CN104753083B - 多模块光伏并网逆变器的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种多模块光伏并网逆变器的控制系统，其中，逆变器包括多个逆变器模块，控制系统包括多个第一控制模块和一个第二控制模块，多个第一控制模块，与多个逆变器模块一对一连接，用于采集每个逆变器模块的模块运行数据，并将模块运行数据经过通讯总线传输至第二控制模块；第二控制模块，与多个第一控制模块通过通讯总线连接，用于向多个第一控制模块发送逆变器控制指令，并获取多个第一控制模块采集的逆变器模块的模块运行数据。减少了控制器的硬件资源需求，且简化控制器的硬件结构，同时减少故障所造成的发电损失。

Description

多模块光伏并网逆变器的控制系统

技术领域

本发明涉及光伏并网发电技术领域，尤其涉及一种多模块光伏并网逆变器的控制系统。

背景技术

逆变器是一种将直流电转换成交流电的电源转换装置，是光伏发电系统中重要的电源转换设备。

随着电力电子技术的发展，光伏并网逆变器技术发展已较为成熟，其中，大功率光伏并网逆变器主要分为集中式和模块式两种。在此，针对模块式逆变器而言，其采用多个逆变器模块并联，从而扩展系统功率等级，满足大功率光伏发电场合需求；此外，其可以实现N+1或N+M的冗余设计，当其中的一个或者几个逆变器模块发生故障时，只需将故障的逆变器模块停机处理即可，而其他逆变器模板正常工作，从而能够保证系统正常运行，提高系统可靠性，且易于维护。

综上所述，在光伏并网发电技术中，为实现模块式逆变器的性能及信号监测，并保证模块式逆变器的正常运行，可以通过模块式逆变器控制系统来实现。

目前，常用的模块式逆变器控制系统，如图1所示，为一个逆变器控制器控制N个并联的逆变器模块111-11n，这一个逆变器控制器须完成对N个逆变器模块的信号的采集和监测，同时还要向其他外接设备(例如，上位机、人机显示界面等)发送采集到的逆变器模块的信号，这种结构的控制系统，对逆变器控制器本身的硬件资源需求较大，且会使控制器电路板面积较大，不便于安装；同时，在某一逆变模块出现故障时，需要将整个系统停机处理，才能进行维护工作，对发电耗损较大。

发明内容

本发明的实施例提供一种多模块光伏并网逆变器的控制系统，能够降低控制器的硬件资源需求，简化其电路板结构，且在进行逆变器故障维护时，只需将关闭故障模块单元即可，从而能够减少故障所造成的发电损失。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种多模块光伏并网逆变器的控制系统，其中，逆变器包括多个逆变器模块，控制系统包括多个第一控制模块和一个第二控制模块，多个第一控制模块，与多个逆变器模块一对一连接，用于采集每个逆变器模块的模块运行数据，并将模块运行数据经过通讯总线传输至第二控制模块；第二控制模块，与多个第一控制模块通过通讯总线连接，用于向多个第一控制模块发送逆变器控制指令，并获取多个所述第一控制模块采集的逆变器模块的模块运行数据。

本发明实施例提供的一种多模块光伏并网逆变器的控制系统，将多个第一控制模块与多个逆变器模块一对一连接，最终再通过总线与第二控制模块建立连接，从而将逆变器模块的数据采集以及运行控制功能分布到了多个第一控制模块上，这样减少了主逆变器控制器的硬件资源以及软件资源的要求。此外，由于采用了模块式结构，在进行逆变器故障维护时，只需将关闭故障的逆变器模块以及相应的第一控制模块即可，而不必关闭整个逆变器的控制系统，从而能够减少故障所造成的发电损失。

附图说明

图1为现有技术中的模块式逆变器控制系统示意图；

图2为本发明实施例的多模块光伏并网逆变器的控制系统示意图；

图3为本发明实施例的第一控制模块结构框图；

图4为本发明实施例的第二控制模块结构框图。

具体实施方式

本发明实施例提供的多模块光伏并网逆变器的控制系统，可用于大功率模块式光伏并网逆变器的控制，逆变器由多个逆变器模块并联组成，每一个逆变器模块由与其连接的逆变器控制模块(下文中的第一控制模块)对其进行数据采集，n个逆变器控制模块由一个主控控制模块(下文中的第二控制模块)同步控制，同时，逆变器控制模块还将采集的逆变器模块的数据发送给主控控制模块，主控控制模块可以连接其他分析设备，对逆变器模块的数据进行数据分析，以便对逆变器模块进行维护。

