CN104467007B - 单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，它包括主控制器、光纤通信单元、多个分控制器、驱动器，过零比较器，电压互感器；所述主控制器通过光纤通信单元与各个分控制器相连，分控制器的输出端与驱动器相连。所述主控制器检测电网电压参数，对整个控制系统进行统一调节，主控制器控制各分控制器，分控制器根据主控制器的要求控制DC‑DC模块和DC‑AC模块的运行，所得总的输出电压即为一个等效正弦波形的阶梯电压波形。本发明采用二级分布式控制方式，实现对各个逆变单元的等同控制，每级的开关器件承受的电流和电压强度低，无均压、均流的要求，可以很方便地采用n+1冗余设计方案，提高了电路可靠性和稳定性。本发明结构简单、操作方便。

Description

单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统
所属技术领域
本发明涉及到光伏并网逆变器控制系统领域，特指一种单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统。
背景技术
随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断增加，世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时，由于大量燃烧矿物能源，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和发展构成了很大的威胁。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的高度重视，各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展。
级联多电平光伏并网逆变器是光伏逆变器的一种，这种电路拓扑，其开关器件上的电压应力小、模块化程度高、易于扩展和控制、可靠性好、输出电压谐波畸变系数小、故障容错能力强，非常适合大功率光伏发电。
但由于级联多电平逆变器随着级联单元数的增加，导致实现困难，本发明提出的单相级联多电平光伏逆变器控制系统可以独立控制各单元的功率输出，使得光伏逆变系统中电池板工作在不匹配的状态下也可以进行独立的最大功率点跟踪(Maximum PowerPointTracking，简称mppt)控制，系统在开关频率较低的情况下获得满意的输出效果，不仅降低了开关损耗，减小了滤波器体积，节约了滤波器成本，同时有效地提高了功率变换系统的效率。
发明内容
本发明的目的是设计一种单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，使得光伏电池阵列工作在最大功率点，保证级联多电平逆变器稳定可靠运行以及整个级联多电平光伏逆变器控制系统的协同配合，最终实现输出电压跟踪电网电压的变化。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，所述单相级联多电平光伏并网逆变器由PV阵列(即光伏电池阵列)、DC-DC模块、级联多电平逆变器和电网组成；所述级联多电平逆变器由多个DC-AC模块级联组成；所述DC-DC模块、级联多电平逆变器是连接PV阵列和电网的关键部件，DC-DC模块为DC-AC模块提供稳定的直流电压源，级联多电平逆变器向电网注入开弦电流；所述单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统由主控制器、光纤通信单元、多个分控制器、驱动器、过零比较器和电压互感器组成；所述主控制器通过光纤通信单元与各个分控制器相连，分控制器的输出端与驱动器相连，驱动器包括驱动器一和驱动器二，驱动器一与DC-DC模块相连，用于实现DC-DC模块的电压变换和mppt控制，驱动器二与DC-AC模块相连，用于实现DC-AC模块的逆变。
