CN107492911B - 一种级联逆变系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种级联逆变系统，各个多输入的子系统的输出端级联至系统接口板，且子系统中的通信单元、检测单元、滤波单元、多个逆变单元及至少一个控制器均设置于同一个箱体内，对于同一子系统内的各个逆变单元的检测及控制信息均通过通信单元即可实现统一传输，相比现有技术减少了系统接口板到各个逆变单元之间通信连接的数量和距离，大大降低了对实时通信的强依赖性，无需采用高速通信，进而避免了通信连接成本高的问题。

Description

一种级联逆变系统

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种级联逆变系统。

背景技术

在光伏发电领域内，为了避免由于阴影遮挡、光伏组件参数差异等因素导致组件失配而产生部分功率损失的问题，现有技术中通常采用图1所示的具有组件MPPT功能的级联H桥逆变器光伏发电系统方案。

参见图1，该方案采用常规控制算法，由系统接口板102中的系统控制器，通过接收到的每一个H桥逆变器101所采集的输入电压电流值，利用MPPT算法得到每个H桥逆变器101能够输出的最大功率指令值，再利用所有H桥逆变器101的最大功率指令值得到H桥逆变器101直流母线电压的指令值，然后通过直流电压环控制得到并网电流指令值，再通过电流环控制得到总逆变器的输出电压调制指令，以分配给每一个H桥逆变器101，进而得到H桥逆变器101中每个开关管的驱动信号。

但是，该方案所采用的上述常规控制算法，必须依赖每个H桥逆变器101和系统控制器之间的高通信速率，才能实现系统控制器对每个H桥逆变器101的实时调控，使系统正常运行。然而，由于光伏组件分布在不同位置，现有方案采用专用的高速通信线路，大大增加了系统成本；比如，采用CAN总线实现高速通信，需要增加线缆、接线端子与连接器、接收发送电路等等，其通信连接的材料成本过高；而采用高速电力线载波实现高速通信，由于技术复杂，研制对应抗干扰能力较强的接收发送功能电路，使得通信连接的技术成本大为增加。

发明内容

本发明提供一种级联逆变系统，以解决现有技术中采用高速通信所带来的通信连接成本高的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种级联逆变系统，包括：系统接口板和多个多输入的子系统；其中：

多个所述子系统的输出端级联，级联的两端通过所述系统接口板与电网相连；

所述子系统包括：设置于同一个箱体内的通信单元、检测单元、滤波单元、多个逆变单元及至少一个控制器；

多个所述逆变单元的直流侧作为所述子系统的多个输入端、分别与多个直流供电单元一一对应相连，所述逆变单元用于实现对于所连接的直流供电单元的最大功率点跟踪MPPT控制；

多个所述逆变单元的交流侧级联，级联的两端与所述滤波单元的输入端相连；

所述滤波单元的输出端作为所述子系统的输出端；

所述通信单元用于与所述系统接口板进行通信；

所述控制器分别与多个所述逆变单元的控制端、所述通信单元及所述检测单元相连。

优选的，所述子系统中所述逆变单元的个数为2个、3个或者4个；且所述逆变单元为单相全桥或者单相半桥逆变拓扑。

优选的，所述逆变单元还包括：连接于所述单相全桥或者单相半桥逆变拓扑直流侧与直流供电单元之间的DC/DC变换器。

优选的，所述检测单元包括：直流侧电压检测电路、直流侧电流检测电路、交流侧电压检测电路、交流侧电流检测电路及半导体器件温度检测电路。

优选的，所述滤波单元为：单电感的LC滤波器、双电感的LC滤波器、单电感的LCL滤波器、双电感的LCL滤波器及高阶滤波器中的任意一种。

优选的，所述通信单元还用于与其他所述子系统进行通信。

优选的，所述子系统还包括：与所述通信单元、所述检测单元、所述滤波单元、多个所述逆变单元及至少一个所述控制器设置于同一个箱体内的辅助电源，所述辅助电源的输出端分别与所述通信单元的供电端、所述检测单元的供电端及所述控制器的供电端相连。

