变压器次级线圈同名端连接；第三功率管漏极和第四功率管漏极与第一二极管阴极连接；第三功率管源极与第五功率管的漏极连接；第四功率管源极与第六功率管的漏极连接；第五功率管的源极和第六功率管的源极与第一反激变压器次级线圈的同名端连接；第二驱动模块的输出端分别与第三功率管、第四功率管、第五功率管和第六功率管的栅极连接；

所述第二反激变压器的初级线圈同名端与太阳能电池板正极连接；所述第二反激变压器的初级线圈异名端与第二功率管漏极连接；第二功率管源极与太阳能电池板负极连接；第二功率管栅极与第一驱动模块输出端连接；第二反激变压器次级线圈的异名端与第二二极管阳极连接，第二二极管阴极与第四电容一端连接，第四电容另一端与第二反激变压器次级线圈同名端连接；第三电压传感器正极与第二二极管阴极连接，第三电压传感器负极与第二反激变压器次级线圈同名端连接；第七功率管漏极和第八功率管漏极与第二二极管阴极连接；第七功率管源极与第九功率管的漏极连接；第八功率管源极与第十功率管的漏极连接；第九功率管的源极和第十功率管的源极与第二反激变压器次级线圈的同名端连接；第二驱动模块的输出端分别与第七功率管、第八功率管、第九功率管和第十功率管的栅极连接；

所述第一逆变桥和第二逆变桥由第四功率管源极与第七功率管源极连接形成串联，第三功率管源极和第八功率管源极为串联串联逆变桥电路的输出；第二电容一端与第三功率管源极连接，另一端与第八功率管源极连接；电流传感器正极与第三功率管源极连接，电流传感器负极与滤波器一输入端连接，滤波器另一输入端与第八功率管源极连接；第四电压传感器正极与滤波器正输出端连接，第四电压传感器负极与滤波器负输出端连接，最后输出连接到电网；所述第一反激变换器和第二反激变换器为并联结构；所述第一逆变桥和第二逆变桥为串联结构；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在k时刻，利用第一电压传感器采集太阳能电池板电压V_pv(k)，利用第二电压传感器采集第一反激变换器输出电压V_f1(k)，利用第三电压传感器采集第二反激变换器输出电压V_f2(k)，利用电流传感器采集并网电流I_grid(k)，利用第四电压传感器采集电网电压V_grid(k)；

步骤2：判断采集到的电网电压是否满足V_grid(k)＝0并且V_grid(k-1)<0，如果满足，则由MPU控制器中的定时器开始计数，设定计数变量为G；直到当V_grid(k)＝0并且V_grid(k-1)>0时停止计数；计算电网周期和控制步宽；所述电网周期的计算公式为：

T＝G×t；

其中，t为定时器的中断时间；

所述控制步宽的计算公式为：

$\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{G};$

步骤3：计算k时刻电网电流相角θ(k)＝θ(k-1)+Δθ；当时，k时刻的并网电流参考值I_ref(k)＝sin(θ(k))；当时，k时刻的并网电流参考值I_ref(k)＝sin(π-θ(k))；计算k时刻的并网电流偏差e(k)＝I_ref(k)-I_grid(k)；

步骤4：通过比例积分控制方法计算得到并网电流控制量其中，K_p1为比例积分控制方法设定的比例增益，T_i1为比例积分控制方法设定的积分增益；

步骤5：在步骤1的基础上，计算第一反激变压器次级线圈输出电压V_f1(k)和第二反激变压器次级线圈输出电压V_f2(k)的差值ΔV(k)＝V_f1(k)-V_f2(k)，通过比例积分控制方法计算得到平衡两个反激变压器输出功率的控制量其中，K_p2为比例积分控制方法设定的比例增益，T_i2为比例积分控制方法设定的积分增益；

步骤6：在步骤1的基础上，根据反激变换器的输入和输出电压关系，计算得到脉宽调制占空比D(k)，其中，N为反激变压器匝数比；

步骤7：结合步骤4、5和6的结果，得出第一反激变换器的PWM占空比与第二反激变换器的PWM的占空比：D1(k)＝U(k)+D(k)-ΔU(k)，D2(k)＝U(k)+D(k)+ΔU(k)，并且使两路PWM产生180度相移，输入到第一驱动模块，第一驱动模块再分别驱动第一功率管和第二功率管；

步骤8：在步骤2的基础上，以T/2为周期，MPU产生两路互补的PWM驱动信号，输入到第二驱动模块，第二驱动模块驱动第一逆变桥和第二逆变桥的功率管，其中第三功率管、第六功率管、第七功率管和第十功率管为同一驱动信号；第四功率管、第五功率管、第八功率管和第九功率管为同一驱动信号，两组功率管交替导通实现逆变。