CN104201919A - 一种光伏逆变器的漏电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器电压调制方式，采用三相正弦波注入共模分量的方法实现。该方式既简单又能方便的实现不用形式的共模分量注入，可以根据实际的需求来选择合适的共模分量。通过漏电流的大小相应调节直流母线电压的给定值，当PV对地寄生电容较小时，逆变器可以通过尽可能多的注入共模分量来降低直流母线电压，从而减小开关管的损耗，提高逆变器的运行效率；当PV对地寄生电容因为雨天等原因增大，导致漏电流增大且影响到逆变器正常运行时，又可以通过适当提高直流母线电压来减小共模电压的注入，从而降低漏电流的有效值，保证光伏逆变系统的正常运行。

Description

一种光伏逆变器的漏电流控制方法

技术领域

本发明涉及光伏逆变器,具体地涉及光伏逆变器漏电流的控制方法。

背景技术

非隔离型三相光伏逆变器系统因为结构简单、体积小、成本低、效率高等特点，使其在光伏并网发电系统中得到了广泛应用，但是，无变压器的结构使得太阳能电池板和电网有了电气连接，这会导致漏电流增大。漏电流达到一定值后不但会对设备寿命产生影响，还会对人身安全产生威胁。因此，光伏逆变器行业标准中对漏电流有效值的大小专门有限制值规定。当检测到的漏电流有效值大于设定的值时，光伏逆变器必须停止工作，且与电网断开。

漏电流的大小由光伏组件(PV组件)对地的寄生电容和作用于寄生电容上的共模电压所决定。PV对地的寄生电容除了与电池板的面积及材质有关系外，还与其搁置的环境有着密切关系。PV对地的寄生电容在雨天时会明显大于晴天，这使得雨天PV对地允许承受的共模电压随着PV对地寄生电容的增大而减小。若逆变器输出的共模电压的交流分量保持不变，那么，雨天时的漏电流会较大幅增加，这样容易触发逆变器的漏电流保护单元，导致光伏逆变器系统无法正常工作。

进一步的对漏电流进行分析，从频谱上看PV对地的漏电流可以分为高频和低频两部分。

高频成分为开关次及以上频率段的电流分量，这部分电流分量由开关的高频切换导致。市场上非隔离型三相光伏逆变器大多将逆变器输出LC滤波器电容的中性点和直流母线电容的中点相连，这样可以使漏电流的高频成分得到了极大的衰减。光伏逆变器标准VDE0126-1-1中要求测量频率不低于为2kHz分量的有效值，实际中也是通过检测低频段的漏电流有效值来判断漏电流是否超标。

低频成分是由于调制波中注入了低频的共模分量导致的，也就是说低频的共模电流和调制方式有关。当PV对地寄生电容的电容值保持一定时，PV板对地漏电流有效值的大小取决于逆变器输出电压中被注入共模电压分量的大小。

逆变器采用正弦波脉宽调制方式(SPWM)时，逆变器输出电压的低频共模电压为零，这就意味着采用该调制方式可以避免低频漏电流的产生，但是，SPWM调制方式对直流母线电压的最大利用率并非最优，这就在一定程度上降低了逆变器的运行效率。实际中为了提高直流母线电压的利用率，常会通过在三相正弦调制波中注入合适的共模分量来提高直流母线电压的利用率。空间矢量调制(SVPWM)是逆变器行业中常采用的一种脉宽调制方式，该方式的直流母线电压利用率要比SPWM高出15.47％。SVPWM等效为在三相正弦调制波中注入一定幅值的三角波，该三角波的幅值和调制度呈一定比例关系。当电网电压及并网电流一定时，在SVPWM方式下，其低频共模电压的幅值基本保持不变。天气晴朗时，由于PV对地寄生电容相对较小，此时漏电流一般都能满足要求。但下雨天时，PV对地寄生电容会明显增大，此时若还是保持SVPWM调制方式，漏电流很可能会超出安规的要求，系统将无法继续正常运行。SVPWM对于漏电流抑制来说并不是一个非常合适的方案，为了优先考虑漏电流的要求，我们可以在满足逆变器输出电压调制能力的情况下尽可能少的向逆变电压中注入共模电压分量。

因此，寻求一种既能满足漏电流要求又能尽可能提高直流母线电压利用率的方式，对于漏电流抑制和提高系统效率来说，具有很大的实用价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种既能满足安规对漏电流的要求，又可以尽可能兼顾直流母线电压的利用率的控制方法。本发明采用：改变现有的电压调制方式，采用三相正弦电压中注入共模电压分量的方法实现。该方式既简单又能方便的实现不同形式的共模分量注入，可以根据实际的需求来选择合适的共模分量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光伏逆变器的漏电流控制方法，其特征在于：