优选的，多个所述子系统所连接的多个所述直流供电单元均为至少一块光伏组件；

或者，部分所述子系统所连接的多个所述直流供电单元均为蓄电池；

或者，至少一个所述子系统所连接的多个所述直流供电单元中，至少一个所述直流供电单元为蓄电池。

优选的，所述系统接口板包括：滤波器、继电器、系统控制器、通信电路及检测保护电路；其中：

所述滤波器的输入端与多个所述子系统输出端级联的两端相连；

所述滤波器的输出端通过所述继电器与电网相连；

所述通信电路用于与多个所述子系统及外部终端进行通信；

所述系统控制器分别与所述继电器的控制端、所述通信电路及所述检测保护电路相连；

所述系统控制器用于：在判断能够启动的所述子系统的个数满足并网要求时，控制所述继电器闭合，并将并网信息通过所述通信电路下发至各个所述子系统；在至少一个所述子系统中所述控制器判断所述并网信息符合要求并回复确认信息后，判断回复确认信息的所述子系统的个数满足所述并网要求，则下发并网指令至回复确认信息的所述子系统。

优选的，所述系统接口板还包括：与所述系统控制器相连的并网软启动电路；

所述系统控制器在判断能够启动的所述子系统的个数满足并网要求时，通过所述并网软启动电路控制所述继电器闭合。

本发明提供的级联逆变系统，各个多输入的子系统的输出端级联至系统接口板，且子系统中的通信单元、检测单元、滤波单元、多个逆变单元及至少一个控制器均设置于同一个箱体内，对于同一子系统内的各个逆变单元的检测及控制信息均通过通信单元即可实现统一传输，相比现有技术减少了系统接口板到各个逆变单元之间通信连接的数量和距离，大大降低了对实时通信的强依赖性，无需采用高速通信，进而避免了通信连接成本高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的级联逆变系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的级联逆变系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的子系统的电路示意图；

图4是本发明实施例提供的逆变单元的拓扑示意图；

图5是本发明实施例提供的子系统的电路示意图；

图6是本发明另一实施例提供的滤波单元的电路示意图；

图7是本发明另一实施例提供的滤波单元的电路示意图；

图8是本发明另一实施例提供的滤波单元的电路示意图；

图9是本发明另一实施例提供的滤波单元的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种级联逆变系统，以解决现有技术中采用高速通信所带来的通信连接成本高的问题。

具体的，该级联逆变系统，参见图2，包括：系统接口板200和多个多输入的子系统300；其中：

多个子系统300的输出端级联，级联的两端通过系统接口板200与电网相连；

子系统300包括：设置于同一个箱体内的通信单元、检测单元、滤波单元302、多个逆变单元301及至少一个控制器；图3以两个逆变单元301输出级联为例进行展示，在具体的实际应用中，一个子系统300内的逆变单元301可以为2个、3个或者4个，当然也可以视其具体应用环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

子系统300中，逆变单元301用于实现对于所连接的直流供电单元的MPPT(MaximumPower Point Tracking，最大功率点跟踪)控制。

子系统300内部每个逆变单元301均具有MPPT控制功能，各个逆变单元301的级联输出电压为多电平输出，即如图3所示a+和a-两节点为多电平输出。在具体的实际应用中，可以根据其应用环境对各个逆变单元301进行设置，使图3所示a+和a-两节点输出利于应用的电平数量，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

优选的，逆变单元301为单相全桥逆变拓扑(参见图3所示的H桥逆变拓扑)或者单相半桥逆变拓扑(参见图4)。

或者，逆变单元301还可以包括：连接于单相全桥或者单相半桥逆变拓扑直流侧与直流供电单元之间的DC/DC变换器，参见图5；图5以DC/DC变换器连接单相全桥逆变拓扑实现逆变单元301为例进行展示，并不仅限于此，还可以以DC/DC变换器连接单相半桥逆变拓扑实现逆变单元301，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

子系统300中，多个逆变单元301的直流侧作为子系统300的多个输入端、分别与多个直流供电单元一一对应相连。

优选的，各个直流供电单元可以全部为光伏组件，或者光伏组串；又或者部分子系统300或子系统300的部分输入端口连接的直流供电单元可以是蓄电池。也即，多个子系统300所连接的多个直流供电单元可以均为至少一块光伏组件；或者，部分子系统300所连接的多个直流供电单元均为蓄电池；或者，至少一个子系统300所连接的多个直流供电单元中，至少一个直流供电单元为蓄电池。

多个逆变单元301的交流侧级联，级联的两端与滤波单元302的输入端相连；滤波单元302的输出端作为子系统300的输出端。

优选的，逆变单元301的交流侧输出为阶梯波或基于基波正弦调制的PWM波，该基波的频率为电网工作频率；子系统300正常工作时，各个逆变单元301的级联输出端(图3所示a+和a-两节点)为多电平波形输出，根据实际应用环境选择合适的电平波形输出，使滤波单元302的输出端(图3所示Uo+和Uo-两节点)电压波形为预设幅值的正弦波。

