CN105431992B - 太阳能发电用逆变器的控制装置 - Google Patents

太阳能发电用逆变器的控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明是逆变器(1)的控制装置(2)，基于交流电力系统(7)的系统电压(Vr)及施加于逆变器(1)的直流电压(Vdc)，检测逆变器(1)的输出电压的不足，基于输出电流(Iiv)中包含的高次谐波，检测输出电流(Iiv)的失真，对逆变器(1)进行最大功率点跟踪控制，在检测出输出电压(Viv)的不足，并检测出输出电流(Iiv)的失真的情况下，将施加于逆变器(1)的直流电压(Vdc)控制为比最大功率点跟踪控制的最大功率点(Pmpp)要低的功率点的电压。

Description

太阳能发电用逆变器的控制装置
技术领域
本发明涉及太阳能发电用逆变器的控制装置。
背景技术
一般而言，为了与交流电力系统进行互连，在太阳能发电系统中使用逆变器。逆变器将太阳能电池发电得到的直流电转换成与交流电力系统同步了的交流电，并提供给交流电力系统。
然而，具有如下情况：太阳能发电用逆变器因系统电压的变动等，而导致逆变器的输出电压不足，从而输出电流产生失真，输出电流反相流动(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平11-122818号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能防止因逆变器的输出电压不足而导致输出电流产生失真的太阳能发电用逆变器的控制装置。
基于本发明的观点的太阳能发电用逆变器的控制装置是将由太阳能发电得到的电力转换成与交流电力系统互连的交流电的太阳能发电用逆变器的控制装置，包括：系统电压检测单元，该系统电压检测单元检测所述交流电力系统的系统电压；直流电压检测单元，该直流电压检测单元检测施加于所述逆变器的直流电压；输出电压不足检测单元，该输出电压不足检测单元基于由所述系统电压检测单元检测到的所述系统电压及由所述直流电压检测单元检测到的所述直流电压，检测出所述逆变器的输出电压的不足；输出电流检测单元，该输出电流检测单元检测所述逆变器的输出电流；输出电流失真检测单元，该输出电流失真检测单元基于由所述输出电流检测单元检测到的所述输出电流中包含的高次谐波，检测所述输出电流的失真；最大功率点跟踪控制单元，该最大功率点跟踪控制单元对所述逆变器进行最大功率点跟踪控制；以及输出电流失真时控制单元，在由所述输出电压不足检测单元检测到所述输出电压的不足、由所述输出电流失真检测单元检测到所述输出电流的失真的情况下，该输出电流失真时控制单元将施加于所述逆变器的直流电压控制为比所述最大功率点跟踪控制的最大功率点要低的功率点的电压。
附图说明
图1是表示应用了本发明的实施方式1所涉及的逆变器的控制装置的太阳能发电系统的结构的结构图。
图2是表示实施方式1所涉及的太阳能电池的发电电力的特性的特性图。
图3是表示实施方式1所涉及的失真防止指令部的结构的结构图。
图4是表示应用了本发明的实施方式2所涉及的逆变器的控制装置的太阳能发电系统的结构的结构图。
图5是表示实施方式2所涉及的太阳能电池的发电电力的特性的特性图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1是表示应用了本发明的实施方式1所涉及的逆变器1的控制装置2的太阳能发电系统10的结构的结构图。另外，对图中的相同部分标注相同标号并省略其详细说明，主要针对不同部分进行阐述。
太阳能发电系统10包括：逆变器1、控制装置2、太阳能电池3、平滑电容器4、交流滤波器5、互连变压器6、交流电力系统7、直流电压检测器11、直流电流检测器12、交流电流检测器13、及交流电压检测器14。
太阳能电池3是利用光(太阳光)进行发电的电池。太阳能电池3将发电得到的电力提供给逆变器1。