所述主控制器检测电网电压参数，对整个控制系统进行统一调节，主控制器给各分控制器发出指令，要求各个DC-DC模块输出电压大小相等，同时给出各个分控制器及其控制的DC-AC模块相应编号和总的有效级联单元数；各分控制器根据检测的PV模块输出电压和电流，决定DC-DC模块开关管驱动信号脉冲的占空比并实现最大功率点跟踪控制，同时各个分控制器根据有效级联单元数及编号计算各自DC-AC模块PWM信号的频率、相位及占空比。各个DC-AC模块输出电压级联，所得总的输出电压即为一个等效正弦波形的阶梯电压波形。
为了实现单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，包括以下控制步骤：
步骤一：主控制器检测电网电压幅值UMAX和频率f；
步骤二：电网电压经电压互感器转换为适合控制系统的低压信号，该低压信号经过零比较器输出一个方波信号PWM0；
步骤三：主控制器检测级联多电平逆变器的有效DC-AC模块数并计为n，同时给各个分控制器及其对应的DC-AC模块顺序编号1,2,3,ΛΛ，i,ΛΛ，n；
步骤四：主控制器给分控制发出指令，要求各个DC-DC模块输出电压为UMAX/n；
步骤五：主控制器检测PWM0信号的过零点，计算DC-AC模块输出电压UMAX/n的相位角及持续时间：
各个DC-AC模块输出电压UMAX/n的相位差为：
第i个DC-AC模块输出电压UMAX/n的相位角为：
第i个DC-AC模块输出电压UMAX/n的持续时间为：[2n-(2i-1)]/(4nf)
步骤六：各个分控制器根据主控制器给予的编号以及要求的对应DC-AC模块工作的相位角和工作持续时间确定各个DC-AC模块的控制信号。
步骤七，分控制器输出的控制DC-AC模块的控制信号与过零比较器输出的方波信号PWM0相乘，所得信号送驱动模块二，用于驱动DC-AC模块，实现级联逆变器输出电压正负半周对称。
步骤八：分控制器通过检测PV模块输出电压及电流，以及主控制器要求DC-DC模块输出电压为UMAX/n，计算DC-DC模块上开关管的PWM信号占空比，实现PV模块的最大功率点跟踪控制。
与现有技术相比，本发明的上述方案采用一个主控制器和多个分控制器的结构，主控制器与多个分控制器之间采用光纤通信，使光伏逆变系统构成一个两级分布式控制系统，控制系统的速度大大提高，本发明利用电网电压信号实现各个DC-AC模块之间的同步和协调，通信系统无须对逆变器的波形进行实时控制，提高了控制系统的可靠性，节约了成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是单相级联多电平光伏并网逆变器及控制系统的结构框架示意图；
图2是控制系统框架结构示意图；
图3是单相级联多电平光伏并网逆变器主电路拓扑结构图；
图4是典型波形图；
图5是本发明的具体实施例。
图例说明
1、PV阵列 2、DC-DC模块 3、DC-AC模块
4、控制系统 41、主控制器 42、通信单元
43、分控制器 44、驱动器一 45、驱动器二
46、过零比较器 5、电压互感器
符号说明
C1、C2、C3、Cn、C1′、C2′、C3′、Cn′：滤波电容
Q1、Q2、Qn、Q11、Q12、Q13、Q14、Q21、Q22、Q23、Q24、Qn1、Qn2、Qn3、Qn4：IGBT
L、L1、L2、Ln：电感 D1、D2、Dn：二极管
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
参见图2所示，控制系统(4)包括主控制器(41)、通信单元(42)以及n个分控制器(43)、n个驱动器一(44)和n个驱动器二(45)，主控制器(41)通过通信单元(42)与n个的分控制器(43)的输入端相连，分控制器(43)的输出端与n个驱动器一(44)和n个驱动器二(45)相连，n个驱动器一(44)的输出信号直接接到各个DC-DC模块(2)的开关器件，n个驱动器二(45)的输出信号直接接到各个DC-AC模块(3)的各个开关器件；DC-DC模块(2)的输出电流通过电流互感器送到分控制器(43)；DC-DC模块(2)的输入电压通过电压互感器送到分控制器(43)。
参见图4所示，典型信号波形，PWM0的过零点开始计时，相邻DC-AC模块工作时序相位差Δφ＝π/(2n)，第i个模块在(i+1/2)Δφ相位开始工作，工作持续时间[2n-(2i-1)]/(4nf)。分控制器输出的控制DC-AC模块的控制信号如果直接控制DC-AC模块则得到电压u波形，为了使得输出波形是正弦，如图4中的uMN，必须把分控制器输出的控制DC-AC模块的控制信号与过零比较器输出的信号相乘。
