CN106058933B - 一种并网逆变装置的控制方法 - Google Patents

一种并网逆变装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种并网逆变装置的控制方法，并网逆变装置包括直流电源，所述直流电源经过储能元件后再经DC‑AC变换电路连接电网，所述储能元件包括储能电感和储能电容，所述并网逆变装置包括用于检测电网电压并且控制所述储能电感和储能电容工作状态的主控单元，所述直流电源先后经过上位电子开关、储能电感、储能电容电连接DC‑AC变换电路，所述主控单元通过控制上位电子开关和下位电子开关的工作状态来控制所述储能电感和储能电容的工作状态。通过电感器件的物理规律以及电感器储能的作用，结合电子开关的工作状态的控制，直接产生某一确定的电流值，从而不需要设置相应的电流检测电路和电流反馈环路。

Description

一种并网逆变装置的控制方法
技术领域
本发明涉及新能源光伏领域，特别涉及一种并网逆变装置的控制方法。
背景技术
并网逆变器是将光伏电池阵列(PV)输出的直流电转换为交流电输出到电网的装置。其涉及的一项要求是输出电流与电网电压的相位保持同步，即输出电流与电网电压在一个周期内必须保持一个恒定的比值，以此减少并网逆变器对电网电压的干扰。
为了满足上述要求，当前并网逆变器所普遍采用的方法是：主控芯片测量电网电压U，依据电网电压U和当前的参考输出功率P设定一个与U保持比例关系的参考电流I2，同时测量输出电流I1，让后将输出电流I1和参考电流I2接入负反馈网络，通过负反馈网络调整PWM使输出电流I1维持与参考电流I2的相等。如果要使输出电流I1尽量等于参考电流I2，且电路工作稳定，则负反馈网络必须是带有积分作用的。而带有积分作用的负反馈网络存在一个明显而重要的问题是电流反馈环路的时间延迟比较大，进而产生输出电流I1与电网电压U的相位差。在电网电压出现较大的波动时，带有积分作用的相位补偿网络无法对快速波动的电压做出正确的反应，导致电流与电压出现明显的不同步现象，甚至出现电流振荡加剧电压的波动。为了减少电压波动时电流的波动幅度，必须增加储能电感的电感量，进而增加了电感器的工作损耗。
另一方面，此方法的开关电路在PWM开始时刻电流不为零，从而导致产生电子开关的开关损耗和电路的反向恢复损耗。
因此，上述的各种方法，均存在控制电路复杂，成本较高且转换率不高的问题，尤其是在5KW以内的小功率并网逆变应用中经济效益不佳。
发明内容
本发明提供一种不需要电流反馈网络、由电路直接生成所需要的电流值、控制电路简单、电流相位误差小、对电网电压波动不敏感、性能稳定可靠、转换效率高、成本极低的并网逆变装置，可以解决上述技术问题。
本发明提供的一种并网逆变装置，其包括直流电源，所述直流电源经过储能元件后再经DC-AC变换电路连接电网，所述储能元件包括储能电感和储能电容，所述并网逆变装置包括用于检测电网电压并且控制所述储能电感和储能电容工作状态的主控单元，所述直流电源的正极先后经过上位电子开关、储能电感、储能电容电连接DC-AC变换电路，所述主控单元通过控制上位电子开关的工作状态来控制所述储能电感和储能电容的工作状态。
优选的，所述并网逆变装置还包括下位电子开关，所述直流电源的负极经过下位电子开关电连接所述储能电感，所述主控单元通过控制上位电子开关和下位电子开关的工作状态来控制所述储能电感和储能电容的工作状态。
优选的，所述储能电感与所述储能电容之间设有防逆流电路，所述防逆流电路的输入端连接所述储能电感，所述防逆流电路的输入端电连接所述储能电容。
优选的，所述上位电子开关与所述储能电感之间设有续流电路，所述续流电路的输入端电连接直流电源的负极，所述续流电路的输出端电连接储能电感。
优选的，所述主控单元同时检测电网电压与直流电源电压。