逆变器1将由太阳能电池3提供的直流电转换成与交流电力系统7同步的交流电。逆变器1将转换后的交流电经由互连变压器6提供给交流电力系统7。逆变器1利用脉宽调制(PWM,pulse width modulation)来控制。逆变器1利用从控制装置2输出的栅极信号Gt来进行功率转换的控制。逆变器1例如是PCS(power conditioning system：功率调节系统)。
平滑电容器4设置于逆变器1的直流侧(输入侧)。平滑电容器4对由太阳能电池3提供给逆变器1的直流电压进行平滑化。
交流滤波器5包括电抗器51及电容器52。交流滤波器5抑制由逆变器1输出的高次谐波。
直流电压检测器11是用于测量逆变器1的直流侧的电压Vdc(平滑电容器4的电压)的检测器。直流電圧检测器11将检测到的直流电压Vdc输出至控制装置2。
直流电流检测器12是用于对流到逆变器1的直流侧的电流Idc进行测量的检测器。直流電圧检测器12将检测到的直流电流Idc输出至控制装置2。
交流电流检测器13是用于对逆变器1的交流侧(输出侧)的电流Iiv进行测量的检测器。交流电流检测器13将检测到的交流电流Iiv输出至控制装置2。
交流电压检测器14是用于对交流电力系统7的系统电压Vr进行测量的检测器。交流电压检测器14将检测到的系统电压Vr输出至控制装置2。
控制装置2包括：功率运算部21、MPPT(maximum power point tracking：最大功率点跟踪)22、直流电压控制部23、电流控制部24、PWM控制部25、失真防止指令部26。
功率运算部21基于直流电压检测器11检测到的直流电压Vdc及直流电流检测器12检测到的直流电流Idc来运算直流功率Pdc。功率运算部21将运算得到的直流功率Pdc输出至MPPT22。
MPPT22基于功率运算部21运算得到的直流功率Pdc，将使直流电压增加或减少的电压增减信号Vn输出至直流电压控制部23。通常情况下(没有从失真防止指令部26接收到信号Sp的情况)，MPPT22输出由最大功率点跟踪控制所决定的电压增减信号Vn。在从失真防止指令部26接收到信号Sp的情况下，MPPT22不进行最大功率点跟踪控制，而输出所决定的电压增减信号Vn，以防止逆变器1的输出电流Iiv的波形产生失真。
参照图2，对MPPT22所进行的直流电压Vdc的控制进行说明。图2是表示本发明所涉及的太阳能电池3的发电电力的特性的特性图。
MPPT2如下所示那样进行跟踪图2所示的最大功率点Pmpp的电压(最大功率点电压)Vmpp的控制(最大功率点跟踪控制)。
首先，MPPT22测量某个电压Vdc下的直流功率Pdc。
接着，MPPT22输出使直流电压Vdc上升(或下降)预先决定的1阶梯量的电压的电压增减信号Vn。在直流电压Vdc上升后(或下降后)，MPPT22测量直流功率Pdc。MPPT22对上一次测量到的直流功率Pdc和这一次重新测量到的直流功率Pdc进行比较。
在比较得到的结果是这一次重新测量到的直流功率Pdc较多的情况下，MPPT22输出与上一次相同的电压增减信号Vn。即，若上一次的电压增减信号Vn是使电压上升的信号，则这一次也作为使电压上升的信号输出电压增减信号Vn。若上一次的电压增减信号Vn是使电压下降的信号，则这一次也作为使电压下降的信号输出电压增减信号Vn。另一方面，在比较得到的结果是这一次重新测量到的直流功率Pdc较少的情况下，MPPT22输出与上一次不同的电压增减信号Vn。
通过反复进行上述步骤，MPPT22进行控制，以使得直流电压Vdc始终位于最大功率点电压Vmpp的附近。
将由直流电压检测器11检测到的直流电压Vdc及由MPPT22决定的电压增减信号Vn输入至直流电压控制部23。直流电压控制部23基于直流电压Vdc及电压增减信号Vn运算用于控制直流电压Vdc的直流电压指令值Vdcr。直流电压控制部23将计算得到的直流电压指令值Vdcr输出至电流控制部24。
电流控制部24中输入有由交流电流检测器13检测到的输出电流Iiv、功率运算部21运算得到的直流功率Pdc、及由直流电压控制部23运算得到的直流电压指令值Vdcr。电流控制部24基于输出电流Iiv、直流功率Pdc、及直流电压指令值Vdcr运算用于控制逆变器1的输出电压的电压指令值Vivr。电流控制部24将运算得到的电压指令值Vivr输出至PWM控制部25。
