CN106953538A - 一种基于继电器旁路提高光伏并网逆变器转换效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于继电器旁路提高光伏并网逆变器转换效率的方法。它包括以下步骤：测量光伏电池的输出电压Upv；将输出电压值Upv与设定的电压阈值比较；当输出电压Upv小于下限阈值Ub_dn时，旁路继电器K关闭，系统处于工作模式一；当输出电压Upv大于下限阈值Ub_dn，小于上限阈值Ub_up时，系统维持在工作模式一；当输出电压Upv大于上限阈值Ub_up时，旁路继电器K闭合，电流经K流过，系统处于工作模式二。本发明对传统的单相两级式光伏并网逆变器拓扑进行了优化改进，用旁路继电器代替旁路二极管，在控制策略上加入滞环比较器对旁路继电器进行控制并对系统工作模式进行选择。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域。特别涉及一种基于继电器旁路提高光伏并网逆变器转换效率的方法。
背景技术
近年来，可再生能源发电技术，如光伏发电和风力发电等，得到广泛关注，成为人类能源可持续发展战略的重要组成部分。可再生能源发电系统通常采用并网逆变器直接挂接电网，逆变器的控制性能将直接影响到电网供电的质量。因此，光伏并网逆变器的控制研究具有重要现实意义。
两级式光伏并网逆变器分为前级升压电路和后级逆变电路，中间一般用较大的电解电容作为母线电容将两级连接起来，同时起到了能量缓冲和解耦前级升压电路对后级逆变控制影响的作用。当光伏电池低电压输出时，前级升压电路使得母线电容上电压升高从而达到后级逆变并网的最低电压要求。当光伏电池高电压输出时，前级升压电路停止工作，电流直接通过升压电感和二极管到母线上，这样前级电路的损耗有二极管导通损耗和电感电阻损耗；学者吴卫民2010在中国电机工程学报发表的文章《单相分时复合并网逆变器新型间接电流控制方法[J]》.提出了分时复合控制控制策略，该控制策略使前后两级电路交替高频工作减小了开关损耗，同时减小母线电容容量，但是光伏电池输出端仍需加入较大容量的电解电容，系统补偿环节的参数设计较传统控制困难且网电流THD也比传统控制策差。学者宁耀斌2012年在电力电子技术发表文章《混合三电平单相光伏并网发电系统研究[J]》，提出在光伏电池与母线电容间旁接一个二极管，当光伏电池高电压输出时，电流经由旁路二极管流过，这样与没旁接二极管的相比减少了电感上的电阻损耗。
在已公开的专利文献中，如申请号201120471697.2两级光伏逆变器旁路二极管及旁路DC/DC变换器，此实用新型专利利用的是二极管旁路来提高光伏逆变系统的转换效率，控制策略比较传统。在我的发明专利中，对其系统及控制策略进行了优化改进。用旁路继电器替代旁路二极管，当旁路继电器导通时，只有继电器主触点接触阻抗造成的损耗，此损耗与电流经过升压电感和防反二极管造成的损耗之和相比较小，与旁路二极管造成的损耗相比也较小。控制策略的优化改进：（1）设计了滞环比较器控制不同工作模式的自动切换，且能够避免逆变器在不同模式间的频繁切换；（2）在工作模式一时，利用爬山法实现最大功率点追踪和升压功能，后级逆变器采用电压外环和电流内环双闭环控制，母线稳压双闭环控制器保证工作模式一的正常运行；（3）在工作模式二时，利用爬山法实现最大功率跟踪，后级逆变器采用功率外环与电流内环双闭环控制策略，光伏电池双闭环控制器保证工作模式二的正常运行。
发明内容
针对目前两级式光伏并网逆变器存在的转换效率问题，本发明公开了一种基于继电器旁路提高光伏并网逆变器转换效率的方法，使光伏电池在输出电压过高或过低时，通过自动切换工作模式，工作在最佳的工作状态，降低了系统的损耗，提高了系统的转换效率。
本发明解决上述问题的方案是：通过电流和电压传感器测得光伏电池的输出电流I pv 和输出电压U pv ，将光伏电池输出电压值U pv 与滞环比较器设定的电压阈值比较。当光伏电池的输出电压U pv 小于滞环比较器的下限阈值U b_dn 时，旁路继电器K处于关闭状态，系统处于工作模式一；当光伏电池的输出电压U pv 大于滞环比较器的下限阈值U b_dn ，小于滞环比较器的上限阈值U b_up 时，系统维持在工作模式一，这样能防止后级逆变器在两种工作模式间频繁切换；当光伏电池的输出电压U pv 大于滞环比较器的上限阈值U b_up 时，前级升压电路停止工作，同时旁路继电器K闭合，电流经旁路继电器K流过，系统处于工作模式二。
本发明的技术效果在于：通过对传统的单相两级式光伏并网逆变器拓扑进行了优化改进，用继电器替代旁路二极管，并设计了滞环比较器对旁路继电器进行开通/关断控制，对系统工作模式自动进行切换。当光伏电池输出电压过高时，切换工作模式，避免了前级电路升压电感和二极管造成的损耗，降低了系统的损耗，提高了系统的转换效率。
附图说明
图1为本发明中改进后两级式光伏并网逆变器主电路图。
图2为本发明中改进后两级式光伏并网逆变器控制策略图。
图3为本发明中滞环比较器原理图。
图4为本发明中工作模式一的控制策略图。
图5为本发明中工作模式二的控制策略图。