下面结合附图对本发明实施例的多模块光伏并网逆变器的控制系统进行详细描述。

如图2所示，本发明实施例提供的多模块光伏并网逆变器的控制系统，其中，逆变器11包括多个逆变器模块111～11n，控制系统包括多个第一控制模块121～12n和第二控制模块13。

多个第一控制模块121～12n，与多个逆变器模块111～11n一对一连接，用于采集每个逆变器模块的模块运行数据，并将模块运行数据经过通讯总线传输至第二控制模块13；第二控制模块13，与多个第一控制模块121～12n通过通讯总线连接，用于向多个第一控制模块121～12n发送逆变器控制指令，并获取多个第一控制模块121～12n采集的逆变器模块111～11n的模块运行数据。由于本发明实施例中，第一控制模块和逆变模块均为多个，为了表述方便，在下文中，表达单个逆变器模块和单个第一控制模块时用逆变器模块11n和第一控制模块12n的形式表达，在表达多个逆变器模块和多个第一控制模块采用逆变器模块111～11n和第一控制模块121～12n的形式表达。

如图2中所示，光伏阵列1至光伏阵列n将与多个逆变器模块(逆变器模块111至逆变器模块11n)一对一连接，逆变器模块将光伏阵列中输出的直流电转换为交流电，经过隔离变压器最终传输到电网侧。

本发明实施例的控制系统中，采用了的控制体系，采用多个第一控制模块121～12n直接对逆变器模块111～11n进行监测和控制，然后通过总线方式将多个第一控制模块121～12n与第二控制模块13建立通讯连接，从而将逆变器的数据采集以及运行控制功能分布到了多个第一控制模块121～12n上，从而能够减少主逆变器控制器的负担，降低逆变器控制器的硬软件的要求，同时还便于故障维护，有利于而保障整个电网正常工作运行。

下面将从以下几个方面进一步对本发明实施例进行说明。

(一)第一控制模块

根据本发明实施例，第一控制模块121～12n可以作为逆变器模块111～11n与第二控制模块13之间的交互枢纽，逆变器模块11n通过与其对应的第一控制模块12n将其模块运行数据发送给第二控制模块13，第二控制模块13则通过第一控制模块121～12n向逆变器模块111～11n发送逆变器控制指令，这里所提出的逆变器控制指令包括但不限于逆变器模块启动指令、逆变器模块停止指令以及控制第一控制模块121～12n对逆变器模块111～11n进行数据采集的指令。

如图3所示，根据本发明实施例，每一个第一控制模块12n可以包括图3中所示的功能单元，具体而言，第一控制模块12n可以包括逆变控制器21、信号采集单元22、PWM驱动单元23以及第一数据通信接口单元24。

其中，信号采集单元22，与逆变控制器21和逆变器模块11n连接，用于采集逆变器模块11n的模块运行数据，并发送给逆变控制器21。

PWM驱动单元23，与逆变控制器21和逆变器模块11n连接，用于调理由逆变器控制器21生成的PWM控制信号，并向逆变器模块11n的IGBT单元发送PWM控制信号。

第一数据通信接口单元24，与逆变控制器21连接，并通过通讯总线与第二控制模块13通讯连接。

逆变控制器21，用于接收信号采集单元22采集的模块运行数据并控制第一数据通信接口单元24接收来自第二控制模块13的逆变器控制指令，根据模块运行数据和逆变器控制指令，生成PWM控制信号，并将PWM控制信号发送给PWM驱动单元23，以及控制第一数据通信接口单元24向第二控制模块13发送模块运行数据。逆变控制器21可以采用DSP126芯片，但是不限于DSP126芯片，只要能够实现第一控制模块12n的功能即可。

其中，信号采集单元22可以包括数字信号采集单元和模拟信号采集单元。

进一步来说，数字信号采集单元用于采集逆变器模块的交直流断路器状态信号、接触器状态信号、熔断器状态信号、交直流过流信号、交直流过压信号以及IGBT故障信号中的任意一个或多个；模拟信号采集单元用于采集逆变器模块的三相交流电流信号、三相交流电压信号、直流电流信号、直流电压信号以及IGBT单元的温度信号中的任意一个或多个。此外，数字信号采集单元还可以根据采集到的接触器状态信号生成接触器动作指令和PWM信号。