另外，本发明还提供一种并网逆变装置的控制方法，其包括直流电源，所述直流电源经过储能元件后再经DC-AC变换电路连接电网，所述储能元件包括储能电感和储能电容，所述并网逆变装置包括用于检测电网电压并且控制所述储能电感和储能电容工作状态的主控单元，所述直流电源先后经过上位电子开关、储能电感、储能电容电连接DC-AC变换电路，所述主控单元通过控制所述上位电子开关和下位电子开关的工作状态，使储能电感上产生相应的电流，进而使储能电容上存在直流电能，所述DC-AC变化电路根据电网电压的正负极，将储能电容上的直流电路转换为交流电能输出到电网。
优选的，其特征在于，所述主控单元控制所述上位电子开关开通，并经过时间T后关断使储能电感上产生确定的电流。
优选的，所述并网逆变装置还包括下位电子开关，所述主控单元通过控制上位电子开关下位电子开关的工作状态来控制所述储能电感和储能电容的工作状态，使储能电感上产生相应的电流，进而使储能电容上存在直流电能。
优选的，在一个PWM周期Tt开始时，所述主控单元控制所述上位电子开关和下位电子开关同时开通，并经过时间T1后关断所述下位电子开关，经过时间T1+T2后关断上位电子开关，使储能电感上产生确定的电流。
本发明提出一种新的并网逆变装置，通过电感器件的物理规律以及电感器储能的作用，结合电子开关的工作状态的控制，直接产生某一确定的电流值，从而不需要设置相应的电流检测电路和电流反馈环路，不需要相位补偿网络，因此对电网电压波动不敏感，不会产生电流振荡，使得电路简洁运行可靠。而主控单元只需要检测直流电源的电压和电网电压，其余的参数都可以通过相应的计算得出，因此并网逆变装置的实时输出直接由主控单元控制电子开关的开通时间得到。
由于本方案工作于电流非连续模式，在PWM开通和结束时刻，续流电路和防逆流电路中的电流均为0，续流电路和防逆流电路的反向恢复损耗为0，电子开关的开通损耗为0，因此其转换效率远高于传统方法的转换效率。
由于采用了上位电子开关和下位电子开关同时来进行控制，所以该并网逆变装置同时具有了升压和降压多重功能，使得直流电源电压可以低于电网的峰值电压，从而降低了功率元件的耐压要求，且有利于提高转换效率；输出电流与电压相位误差极小，相位误差仅受主控单元测量电压、计算参数产生的时间延迟影响，而这种误差一般都可控制在5微秒以内，即相位误差可以控制在0.2度以内，性能远优于传统的并网逆变装置。因此，本发明中的并网逆变装置电路简洁、控制简单，对主控单元的性能要求低，成本极低，可以在5KW以内甚至0.25KW的小功率并网逆变应用中都具有理想的经济效益。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1是本发明一种并网逆变装置的电路原理示意图；
图2是本发明一种并网逆变装置的控制方法的电流变化阶段示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
实施例：
图1是本发明一种并网逆变装置的电路原理示意图，如图1所示，本发明提供一种并网逆变装置，包括直流电源2，直流电源2经过储能元件后再经DC-AC变换电路9连接电网，储能元件包括储能电感4和储能电容8，并网逆变装置包括用于检测电网电压并且控制储能电感4和储能电容8工作状态的主控单元1，直流电源2的正极先后经过上位电子开关3、储能电感4、储能电容8电连接DC-AC变换电路9。并网逆变装置的直流电源2正极经过上位电子开关3电连接储能电感4的一端，并网逆变装置还包括下位电子开关6，直流电源2负极经过下位电子开关6电连接储能电感4的另一端，主控单元1通过控制上位电子开关3和下位电子开关6的工作状态来控制储能电感4和储能电容8的工作状态。
在本实施例中，主控单元1同时电连接相应的上位电子开关3和下位电子开关6，通过PWM信号控制所述上位电子开关3和下位电子开关6的开通和关断状态。
储能电感4与所述储能电容8之间设有防逆流电路7，所述防逆流电路7的输入端同时电连接所述储能电感4的一端和所述下位电子开关6，所述防逆流电路7的输出端电连接所述储能电容8。所述上位电子开关3与所述储能电感4之间设有续流电路5，所述续流电路5的输入端电连接直流电源2的负极，所述续流电路5的输出端电连接储能电感的另一端。