所述方法，

基于检测到的漏电流的有效值大小，来调整直流母线电压的给定值，

进而调整逆变器输出电压中注入的共模电压分量。

优选的，上述方法的逆变器可以通过降低共模电压分量来减小漏电流，

共模电压其中，d_z为共模分量，u_bus为直流母线电压值。

进一步的，采用最小共模电压注入法注入上述共模电压分量。该方法能够保证注入的共模电压分量最小。

进一步的，采用最小共模电压注入法得到的共模分量d_z如下所示：

当max(d_a,d_b,d_c)＞1时，d_z＝1-max(d_a,d_b,d_c)；

当min(d_a,d_b,d_c)＜-1时，d_z＝-1-min(d_a,d_b,d_c)；

当max(|d_a|,|d_b|,|d_c|)≤1时，d_z＝0；

其中，d_a，d_b，d_c分别为A，B，C相控制电压按为基准标幺后的值，u_bus为直流母线电压值。

优选的，光伏逆变器电流控制器输出的A,B,C相的控制电压标幺后的值d_a，d_b，d_c和A,B,C相控制电压及直流母线电压u_bus的关系如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_a=\frac{u_{\mathrm{ra}}}{u_{\mathrm{bus}}/2}\\ d_b=\frac{u_{\mathrm{rb}}}{u_{\mathrm{bus}}/2}\\ d_c=\frac{u_{\mathrm{rc}}}{u_{\mathrm{bus}}/2}\end{array}\right.$

其中，u_ra，u_rb，u_rc分别为电流控制器输出的A、B、C相的控制电压。

注入共模分量后的A,B,C相的三相调制波d_a'，d_b'，d_c'为：

$\left\{\begin{array}{c}{d_a}^{\′}=d_a+d_z\\ {d_b}^{\′}=d_b+d_z\\ {d_c}^{\′}=d_c+d_z\end{array}\right.$

将A,B,C三相的调制波d_a'，d_b'，d_c'和三角载波进行相应比较，产生逆变器各相桥臂所需的PWM脉冲。

本发明的一个实施例提供一种无DC/DC boost电路光伏逆变器的直流母线电压的给定值的调整方法，该方法包含如下步骤：

逆变器开始并网时，

直流母线电压给定值V_busref从给定的上限值V_{bus_HighLimit}开始运行；

系统会根据检测到的漏电流有效值的大小进行判断，调整直流母线电压的给定值。

优选的，上述方法，若检测到的漏电流的有效值大于预设限定值时，会逐渐增大直流母线电压，

当前直流母线电压给定值V_busref会在上一个控制周期直流母线电压给定值V_busrefold的基础上加上固定电压值ΔV。

进一步的，当直流母线电压给定值增大到上限值V_{bus_HighLimit}，即注入的共模电压为零时，直流母线电压给定值将被限制在上限值V_{bus_HighLimit}；

优选的，上述方法，若检测到的漏电流的有效值小于预设值，会逐渐减小直流母线电压给定值。

进一步的，当前直流母线电压给定值V_busref会在上一个控制周期直流母线电压给定值V_busrefold的基础上减少固定电压值ΔV。

进一步的，当直流母线电压给定值小于下限值V_{bus_LowLimit}，即低于系统正常运行的最低直流母线电压时，直流母线电压给定值会被限制在直流母线给定的下限值V_{bus_LowLimit}。

本发明的一个实施例提供一种有DC/DC Boost电路的光伏逆变器直流母线电压给定值的调整方法，其控制方法与无DC/DC Boost电路的区别仅在于增加了对Boost是否工作的判断：

当Boost停止工作时，直流母线电压给定值被设置为PV电压的给定值；

当Boost启动工作时，其控制方法与无DC/DC Boost电路的控制法相同。

优选的，本发明的实施例还提供一种搭载上述方法的光伏逆变器。

有益效果：

本发明采用的逆变器电压调制方式，采用三相正弦波注入共模分量的方法实现。该方式既简单又能方便的实现不用形式的共模分量注入，可以根据实际的需求来选择合适的共模分量。本发明提到的最小共模电压注入法能保证在相同的直流母线电压和逆变输出线电压的条件下，注入的共模电压分量最小。本发明还通过漏电流的大小相应调节直流母线电压的给定值，当PV对地寄生电容较小时，逆变器可以通过尽可能多的注入共模分量来降低直流母线电压，从而减小开关管的损耗，提高逆变器的运行效率；当PV对地寄生电容因为雨天等原因增大，导致漏电流增大且影响到逆变器正常运行时，又可以通过适当提高直流母线电压来减小共模电压的注入，从而降低漏电流的有效值，保证光伏逆变系统的正常运行。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为三相正弦调制波按最小共模分量注入法注入的共模电压以及注入共模分量后的三相调制波波形；