根据本发明的优选实施例，第一控制模块12n还可以包括第一存储单元25，与逆变控制器21连接，用于存储信号采集单元22采集到的所述模块运行数据。其中，第一存储单元25可以包括随机存储器(RAM)和带电可擦可编程只读存储器(EEPROM，一种掉电后数据不丢失的存储芯片)，RAM和EEPROM可以在系统中各司其职，例如，在多模块光伏并网逆变器系统发生故障时，在故障发生时刻前后一段时间内，第一存储单元25可以将采集到的数据(例如，模块运行数据)存储到RAM中，可以供故障分析时候使用，另一方面，EEPROM用于存储系统参数，即在不同控制模式或者不同控制功能，存储数据，以供在第二控制模块13发送逆变器控制指令时，调取相应的系统参数进行控制，同时，在系统进行升级时，EEPROM还可以进行系统参数存储。

总体来说，前述数字信号采集单元和模拟信号采集单元采集的到的数据即为逆变器模块的模块运行数据，第一控制模块121～12n将这些模块运行数据通过通讯总线发送给第二控制模块13，第二控制模块13会根据包括模块运行数据的数据信息生成逆变器控制指令，同时，第二控制模块还将这些数据发送给一些外部分析设备(或者显示设备)，从而实现对逆变器模块的故障定位及维护。

另一方面，在第一控制模块12n中的逆变控制器21还包括最大功率点跟踪功能，用于对光伏电池板的最大功率点进行跟踪。

此外，为了能够使第一控制模块121～12n“读懂”第二控制模块13发送的逆变器控制指令，第一控制模块121～12n与外部程序管理器(图中未示出)通讯连接，用于下载对逆变器控制指令进行解析的控制程序，该控制程序中包含第一控制模块121～12n与第二控制模块13进行通信所需的通信协议，例如，第二控制模块13发送的逆变器开启指令为01010110，这个控制程序会将该指令解析为逆变器开启指令，与第一控制模块121～12n的对应连接的逆变器模块执行开启操作。第一控制模块121～12n与外部程序管理器的连接可以通过总线连接，例如RS485总线。

(二)第二控制模块

第二控制模块13作为本发明实施例的控制系统的总控制器，其通过每个第一控制模块12n对对应的逆变器模块11n进行控制，同时，还可以将获得的每一个逆变器模块(111～11n)的模块运行数据和逆变器11的整机运行数据发送至显示设备、上位机、外部分析设备等，对这些运行数据进行显示、分析，从而对逆变器模块111～11n(或作为整体的逆变器11)进行维护。

如图4所示，第二控制模块13可以具体包括主控制器131、第二数据通信接口单元132以及计量信号采集单元133，

计量信号采集单元133，与逆变器11连接和主控制器131连接，用于采集逆变器11的整机运行数据，并发送给主控制器131；对于计量信号采集单元133，想要指出的是，其与第一控制模块121～12n中的信号采集单元22不同的是，信号采集单元22是与逆变器11中的其中一个逆变器模块111～11n中的一个逆变器模块连接，对这一个逆变器模块11n的运行数据进行采集(即模块运行数据)，而计量信号采集单元133的输入端与多个逆变器模块111～11n构成的作为整体逆变器11直接连接(例如连接在逆变器11的输出端上)，计量信号采集单元133输出端与主控制器131连接，将对逆变器11进行整机运行数据采集，并发送给主控制器131。

第二数据通信接口单元132与主控制器131连接，并通过通讯总线与第一控制模块121～12n通讯连接(具体来说，可以是与第一控制模块121～12n的第一数据通信接口单元24通讯连接)。

主控制器131，用于控制第二数据通信接口单元132接收来自第一控制模块121～12n的模块运行数据，并且接收计量信号采集单元133采集的逆变器11的整机运行数据，根据模块运行数据和整机运行数据，生成针对各个逆变器模块11n的逆变器控制指令，并通过第二数据通信接口单元132向各个第一控制模块121～12n发送。

其中，整机运行数据包括逆变器11的网侧三相交流电流信号、网侧三相交流电压信号、逆变器启动信号、逆变器复位信号、逆变器急停状态信号以及浪涌信号中的任意一个或多个。

如上所述，第二控制模块13与第一控制模块121～12n两者建立了数据交互，但要对逆变器11或逆变器模块11n的数据进一步分析，以对其进行故障维护，第二控制模块13还包括第三数据通信接口单元134以及第二存储单元135。