防逆流电路7为电流单向导通的电路，可以是一个二极管，也可以是多个元件构成的电路。续流电路5为电流单向导通的电路，可以是一个二极管，也可以是多个元件构成的电路。
在本实施例中，由于设置2个电子开关：上位电子开关3和下位电子开关6。上位电子开关3连接直流电源2的正极和储能电感4的一端，下位电子开关6连接直流电源2的负极和储能电感4的另一端。
因此，当上位电子开关3和下位电子开关6同时开通时，则直流电源2的电压直接施加于储能电感4的两端，此时储能电感4的端电压为直流电源2的电压。
当上位电子开关3开通而下位电子开关6关断时，电流可以从直流电源2的正极依次通过上位电子开关3、储能电感4、防逆流电路7，流向储能电容8。此时储能电感4的端电压为直流电源2的电压与储能电容8的电压的差值。
当上位电子开关3和下位电子开关6全部关断时，储能电感器4中的电流可以通过续流电路5构成流通回路，此时储能电感4的端电压为储能电容8的端电压。
设置防逆流电路7的目的是只允许电流从防逆流电路7的输入端流向输出端，阻止从防逆流电路7的输出端流向输入端，即从储能电感4流向储能电容8，保证储能电感4中的电流总是为一个正向电流。储能电容8上是直流电压，而电网是正负交替出现的交流正弦波电压，因此，设置一个DC-AC变换电路9将流向储能电容8与电网并联，并保证相序正确。所述相序正确是指，当电网的A端电位高于B端电压时，储能电容8的正极连接电网A端，储能电容8的负极连接电网B端，当电网的B端电位高于A端电位时，储能电容8的正极连接电网B端，储能电容8的负极连接电网A端。储能电容8起到滤波作用，将防逆流电路7流出的高频脉动电流的高频分量过滤掉，变为平滑的低频电流。储能电容8并不消耗任何电荷，所有经过防逆流电路7流向储能电容8的电流最终经过DC-AC变换电路9输出到电网中。
由于储能电容8通过DC-AC变换电路9并联于电网，因此，储能电容8电压即等于电网电压的绝对值，测量储能电容8电压即等于测量电网电压的绝对值。
通过检测电网电压和直流电源2的电压并且通过控制上位电子开关下位电子开关的工作状态来控制所述储能电感和储能电容的工作状态，使储能电感上产生相应的电流，进而使储能电容上存在直流电能，DC-AC变化电路根据电网电压的正负极，将储能电容上的直流电能转换为交流电能输出到电网。
在本实施例中，在一个PWM周期Tt开始时，主控单元控制所述上位电子开关3和下位电子开关6同时开通，并经过时间T1后关断所述下位电子开关6，经过时间T1+T2后关断上位电子开关3，使储能电感4中产生确定的电流。
从储能电感4中电流的变化过程，可以将其分为4个阶段。
第一阶段，当上位电子开关3和下位电子开关6同时开通时，储能电感4的端电压为直流电源2的电压，储能电感4的中的电流增加；该阶段储能电感4中的电流不会流向防逆流电路7；该阶段经过的时间为T1；结束时刻储能电感器4中的电流值为Ip1；
第二阶段，当上位电子开关3开通而下位电子开关6关断时，储能电感4的端电压为直流电源2的电压与储能电容8端电压的差值。当直流电源2的电压高于储能电容8端电压时，储能电感4中的电流增加；当直流电源2的电压等于储能电容8端电压时，储能电感4中的电流不变；当直流电源2的电压低于储能电容8端电压时，储能电感4中的电流减小；图2是本发明一种并网逆变装置的控制方法的电流变化阶段示意图，如图2所示，这个阶段储能电感4中的电流全部流向防逆流电路7；这个阶段经过的时间为T2；结束时刻储能电感4的中的电流值为Ip2；
第三阶段，当上位电子开关3和下位电子开关6全部关断时，储能电感4的端电压为储能电容8的端电压，储能电感4中的电流方向与其端电压相同，因此储能电感4中的电流减小；储能电感4中的电流减小为0时，这个阶段结束。这个阶段储能电感4中的电流全部流向防逆流电路7；这个阶段经过的时间为T3；