通信单元用于与系统接口板200进行通信；

控制器分别与多个逆变单元301的控制端、通信单元及检测单元相连。

本实施例中，各个子系统300的输出端级联至系统接口板200，且子系统300中的通信单元、检测单元、滤波单元302、多个逆变单元301及至少一个控制器均设置于同一个箱体内，对于同一子系统300内的各个逆变单元301的检测及控制信息均通过通信单元即可实现统一传输，系统接口板200很容易对所有逆变单元301进行协同控制，相比现有技术减少了系统接口板200到各个逆变单元301之间通信连接的数量和距离，大大降低了对实时通信的强依赖性，无需采用高速通信，子系统300同系统接口板200仅需慢速通信即可，进而避免了通信连接成本高的问题。

本发明另一实施例还提供了一种具体的级联逆变系统，在上述实施例及图2至图5的基础之上，优选的，检测单元包括：直流侧电压检测电路、直流侧电流检测电路、交流侧电压检测电路、交流侧电流检测电路及半导体器件温度检测电路。

如图3或图5所示，子系统300内，检测单元的输出信息可以直接发送至控制器，也可以通过通信单元上报至系统接口板200，使控制器实现对逆变单元301的控制。该检测单元可以包括测量每一直流输入电流的电流传感器或功能电路、测量每一直流母线电压的电压传感器或功能电路、测量半导体器件的温度传感器或功能电路、测量交流输出电流的电流传感器或功能电路以及测量交流输出电压的电压传感器或功能电路。其具体的电路形式可以视其具体由于环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

另外，优选的，滤波单元302为：单电感的LC滤波器(参见图6)、双电感的LC滤波器(参见图7)、单电感的LCL滤波器(参见图8)、双电感的LCL滤波器(参见图9)及高阶滤波器中的任意一种。

优选的，控制器为：CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)、ARM处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)以及ASIC(ApplicationSpecific Intergrated Circuits，专用集成电路)芯片中的任意一种。

优选的，通信单元还用于与其他子系统300进行通信。

在具体的实际应用中，各个子系统300均可通过各自的通信单元与系统接口板200和/或其他子系统300进行通信，且通信连接的方式可以是总线连接、无线连接或者电力线载波等技术，视其具体应用环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

优选的，子系统300还包括：与通信单元、检测单元、滤波单元302、多个逆变单元301及至少一个控制器设置于同一个箱体内的辅助电源，辅助电源的输出端分别与通信单元的供电端、检测单元的供电端及控制器的供电端相连；而辅助电源的输入端并不做具体限定，可以从多个输入端口供电，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明另一实施例还提供了一种具体的级联逆变系统，在上述实施例及图2至图9的基础之上，优选的，系统接口板200包括：滤波器、继电器、系统控制器、通信电路及检测保护电路；其中：

滤波器的输入端与多个子系统300输出端级联的两端相连；

滤波器的输出端通过继电器与电网相连；

通信电路用于与多个子系统300及外部终端进行通信；

系统控制器分别与继电器的控制端、通信电路及检测保护电路相连；

系统控制器用于：在判断能够启动的子系统300的个数满足并网要求时，控制继电器闭合，并将并网信息通过通信电路下发至各个子系统300；在至少一个子系统300中控制器判断并网信息符合要求并回复确认信息后，判断回复确认信息的子系统300的个数满足并网要求，则下发并网指令至回复确认信息的子系统300。

优选的，系统接口板200还包括：与系统控制器相连的并网软启动电路；

系统控制器在判断能够启动的子系统300的个数满足并网要求时，通过并网软启动电路控制继电器闭合。

值得说明的是，当如图2所示的级联逆变系统中存在多个子系统300级联时，如果能够启动的子系统300的最大输出电压无法超过电网电压，那么即使子系统300启动，系统也将无法并网工作。而当能够启动的子系统300的最大输出电压达到并网最低电压时，如果子系统300不统一协调启动，也将造成系统无法并网、重复启动、或工作不稳定等问题。因此，在系统启动时需要对多个子系统300进行协同控制。

本实施例提供一种系统启动协调控制方法，具体包括：

系统接口板200的系统控制器判断系统内部能够启动的子系统300个数是否达到并网要求；

如果达到并网要求，则系统接口板200的系统控制器启动并网连接，并将电网信息发送给所有子系统300；该电网信息包括幅值、频率、相位等。

对于无并网软启电路的系统接口板200，其并网连接过程可以是直接闭合系统接口板200中的继电器；对于包含并网软启电路的系统接口板200，其并网连接过程可以是通过启动并网软启电路执行。