图2为无DC/DC Boost电路的直流母线电压给定值的调节流程图；

图3为有DC/DC Boost电路的直流母线电压给定值的调节流程图；

图4为无DC/DC Boost电路的非隔离型三相光伏逆变器系统；

图5为带DC/DC Boost电路的非隔离型三相光伏逆变器系统；

图6为多路DC输入的非隔离型三相光伏逆变器系统；

图7为二极管钳位型三电平逆变器；

图8为T型三电平逆变器；

图9为直流母线电容分裂式的两电平逆变器；

图10为逆变器并网的简化等效电路；

图11为逆变器电流控制涉及到的各电压、电流的矢量关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

如图1a所示，分别为逆变器的输出电压调制度时的三相正弦调制波、按最小共模分量注入法注入的共模电压以及注入共模分量后的三相调制波的波形。为逆变器输出电压线性调制的最大调制度，此时注入的共模分量的幅值最大。

图1b所示，分别为调制度M＝1时的三相正弦调制波、按最小共模分量注入法注入的共模电压以及注入共模分量后的三相调制波的波形。随着调制度的降低，注入的共模分量会越来越小，当调制度M≤1时，三相调制波中注入的共模分量为零。

条件说明：

调制度其中u_pk为相电压基波峰值，u_bus为直流母线电压值。

如图2所示，为无DC/DC Boost电路的直流母线电压给定值的调整流程图；

逆变器开始并网时，

直流母线电压给定值V_busref从给定的上限值V_{bus_HighLimit}开始运行(这样能保证逆变器启动时，不会触发漏电流突变保护)；

接下来，

系统会根据检测到的漏电流的有效值大小进行判断，进行增大或减少直流母线电压给定值；

当检测到漏电流的有效值大于预设限定值时，直流母线电压会逐渐增大，当前直流母线电压给定值V_busref会在上一个控制周期直流母线电压给定值V_busrefold的基础上加上固定电压值ΔV，从而减少共模电压的注入，降低PV对地的漏电流有效值；当直流母线电压给定值增大到上限值V_{bus_HighLimit}，即注入的共模电压为零时，直流母线电压给定值将被限制在上限值V_{bus_HighLimit}；

若检测到漏电流的有效值小于预设值，直流母线电压给定值会逐渐减小，当前直流母线电压给定值V_busref会在上一个控制周期直流母线电压给定值V_busrefold的基础上减少固定电压值ΔV，当直流母线电压给定值小于下限值V_{bus_LowLimit}，即低于系统正常运行的最低直流母线电压时，直流母线电压给定值会被限制在直流母线给定的下限值V_{bus_LowLimit}，

结束。

这样有利于降低直流母线的工作电压，从而提高逆变器的运行效率。

ΔV可以根据调节速度的要求进行相应设定，也可以为固定值。

如图3所示，为有DC/DC Boost电路的直流母线电压给定值得调节流程图。其控制方法与无DC/DC Boost电路的区别仅在于增加了对Boost是否工作的判断。

当Boost停止工作时，直流母线电压给定值被设置为PV电压的给定值，

当Boost启动工作时，其控制方法与无DC/DC Boost电路的控制法完全一致。

上述控制方法可以应用于如图4所示的不带DC/DC Boost电路的非隔离型三相光伏逆变器系统；也可以应用于如图5所示的带DC/DC Boost电路的非隔离型三相光伏逆变器系统；还可以应用于如图6所示的多路DC输入的非隔离型三相光伏逆变器系统。

条件说明：

上述方法应用的DC/AC逆变器，可以是如图7所示的二极管钳位型三电平逆变器；也可以是如图8所示的T型三电平逆变器；还可以是如图9所示的直流母线电容分裂式的两电平逆变器。

上述方法中的漏电流检测，通过漏电流检测电路来执行。

如图10所示，为逆变器并网的简化等效电路，各元件的电压和电流的参考方向如图10所示。在控制器中采样的电压为电容电压u_c，u_c也是逆变器接入电网点的电压，采样控制的电流为流过滤波电感L_r的电流i_r，而u_g为等效的电网理想电压源，L_g为电网等效的电感。

如图11所示，为逆变器电流控制涉及到的各电压、电流的矢量关系，

逆变器滤波电感上的压降为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{Lrd}}=-\mathrm{\ω}\·L_r\·i_{\mathrm{rq}}\\ u_{\mathrm{Lrq}}=\mathrm{\ω}\·L_r\·i_{\mathrm{rd}}\end{array}\right.$