参见图5所示，本实施例的主电路有3个PV阵列(1)、3个DC-DC模块(2)、3个DC-AC模块(3)，3个DC-AC模块(3)的输出端串联组成三级逆变器。在本实施例中，通信单元(42)采用光纤通信，主控制器(41)和分控制器(43)均采用微处理器。本实施例中，控制系统(4)由1个主控制器(41)、1个通信单元(42)和3个分控制器(43)以及3个驱动器一(44)、3个驱动器二(45)组成；每个DC-DC模块(2)及其对应的DC-AC模块(3)共用一个独立的分控制器(43)，其作用为实现对DC-DC模块(2)以及DC-AC模块(3)的控制和保护，产生每个开关器件的驱动信号，分控制器(43)检测PV阵列(1)的输出电压信号和输出电流信号用于实现对PV阵列(1)的mppt控制。DC-AC模块(3)对地的电压是浮动的，因此，分控制器(43)互相之间及它们对地在电气上是隔离的，主控制器(41)和分控制器(43)之间采用光纤通信。
工作时，第1级的主控制器(41)先进行数据处理，再通过通信单元(42)的将控制信号分别送至位于第2级的分控制器(43)，分控制器(43)根据主控制器(41)的控制信号，分别控制DC-DC模块(2)利DC-AC模块(3)，DC-AC模块(3)的输出端串连，M、N端输出交流电压，在工作中，分控制器(43)PV阵列(1)的输出电压和输出电流实现对PV阵列(1)的mppt控制，主控制器(41)通过检测电网的电压参数，给各个分控制器(43)发送控制信号，各个分控制器(43)调整相应的DC-DC模块(2)和DC-AC模块(3)的工作状态。
以上仅为本发明的一个实施例，本发明并不局限于上述实施例，只要属于本发明构思下的技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，包括：主控制器、光纤通信单元、多个分控制器、驱动器，过零比较器，电压互感器；所述主控制器通过光纤通信单元与各个分控制器相连，分控制器的输出端与驱动器相连，驱动器包括驱动器一和驱动器二，其特征在于：基于二级分布式控制系统，具有等同控制单相级联多电平光伏并网逆变器各级联单元输出电压的功能；
所述主控制器检测电网电压参数，对整个控制系统进行统一调节，主控制器给各分控制器发出指令，要求各个DC-DC模块输出电压大小相等；各分控制器控制DC-DC模块和DC-AC模块的运行，各个DC-AC模块输出电压级联，所得总的输出电压即为一个等效正弦波形的阶梯电压波形；
所述主控制器检测级联多电平逆变器的有效DC-AC模块数并计为n，同时给各个分控制器及其对应的DC-AC模块顺序编号1，2，3，……，i，……，n；主控制器检测电网电压幅值UMAX和频率f；
所述过零比较器把电压互感器输出电压转换为一个方波信号PWM0；
所述主控制器给分控制发出指令，要求各个DC-DC模块输出电压为UMAX/n；
所述主控制器检测PWM0信号的过零点，计算DC-AC模块输出电压UMAX/n的相位角及持续时间：
各个DC-AC模块输出电压UMAX/n的相位差为：
第i个DC-AC模块输出电压UMAX/n的相位角为：
第i个DC-AC模块输出电压UMAX/n的持续时间为：[2n-(2i-1)]/(4nf)；
所述各个分控制器根据主控制器给予的编号以及要求的对应DC-AC模块工作的相位角和工作持续时间确定各个DC-AC模块的控制信号；
所述分控制器输出的控制DC-AC模块的控制信号与过零比较器输出的方波信号PWM0相乘，所得信号送驱动模块二，实现级联逆变器输出电压正负半周对称；
所述分控制器通过检测PV模块输出电压及电流，以及主控制器要求DC-DC模块输出电压为UMAX/n，计算DC-DC模块上开关管的PWM信号占空比，实现PV模块的最大功率点跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的单相级联多电平光伏并网逆变器控制系统，其特征在于：所述电压互感器用于把电网的高电压转换为控制系统所需要的低电压。
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