第四阶段，储能电感4中的电流始终保持为0，直到本PWM周期结束。这个阶段储能电感4中的电流流向防逆流电路7的电流为0；这个阶段经过的时间为T4。
从以上描述可知，一个PWM周期的时间Tt＝T1+T2+T3+T4，Tt在一个确定的周期内为一个给定的定量。为保证每一个周期内储能电感4中电流总是从0开始，然后减小到0，T1+T2+T3必须不大于Tt。
流经防逆流电路7的电荷总和为：Qt＝(Ip1+Ip2)*T2/2+Ip2*T3/2，
一个周期内的平均电流Iavg＝Qt/Tt＝((Ip1+Ip2)*T2+Ip2*T3)/2/Tt。
Iavg即是逆变器向电网输出的电流值。
计算过程会涉及到以下参数：
一个周期的时间Tt；储能电容8实时电压U1；直流电源2实时电压U2；
直流电源2实时电压与储能电容8实时电压的差值U3，U3＝U2-U1；
参考电流I1；储能电感4的感量L；
参考电流系数K1，K1＝U1/T1；
时间系数K2，K2＝T2/T1；
从储能电感4中电流的形成过程可知：
Ip1＝U2*T1/L；
Ip2＝Ip1+U3*T2/L＝(U2*T1+U3*T2)/L；
T3＝Ip2*L/U1；
公式Iavg＝((Ip1+Ip2)*T2+Ip2*T3)/2/Tt展开得到：
Iavg＝((U2*T1*2+U3*T2)*T2+(U2*T1+U3*T2)*(U2*T1+U3*T2)/U1)/L/2/Tt＝((U2*T2/K2*2+U3*T2)*T2+(U2*T2/K2+U3*T2)*(U2*T2/K2+U3*T2)/U1)/L/2/Tt实际上Iavg即是需要得到的I1的值，所以I1＝Iavg，而I1正比于U1，即I1＝U1/K1，上述公式可演变为：
I1＝((U2*T2/K2*2+U3*T2)*T2+(U2*T2/K2+U3*T2)*
(U2*T2/K2+U3*T2)/U1)/L/2/Tt
＝U1/K1；
等式可演化为：
(U2*T2/K2*2+U3*T2)*T2*U1+(U2*T2/K2+U3*T2)*(U2*T2/K2+U3*T2)
＝U1*U1/K1*L*2*Tt；
继续演化：
(U2*T2*2/K2+U3*T2)*T2*U1+(U2*T2/K2+U3*T2)*(U2*T2/K2+U3*T2)
＝T2*T2*((U2*2/K2+U3)*U1+(U2/K2+U3)*(U2/K2+U3))
＝T2*T2*(U2*U1*2/K2+U3*U1+U2*U2/K2/K2+U2*U3*2/K2+U3*U3)
＝T2*T2*(U2*U1*2/K2+U3*U1+U2*U2/K2/K2+U2*U3*2/K2+U3*U3)
＝T2*T2*(U2*(U2-U3)*2/K2+U3*(U2-U3)+U2*U2/K2/K2+U2*U3*2/K2+U3*U3)
＝T2*T2*((U2*U2-U2*U3)*2/K2+U3*U2-U3*U3+U2*U2/K2/K2
+U2*U3*2/K2+U3*U3)
＝T2*T2*((U2*U2-U2*U3)*2/K2+U3*U2+U2*U2/K2/K2+U2*U3*2/K2)
＝T2*T2*(U2*U2*2/K2-U2*U3*2/K2+U3*U2+U2*U2/K2/K2+U2*U3*2/K2)
＝T2*T2*(U2*U2*2/K2+U3*U2+U2*U2/K2/K2)。
即T2*T2*(U2*U2*2/K2+U3*U2+U2*U2/K2/K2)＝U1*U1/K1*L*2*Tt，等式两边同时乘以K2*K2
则：T2*T2*(U2*U2*2*K2+U3*U2*K2*K2+U2*U2)＝U1*U1/K1*2*Tt*K2*K2
即：T2*T2*(U2*U2*(2*K2+1)+U3*U2*K2*K2)＝U1*U1/K1*L*2*Tt*K2*K2
因此，T2＝(U1*U1/K1*L*2*Tt*K2*K2/(U2*U2*(2*K2+1)+U3*U2*K2*K2))-2＝U1*K2*(L*2*Tt/K1/(U2*U2*(2*K2+1)+U3*U2*K2*K2))-2