其中，u_Lrd和u_Lrq分别为滤波电感L_r上的压降u_Lrd投影在d、q轴上的电压分量。而i_rd和i_rq分别为滤波电感L_r上的电流i_r投影在d、q轴上的电流分量，ω为电网电压的角频率。

系统稳态运行后，逆变器输出的电压u_r与电容电压u_c及电感d、q轴下的电流i_rd、i_rq间的关系如下：

$\left|u_r\right|=\sqrt{{(u_c-\mathrm{\ω}\·L_r\·i_{\mathrm{rq}})}^2+{(\mathrm{\ω}\·L_r\·i_{\mathrm{rd}})}^2}$

其中，u_c为电容对电网中性点的相电压，前面提到的电压、电流量都是相电压或相电流的峰值。

若滤波电感足够小，逆变器输出的稳态电压可以近似为|u_r|＝u_c-ω·L_r·i_rq。

为了简便计算，可将逆变器输出的稳态电压近似估计为|u_r|＝u_c，但这需要根据电感的压降留有一定裕量。

直流母线电压设定的上限值为线性实现逆变器稳态输出电压且逆变器注入共模电压分量为零时的最小电压值，而直流母线电压设定的下限值为逆变器为了线性实现逆变器稳态输出电压所需的最小直流母线电压值。

根据逆变器输出的稳态电压计算出母线电压给定的上、下限值：

$V_{\mathrm{bus}\_\mathrm{HighLimit}}=\sqrt{3}\·\left|u_r\right|\×\frac{2}{\sqrt{3}}+{\mathrm{\ΔV}}_1=2\·\left|u_r\right|+{\mathrm{\ΔV}}_1$

$V_{\mathrm{bus}\_\mathrm{LowLimit}}=\sqrt{3}\·\left|u_r\right|+{\mathrm{\ΔV}}_2$

其中，ΔV₁，ΔV₂是为了考虑采样误差、电感压降或控制裕量等原因留有的一定电压余量值，ΔV₁和ΔV₂也可以被设置为零。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种光伏逆变器的漏电流控制方法，其特征在于：

所述方法，

基于检测到的漏电流的有效值大小，来调整直流母线电压的给定值，

进而调整逆变器输出电压中注入的共模电压分量。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：

采用最小共模电压注入法注入所述共模电压分量。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于：

采用最小共模电压注入法得到的共模分量d_z，如下所示：

当max(d_a,d_b,d_c)＞1时，d_z＝1-max(d_a,d_b,d_c)；

当min(d_a,d_b,d_c)＜-1时，d_z＝-1-min(d_a,d_b,d_c)；

当max(|d_a|,|d_b|,|d_c|)≤1时，d_z＝0；

其中，d_a，d_b，d_c分别为A，B，C相控制电压按为基准标幺后的值，u_bus为直流母线电压值。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于：

所述方法搭载于无DC/DC Boost电路的光伏逆变器中。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于：

调整所述直流母线电压的给定值，包含如下步骤：

逆变器开始并网时，

所述直流母线电压给定值V_busref从给定的上限值V_{bus_HighLimit}开始运行；

系统会根据检测到的所述漏电流有效值的大小进行判断，

调整直流母线电压的给定值。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于：

若所述系统检测到的所述漏电流的有效值大于预设限定值时，会逐渐增大直流母线电压，

当前直流母线电压给定值V_busref会在上一个控制周期直流母线电压给定值V_busrefold的基础上加上固定电压值ΔV。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于：

当直流母线电压给定值增大到上限值V_{bus_HighLimit}，即注入的共模电压为零时，直流母线电压给定值将被限制在上限值V_{bus_HighLimit}。

8.如权利要求5所述方法，其特征在于：

所述方法，若所述系统检测到的所述漏电流的有效值小于预设值，会逐渐减小直流母线电压给定值，

当前直流母线电压给定值V_busref会在上一个控制周期直流母线电压给定值V_busrefold的基础上减少固定电压值ΔV。

9.如权利要求8所述方法，其特征在于：

当直流母线电压给定值小于下限值V_{bus_LowLimit}，即低于系统正常运行的最低直流母线电压时，直流母线电压给定值会被限制在直流母线给定的下限值V_{bus_LowLimit}。

10.如权利要求1所述方法，其特征在于：

所述方法可搭载于有DC/DC Boost电路的光伏逆变器中；

所述方法搭载于有DC/DC Boost电路的光伏逆变器时，

所述方法还包括对Boost是否工作的判断：

当Boost停止工作时，直流母线电压给定值被设置为PV电压的给定值；

当Boost启动工作时，其控制方法与所述无DC/DC Boost电路的控制方法相同。