PWM控制部25输入有电流控制部24运算得到的电压指令值Vivr。PWM控制部25生成驱动逆变器1的开关元件的栅极信号Gt，以使逆变器1的输出电压追随电压指令值Vivr。PWM控制部25利用生成的栅极信号Gt对逆变器1进行PWM控制。
失真防止指令部26中输入有直流电压检测器11检测到的直流电压Vdc、交流电流检测器13检测到的逆变器1的输出电流Iiv、及交流电压检测器14检测到的交流电力系统7的系统电压Vr。失真防止指令部26基于直流电压Vdc、输出电流Iiv及系统电压Vr，判断是否需要用于防止输出电流Iiv的失真的控制。在判断为需要用于防止输出电流Iiv的失真的控制的情况下，失真防止指令部26向MPPT22输出用于进行该控制的控制信号Sp。
图3是表示本实施方式所涉及的失真防止指令部26的结构的结构图。
失真防止指令部26包括输出电压不足检测部61、输出电流失真检测部62及与电路63。
输出电压不足检测部61基于直流电压Vdc及系统电压Vr，判断逆变器1的输出电压是否不足。输出电压不足检测部61在直流电压Vdc低于根据系统电压Vr决定的基准电压的情况下，判断为输出电压不足。基准电压只要是基于系统电压Vr而运算得到的电压即可，可以以任意方式运算得到。例如，基准电压通过对系统电压Vr的波峰值乘上预先设定的系数而运算得到。输出电压不足检测部61在判断为输出电压不足的情况下，将表示检测到输出电压不足的检测信号Sv输出至与电路63。
例如，在将互连变压器6的变压比设为1：1时，在直流电压Vdc低于系统电压Vr的波峰值的情况下，输出电压不足检测部61判断为输出电压不足。即，为了从逆变器1输出相当于系统电压Vr的电压，而使直流电压Vdc小于理论上所需最低限度的电压时，输出电压不足检测部61判断为输出电压不足。因而，在逆变器1被三次重叠控制的情况下，即使直流电压Vdc低于系统电压Vr的波峰值，有时逆变器1的输出电压也不会不足。
输出电流失真检测部62判断输出电流Iiv的波形是否失真。输出电流失真检测部62在判断为输出电流Iiv失真的情况下，将表示检测到输出电流Iiv的失真的检测信号Si输出至与电路63。
输出电流失真检测部62如下所示那样检测输出电流Iiv的失真。首先，输出电流失真检测部62提取出与输出电流Iiv重叠的高次谐波。若提取出的高次谐波(例如、5次谐波)相对于基波在预先设定的比率(例如5％)以上，则输出电流失真检测部62判断为输出电流Iiv发生了失真。这里，高次谐波可以是偶数次谐波也可以是奇数次谐波，也可以提取任何种类的高次谐波。
与电路63在同时接收到由输出电压不足检测部61检测出的检测信号Sv及由输出电流失真检测部62检测出的检测信号Si的情况下，将用于进行防止输出电流Iiv的失真的控制的控制信号Sp输出至MPPT22。
参照图2，对接收到控制信号Sp时的MPPT22的动作进行说明。
在没有接收到控制信号Sp的情况下，MPPT22为了进行最大功率点跟踪控制，将直流电压Vdc控制在最大功率点Pmpp的电压Vmpp附近。
MPPT22若接收到控制信号Sp，则输出电压增减信号Vn而与最大功率点Pmpp无关，使得直流电压Vdc上升。由此，虽然从太阳能电池3输出的功率Pdc下降，但直流电压Vdc上升。即，MPPT22通过限制太阳能电池3的发电功率Pdc，使直流电压Vdc上升。MPPT22使直流电压Vdc上升，直至不接收控制信号Sp。由此，MPPT22以比最大功率点Pmpp要低的功率点P1的电压V1来控制逆变器1。
MPPT22在不再接收控制信号Sp后(输出电压不足检测部61中不再检测到逆变器1的输出电压不足，或输出电流失真检测部62不再检测到逆变器1的输出电流Iiv的失真后)，将控制方式恢复到最大功率点跟踪控制。另外，在控制方式恢复到最大功率点跟踪控制的情况下，可以进一步追加条件。例如，作为追加的条件，可以是经过规定时间，可以是系统电压Vr低于规定电压时，可以是太阳能电池3的发电功率Pdc超过规定功率，也可以是除此以外的条件。