其中，第二存储单元135，与主控制器131连接，用于存储模块运行数据和整机运行数据；第三数据通信接口单元134，与主控制器131和外接设备连接。

基于第三数据通信接口单元134和第二存储单元135，主控制器131还用于控制第二存储单元135进行数据存取和通过第三数据通信接口134向外接设备传输第二存储单元135中存储的模块运行数据和整机运行数据。

进一步来说，第三数据通信接口单元134为以太网接口或USB接口或SD卡接口。如果为以太网接口，则第三数据通信接口单元134与外部设备之间可以通过网络连接，建立数据传输，通过网络将模块运行数据和所述整机运行数据传输给外部设备(例如，分析设备、显示设备等)，这种连接方式，适用于适合安装网络的应用环境；如果为USB接口或SD卡接口，则可以通过外部设备对应的USB接口(USB接线)或SD卡接口建立数据传输。

可选地，第三数据通信接口单元134也可以是前述三种接口的结合，即包括以太网接口、USB接口和SD卡接口，使该控制系统与外部设备的数据交互可以采用多种连接方式，增强系统的适用性。

另外，为了能够实现对逆变器11和每个逆变器模块11n的全面监控，并克服逆变器11的应用环境(室外)和监控设备的安装环境(通常在室内)的远距离数据传输问题，第二控制模块13可以与电网监控平台通讯连接，将模块运行数据和整机模块运行数据发送给电网监控平台，从而实现对逆变器11和每个逆变器模块11n的故障监控，第二控制模块13与电网监控平台可以通过总线连接，例如RS485总线。

(三)通讯总线

前述提及第一控制模块121～12n和第二控制模块13是通过通讯总线连接，建立数据交互关系。

根据本发明实施例，通讯总线可以包括CAN总线和同步总线，其中，CAN总线，用于在第一控制模块与第二控制模块之间传输模块运行数据；同步总线，用于在第一控制模块与第二控制模块之间传输时钟同步信号和逆变器控制指令。

这里所说的逆变器控制指令在前面的内容中已经详述，在此不再赘述，在此主要介绍时钟同步信号。

本发明实施例的通讯总线采用CAN总线和同步总线，CAN总线主要用于第一控制模块121～12n和第二控制模块13之间的运行数据的交互，而同步总线则是用于向每一个第一控制模块12n发送时钟同步信号，从而控制每一个逆变模块11n同步运行，实现逆变器11(多个逆变器模块111～11n)的时间同步，此外，同步总线还能够向每一个第一控制模块12n传输第二控制模块13的逆变器控制指令，如此，能够将数据交互和指令传输的通道分开，从而保障数据传输的完整和时效性，同时还能保证逆变器11同步运行。

本领域技术人员可以理解的是，通讯总线可以不限于CAN总线和同步总线的这一组合，只要能够实现本发明实施例中第一控制模块121～12n可以第二控制模块13的数据交互，以及多个逆变器模块111～11n(或者逆变器11)时钟同步即可；另外，对于第一控制模块121～12n和第二控制模块13，也可以不限于前述功能单元，可以根据实际的应用需求，相应地对第一控制模块121～12n或/和第二控制模块13扩展功能单元。

综上所述，本发明实施例提供的一种多模块光伏并网逆变器的控制系统具有如下技术效果：

1)由于将第一控制模块与逆变器模块一对一连接，最终再通过总线与第二控制模块建立通讯连接，每个第一控制模块可以具备独立的信号采集、逆变器控制以及PWM驱动功能，从而实现了针对每个逆变器模块的模块化控制，合理地将逆变器模块的数据采集以及运行控制功能分布到了多个第一控制模块上，这样减少了主逆变器控制器的硬件资源以及软件程序的复杂程度。

2)整个系统更加便于故障维护。在进行逆变器故障维护时，只需将故障的逆变器模块11n停机，而不影响其他逆变器模块的正常运行，从而能够减少故障所造成的发电损失。

3)在每个第一控制模块的逆变控制器中还设置有最大功率点跟踪单元，从而实现整机逆变器的多路最大功率点跟踪功能，有效提高系统(整个光伏发电系统)发电效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多模块光伏并网逆变器的控制系统，其特征在于，所述逆变器包括多个逆变器模块，所述控制系统包括多个第一控制模块和一个第二控制模块，