图6为本发明工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，改进后两级式光伏并网逆变器主电路如图示，其中电感L1、二极管D1和VT1组成前级升压电路，C1为母线电容，V1、V2、V3、V4组成单相全桥电路，L2为滤波电感，Rs为其内阻，Ubus为母线电压；与传统两级式光伏并网逆变器电路相比，改进处在于：用旁路继电器K代替了旁路二极管。
分析图2所示的改进后两级式光伏并网逆变控制策略图可知：控制器有工作模式一和工作模式二两种模式。
工作模式一：旁路继电器K的驱动信号为0，K处于断开状态。此时前级升压电路中VT1的驱动信号为1，即工作状态，驱动信号由MPPT双闭环控制器输出；后级逆变器的驱动信号为1，由母线稳压双闭环控制器输出。
工作模式二：旁路继电器K的驱动信号为1，K处于闭合状态。此时前级升压电路中VT1的驱动信号为0，即停止工作，驱动信号由MPPT双闭环控制器输出；后级逆变器驱动信号为1，,由MPPT双闭环控制器输出。
如图3所示，通过设计一个滞环比较器，将光伏电池输出电压值U pv 与滞环比较器设定的电压阈值比较，实现了两种工作模式的自动切换和旁路继电器K的通断控制。同时设置滞环比较器的目的也是为了保证母线电压值Ubus接近母线参考电压值Ubus_ref时，给后级逆变器留有一定的延迟区间，防止后级逆变器在两种工作模式间频繁切换。
如图4所示，系统处于工作模式一。当光伏电池的输出电压U pv 小于滞环比较器的上限阈值Ub_dn时，旁路继电器K处于关闭状态。通过电流和电压传感器检测得到光伏电池的输出电压Upv和输出电流Ipv，前级升压电路利用爬山法实现最大功率点追踪和升压功能；后级逆变器采用电压外环和电流内环双闭环控制策略，其中电压外环是通过比例积分（PI）调节器实现母线电压的稳定。同时使前级能量的输入和后级能量的输出达到动态平衡，电流内环则采用比例（P）调节器使逆变器输出电流与电网同相位，实现单位功率因数运行。其中电压外环PI调节器的输入为母线参考电压Ubus_ref与实际电压Ubus的差值，其输出值作为电流内环电流参考幅值Im*，电网电压经过锁相环得到的相位角θ，Im*与cosθ相乘得到瞬时输出电流参考iL2*，它与实际电流iL2相减经过P控制器的输出值经过SPWM调制控制开关管的通断。
如图5所示，系统处于工作模式二。当光伏电池的输出电压U pv 大于滞环比较器的上限阈值Ub_up时，旁路继电器K处于开通状态。此时前级升压电路停止工作，主电路电流经由继电器K流过，电路由两级式光伏并网逆变器结构变成了单级式光伏并网逆变器结构。后级逆变器采用功率外环与电流内环双闭环控制策略，其中功率外环的原理为通过电流和电压传感器检测得到光伏电池的输出电压Upv和输出电流Ipv，利用爬山法实现最大功率跟踪；电流内环采用PI调节器使逆变器输出电流与电网同相位，实现单位功率因数运行。
Claims (3)
1.一种基于继电器旁路提高光伏并网逆变器转换效率的方法，包括以下步骤：
Step1：测量光伏电池的输出电压Upv；
Step2：将光伏电池输出电压值Upv与滞环比较器设定的电压阈值比较；
Step3：当光伏电池的输出电压Upv小于滞环比较器的上限阈值Ub_dn时，旁路继电器K处于
关闭状态，系统处于工作模式一；
Step4：当光伏电池的输出电压Upv大于滞环比较器的下限阈值Ub_dn，小于滞环比较器的上
限阈值Ub_up时，系统维持在工作模式一；
Step5：当光伏电池的输出电压Upv大于滞环比较器的上限阈值Ub_up时，旁路继电器K闭合，
同时前级升压电路停止工作，电流经旁路继电器K流过，系统处于工作模式二；
Step6：通过滞环比较器、最大功率点跟踪、光伏电池双闭环控制器、母线稳压双闭环控制
器的共同作用，使系统在工作模式一与工作模式二之间自动切换。
2.根据权利要求1所述的一种基于继电器旁路提高光伏并网逆变器转换效率的方法，所述有效值的计算为：采用的调制方式为SPWM调制，计算得输出电压最大峰值为Ubus×√3/2；单相电网电压有效值为220V，可计算出系统母线电压的最小值Ubus-min≈360V，故母线参考电压Ubus_ref取值需大于360V；滞环比较器的设计参数为：母线参考电压Ubus_ref=375V，滞环比较器上限阈值Ub_up=375V；滞环比较器下限阈值Ub_dn =365V；设计滞环比较器的目的是为了使系统在两种工作模式之间能够自动切换，同时也为了防止母线电压Ubus接近母线参考电压Ubus_ref时，逆变器在两种模式间频繁切换，导致逆变器损坏。
3.根据权利要求1所述的一种基于继电器旁路提高光伏并网逆变器转换效率的方法，其特征在于：通过测量得到光伏电池的输出电压U pv ，将光伏电池输出电压值U pv 与滞环比较器设定的电压阈值比较；当光伏电池的输出电压U pv 小于365V时，旁路继电器K处于关闭状态，系统处于工作模式一；当光伏电池的输出电压U pv 大于365V，小于375V时，系统维持在工作模式一；当光伏电池的输出电压U pv 大于375V时，前级升压电路停止工作，同时旁路继电器K闭合，电流经旁路继电器K流过，系统处于工作模式二。
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