根据本实施方式，通过检测逆变器1的输出电压的不足及输出电流Iiv的波形的失真，停止最大功率点跟踪控制，使直流电压Vdc上升以限定太阳能电池3的发电功率Pdc，从而能防止输出电流Iiv的波形的失真。
(实施方式2)
图4是表示应用了本发明的实施方式2所涉及的逆变器1的控制装置2A的太阳能发电系统10A的结构的结构图。
太阳能发电系统10A在图1所示的实施方式1所涉及的太阳能发电系统10中，以控制装置2A取代控制装置2。控制装置2A是在实施方式1所涉及的控制装置2中，以MPPT22A取代MPPT22，以直流电压控制部23A取代直流电压控制部23。其它的结构与实施方式1相同。
MPPT22A不接收来自失真防止指令部26的控制信号Sp，始终进行最大功率点跟踪控制。其他方面与实施方式1所涉及的MPPT22相同。
直流电压控制部23A从失真防止指令部26接收控制信号Sp。直流电压控制部23A若接收到控制信号Sp，则进行用于防止输出电流Iiv的失真的控制。通常情况(未接收到控制信号Sp时)下，直流电压控制部23A与实施方式1所涉及的直流电压控制部23同样地根据从MPPT22A接收的电压增减信号Vn，控制直流电压Vdc。
参照图5，对接收到控制信号Sp时的直流电压控制部23A的控制进行说明。图5是表示本发明所涉及的太阳能电池3的发电电力的特性的特性图。
在没有接收到控制信号Sp的情况下，直流电压控制部23A根据MPPT22A的最大功率点跟踪控制，来控制直流电压Vdc。此时，利用预先设定的下限电压V11和上限电压Vh之间的运行范围R0来控制直流电压Vdc。该情况下，直流电压Vdc基本被控制在最大功率点Pmpp的电压Vmpp附近。
直流电压控制部23A若接收到控制信号Sp，则从运行范围R0变更至运行范围R1。运行范围R1是将下限电压V12设定得比接收控制信号Sp之前的运行范围R0的下限电压V11高的范围。这里，进行变更的下限电压V12也可以预先设定，也可以根据交流电力系统7的系统电压Vr来决定。
若由最大功率点跟踪控制进行控制的直流电压Vdc小于下限电压V12，则直流电压控制部23A进行控制使得直流电压Vdc成为下限电压V12，而与从MPPT22A接收的电压增减信号Vn无关。该情况下，控制为比最大功率点跟踪控制的最大功率点Pmpp要低的功率P2。
另一方面，若由最大功率点跟踪控制进行控制的直流电压Vdc在下限电压V12以上，则直流电压控制部23A与通常的最大功率点跟踪控制同样地根据从MPPT22A接收的电压增减信号Vn，来控制直流电压Vdc。
根据本实施方式，通过检测出逆变器1的输出电压的不足及输出电流Iiv的波形的失真，将直流电压Vdc的运行范围的下限电压设定得比通常要高，从而能获得与实施方式1同样的作用效果。
另外，本发明并不局限于上述实施方式本身，在实施阶段能够在不脱离其要点的范围内对结构要素进行变形以使其具体化。通过将上述实施方式所公开的多个结构要素进行适当组合，从而能形成各种发明。例如，可以从实施方式所示的所有结构要素中删除几个结构要素。并且，可以适当组合不同实施方式所涉及的结构要素。

Claims (9)

1.一种太阳能发电用逆变器的控制装置，该太阳能发电用逆变器的控制装置将由太阳能发电得到的电力转换成与交流电力系统互连的交流电，其特征在于，包括：
系统电压检测单元，该系统电压检测单元检测所述交流电力系统的系统电压；
直流电压检测单元，该直流电压检测单元检测施加于所述逆变器的直流电压；
输出电压不足检测单元，该输出电压不足检测单元基于由所述系统电压检测单元检测到的所述系统电压及由所述直流电压检测单元检测到的所述直流电压，检测出所述逆变器的输出电压的不足；
输出电流检测单元，该输出电流检测单元检测所述逆变器的输出电流；
输出电流失真检测单元，该输出电流失真检测单元基于由所述输出电流检测单元检测到的所述输出电流中包含的高次谐波，检测所述输出电流的失真；