多个所述第一控制模块，与多个逆变器模块一对一连接，用于采集每个逆变器模块的模块运行数据，并将所述模块运行数据经过通讯总线传输至所述第二控制模块；

所述第二控制模块，与多个所述第一控制模块通过所述通讯总线连接，用于向多个所述第一控制模块发送逆变器控制指令，并获取多个所述第一控制模块采集的所述逆变器模块的模块运行数据；

其中，所述第一控制模块包括逆变控制器、信号采集单元、PWM驱动单元以及第一数据通信接口单元，

所述信号采集单元，与所述逆变控制器和所述逆变器模块连接，用于采集逆变器模块的模块运行数据，并发送给所述逆变控制器；

所述PWM驱动单元，与所述逆变控制器和所述逆变器模块连接，用于调理由所述逆变控制器生成的PWM控制信号，向所述逆变器模块的IGBT单元发送所述PWM控制信号；

所述第一数据通信接口单元与所述逆变控制器连接，用于通过所述通讯总线与所述第二控制模块通讯连接；

所述逆变控制器，用于接收所述信号采集单元采集的模块运行数据并控制第一数据通信接口单元接收来自第二控制模块的逆变器控制指令，根据所述模块运行数据和所述逆变器控制指令，生成PWM控制信号，并将所述PWM控制信号发送给所述PWM驱动单元，以及控制第一数据通信接口单元向所述第二控制模块发送所述模块运行数据；

所述第二控制模块包括主控制器、第二数据通信接口单元以及计量信号采集单元，

所述计量信号采集单元，与所述逆变器连接和所述主控制器连接，用于采集所述逆变器的整机运行数据，并发送给所述主控制器；

所述第二数据通信接口单元与所述主控制器连接，并通过所述通讯总线与所述第一控制模块通讯连接；

所述主控制器，用于控制所述第二数据通信接口单元接收来自所述第一控制模块的所述模块运行数据，并且接收所述计量信号采集单元采集的逆变器的整机运行数据，根据所述模块运行数据和整机运行数据，生成针对各个所述逆变器模块的逆变器控制指令，并通过所述第二数据通信接口单元向各个所述第一控制模块发送。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述信号采集单元包括数字信号采集单元和模拟信号采集单元，

所述数字信号采集单元，用于采集所述逆变器模块的交直流断路器状态信号、接触器状态信号、熔断器状态信号、交直流过流信号、交直流过压信号以及IGBT故障信号中的任意一个或多个；

所述模拟信号采集单元，用于采集所述逆变器模块的三相交流电流信号、三相交流电压信号、直流电流信号、直流电压信号以及IGBT单元的温度信号中的任意一个或多个。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制模块与外部程序管理器通讯连接，用于下载对所述逆变器控制指令进行解析的控制程序。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第二控制模块还包括第三数据通信接口单元以及第二存储单元，

所述第二存储单元，与所述主控制器连接，用于存储所述模块运行数据和所述整机运行数据；

所述第三数据通信接口单元，与所述主控制器和外接设备连接；

所述主控制器还用于控制所述第二存储单元进行数据存取和通过所述第三数据通信接口向所述外接设备传输所述第二存储单元中存储的所述模块运行数据和所述整机运行数据。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一控制模块还包括第一存储单元，与所述逆变控制器连接，用于存储所述信号采集单元采集到的所述模块运行数据。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述逆变控制器包括最大功率点跟踪单元，用于对光伏电池板的最大功率点进行跟踪。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述整机运行数据包括所述逆变器的网侧三相交流电流信号、网侧三相交流电压信号、逆变器启动信号、逆变器复位信号、逆变器急停状态信号以及浪涌信号中的任意一个或多个。

8.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述第三数据通信接口单元为以太网接口或USB接口或SD卡接口。

9.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第二控制模块与电网监控平台通讯连接，将所述模块运行数据和所述整机运行数据发送给所述电网监控平台。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述通讯总线包括CAN总线和同步总线，

所述CAN总线，用于在所述第一控制模块与所述第二控制模块之间传输所述模块运行数据；

所述同步总线，用于在所述第一控制模块与所述第二控制模块之间传输时钟同步信号和逆变器控制指令。