上式中，U1、U2、U3、K1、K2、L和Tt都是已知值，因此主控单元1可以直接计算出T2的值。由于已设定K2＝T2/T1，所以T1＝T2/K2，T1的值也可以直接计算出来。
公式(1)：T2＝U1*K2*(L*2*Tt/K1/(U2*U2*(2*K2+1)+U3*U2*K2*K2))-2；
公式(2)：T1＝T2/K2。
因此，在一个PWM周期Tt开始时，所述主控单元控制所述上位电子开关3和下位电子开关6同时开通，并经过时间T1后关断所述下位电子开关6，经过时间T1+T2后关断上位电子开关3，使储能电感4中产生确定的电流。
即主控单元1同时测量储能电容8实时电压U1、直流电源2电压实时值U2，计算出U1与U2的差值U3，U3＝U2-U1；主控单元1依照给定的参考电流系数K1、时间系数K2、一个周期的时间Tt，以及U1、U2、U3和L的值套用公式(1)和公式(2)计算出T1和T2的值，将上位电子开关3的开通时间设置为T1+T2，将下位电子开关6的开通时间设置为T1；上位电子开关3和下位电子开关6在一个PWM周期开始时刻同时开通，下位电子开关6经过T1时间后关断，上位电子开关3经过T1+T2时间后关断，储能电感4按照物理规律产生确定的电流Iavg，而参考电流I1等于Iavg，即生成了指定的电流I1；DC-AC变换电路9根据电网电压的正负极性将储能电容8上的直流电能转变为交流电能输出到电网。
当然，下位电子开关6可以去掉，并不影响电流直接生成，只是性能会下降。在这种情况下，上述公式(1)和公式(2)可简化为：
公式(3)：T2＝U1*(L*2*Tt/K1/(U3*U2))-2；
公式(4)：T1＝0；
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种并网逆变装置的控制方法，其特征在于，所述并网逆变装置包括直流电源，所述直流电源经过储能元件后再经DC-AC变换电路连接电网，所述储能元件包括储能电感和储能电容，所述并网逆变装置包括用于检测电网电压并且控制所述储能电感和储能电容工作状态的主控单元，所述直流电源的正极先后经过上位电子开关、储能电感、储能电容电连接DC-AC变换电路；
所述储能电感与所述储能电容之间设有防逆流电路，所述防逆流电路的输入端连接所述储能电感，所述防逆流电路的输出端电连接所述储能电容；所述上位电子开关与所述储能电感之间设有续流电路，所述续流电路的输入端电连接直流电源的负极，所述续流电路的输出端电连接储能电感；所述主控单元同时检测电网电压与直流电源电压；
所述并网逆变装置还包括下位电子开关，所述直流电源的负极经过下位电子开关电连接所述储能电感；
所述主控单元通过控制所述上位电子开关和下位电子开关的工作状态，使储能电感上产生相应的电流，进而使储能电容上存在直流电能，所述DC-AC变化电路根据电网电压的正负极性，将储能电容上的直流电能转换为交流电能输出到电网；
在一个PWM周期Tt开始时，所述主控单元控制所述上位电子开关和下位电子开关同时开通，并经过时间T1后关断所述下位电子开关，经过时间T1+T2后关断上位电子开关，使储能电感上产生确定的电流；其中，
T1为当上位电子开关和下位电子开关同时开通，储能电感的中的电流增加至关断下位电子开关阶段经过的时间；
T2为当上位电子开关开通而下位电子开关关断，储能电感中的电流全部流向防逆流电路的阶段经过的时间；
T2＝U1*K2*(L*2*Tt/K1/(U2*U2*(2*K2+1)+U3*U2*K2*K2))-2；
T1＝T2/K2；
U1为储能电容实时电压；U2为直流电源实时电压；U3为直流电源实时电压与储能电容实时电压的差值，U3＝U2-U1；I1为参考电流；L为储能电感的感量；K1为参考电流系数，K1＝U1/I1；K2为时间系数，K2＝T2/T1。
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