最大功率点跟踪控制单元，该最大功率点跟踪控制单元对所述逆变器进行最大功率点跟踪控制；以及
输出电流失真时控制单元，在由所述输出电压不足检测单元检测到所述输出电压的不足并且由所述输出电流失真检测单元检测到所述输出电流的失真的情况下，该输出电流失真时控制单元使施加于所述逆变器的直流电压上升到比所述最大功率点跟踪控制的最大功率点要低的功率点的电压。
2.如权利要求1所述的太阳能发电用逆变器的控制装置，其特征在于，
所述输出电流失真时控制单元使所述直流电压上升，直至所述输出电压不足检测单元不再检测出所述输出电压的不足、或所述输出电流失真检测单元不再检测出所述输出电流的失真。
3.如权利要求1所述的太阳能发电用逆变器的控制装置，其特征在于，
所述输出电流失真时控制单元在所述输出电压不足检测单元检测出所述输出电压的不足并且所述输出电流失真检测单元检测出所述输出电流的失真的情况下，提高所述最大功率点跟踪控制的所述直流电压的控制范围的下限值。
4.一种太阳能发电系统，其特征在于，
利用太阳能进行发电的太阳能电池；
逆变器，该逆变器将利用所述太阳能电池发电得到的电力转换成与交流电力系统互连的交流电；
系统电压检测单元，该系统电压检测单元检测所述交流电力系统的系统电压；
直流电压检测单元，该直流电压检测单元检测施加于所述逆变器的直流电压；
输出电压不足检测单元，该输出电压不足检测单元基于由所述系统电压检测单元检测到的所述系统电压及由所述直流电压检测单元检测到的所述直流电压，检测出所述逆变器的输出电压的不足；
输出电流检测单元，该输出电流检测单元检测所述逆变器的输出电流；
输出电流失真检测单元，该输出电流失真检测单元基于由所述输出电流检测单元检测到的所述输出电流中包含的高次谐波，检测所述输出电流的失真；
最大功率点跟踪控制单元，该最大功率点跟踪控制单元对所述逆变器进行最大功率点跟踪控制；以及
输出电流失真时控制单元，在由所述输出电压不足检测单元检测到所述输出电压的不足并且由所述输出电流失真检测单元检测到所述输出电流的失真的情况下，该输出电流失真时控制单元使施加于所述逆变器的直流电压上升到比所述最大功率点跟踪控制的最大功率点要低的功率点的电压。
5.如权利要求4所述的太阳能发电系统，其特征在于，
所述输出电流失真时控制单元使所述直流电压上升，直至所述输出电压不足检测单元不再检测出所述输出电压的不足、或所述输出电流失真检测单元不再检测出所述输出电流的失真。
6.如权利要求4所述的太阳能发电系统，其特征在于，
所述输出电流失真时控制单元在所述输出电压不足检测单元检测出所述输出电压的不足并且所述输出电流失真检测单元检测出所述输出电流的失真的情况下，提高所述最大功率点跟踪控制的所述直流电压的控制范围的下限值。
7.一种太阳能发电用逆变器的控制方法，该太阳能发电用逆变器的控制方法将由太阳能发电得到的电力转换成与交流电力系统互连的交流电，其特征在于，包括如下步骤：
检测所述交流电力系统的系统电压；
检测施加于所述逆变器的直流电压；
基于检测到的所述系统电压及检测到的所述直流电压，检测所述逆变器的输出电压的不足，
检测所述逆变器的输出电流；
基于检测到的所述输出电流中包含的高次谐波，检测所述输出电流的失真；
对所述逆变器进行最大功率点跟踪控制；以及
进行电流失真时控制，该电流失真时控制在检测出所述输出电压的不足并且检测到所述输出电流的失真的情况下，使施加于所述逆变器的直流电压上升到比所述最大功率点跟踪控制的最大功率点要低的功率点的电压。
8.如权利要求7所述的太阳能发电用逆变器的控制方法，其特征在于，
所述电流失真时控制使所述直流电压上升，直至不再检测出所述输出电压的不足、或不再检测出所述输出电流的失真。
9.如权利要求7所述的太阳能发电用逆变器的控制方法，其特征在于，
所述电流失真时控制在检测到所述输出电压的不足并且所述输出电流失真的情况下，提高所述最大功率点跟踪控制的所述直流电压的控制范围的下限值。
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