该并网信息更新无需采用高速通信实时更新的方式，可以采用慢速的方式，以20ms、40ms、60ms、80ms等时间间隔进行更新，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

子系统300接收到并网信息后，将并网信息同子系统300自身通过其检测单元所得到的并网信息做比较，判断实测和系统控制器给出的相位信息之差是否小于相位阈值、实测和系统控制器给出的频率信息之差是否小于频率阈值，如果均小于阈值则回复确认信息给系统控制器；

系统控制器根据回复确认信息的子系统300的个数，再次判断是否达到并网要求，如果达到并网要求，则命令所有回复确认信息的子系统300并网；

相应的子系统300收到并网指令之后，启动并网。

同现有技术对于高速通信的高度依赖相比，本实施例在维持系统较高效率的前提下，能够极大地降低对高通信速率的依赖；同时，通过上述系统启动协调控制方法所述的交互过程，使得系统可靠性大为提升，系统工程化和降成本等方面有较大竞争优势。

其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，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。因此，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 (9)

1.一种级联逆变系统，其特征在于，包括：系统接口板和多个多输入的子系统；其中：

多个所述子系统的输出端级联，级联的两端通过所述系统接口板与电网相连；

所述子系统包括：设置于同一个箱体内的一个通信单元、检测单元、滤波单元、多个逆变单元及至少一个控制器；

多个所述逆变单元的直流侧作为所述子系统的多个输入端、分别与多个直流供电单元一一对应相连，所述逆变单元用于实现对于所连接的直流供电单元的最大功率点跟踪MPPT控制；

多个所述逆变单元的交流侧级联，级联的两端与所述滤波单元的输入端相连；

所述滤波单元的输出端作为所述子系统的输出端；

所述通信单元用于与所述系统接口板进行通信；

所述控制器分别与多个所述逆变单元的控制端、所述通信单元及所述检测单元相连；

所述系统接口板包括：滤波器、继电器、系统控制器、通信电路及检测保护电路；其中：

所述滤波器的输入端与多个所述子系统输出端级联的两端相连；

所述滤波器的输出端通过所述继电器与电网相连；

所述通信电路用于与多个所述子系统及外部终端进行通信；

所述系统控制器分别与所述继电器的控制端、所述通信电路及所述检测保护电路相连；

所述系统控制器用于：在判断能够启动的所述子系统的个数满足并网要求时，控制所述继电器闭合，并将并网信息通过所述通信电路下发至各个所述子系统；在至少一个所述子系统中所述控制器判断实测和系统控制器给出的相位信息之差小于相位阈值且实测和系统控制器给出的频率信息之差小于频率阈值并回复确认信息后，判断回复确认信息的所述子系统的个数满足所述并网要求，则下发并网指令至回复确认信息的所述子系统；以维持系统效率、降低对高通信速率的依赖、提升系统可靠性和系统工程化，并降低成本。

2.根据权利要求1所述的级联逆变系统，其特征在于，所述子系统中所述逆变单元的个数为2个、3个或者4个；且所述逆变单元为单相全桥或者单相半桥逆变拓扑。

3.根据权利要求2所述的级联逆变系统，其特征在于，所述逆变单元还包括：连接于所述单相全桥或者单相半桥逆变拓扑直流侧与直流供电单元之间的DC/DC变换器。

4.根据权利要求1所述的级联逆变系统，其特征在于，所述检测单元包括：直流侧电压检测电路、直流侧电流检测电路、交流侧电压检测电路、交流侧电流检测电路及半导体器件温度检测电路。

5.根据权利要求1所述的级联逆变系统，其特征在于，所述滤波单元为：单电感的LC滤波器、双电感的LC滤波器、单电感的LCL滤波器、双电感的LCL滤波器及高阶滤波器中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的级联逆变系统，其特征在于，所述通信单元还用于与其他所述子系统进行通信。

7.根据权利要求1所述的级联逆变系统，其特征在于，所述子系统还包括：与所述通信单元、所述检测单元、所述滤波单元、多个所述逆变单元及至少一个所述控制器设置于同一个箱体内的辅助电源，所述辅助电源的输出端分别与所述通信单元的供电端、所述检测单元的供电端及所述控制器的供电端相连。

8.根据权利要求1所述的级联逆变系统，其特征在于，多个所述子系统所连接的多个所述直流供电单元均为至少一块光伏组件；

或者，部分所述子系统所连接的多个所述直流供电单元均为蓄电池；

或者，至少一个所述子系统所连接的多个所述直流供电单元中，至少一个所述直流供电单元为蓄电池。

9.根据权利要求1所述的级联逆变系统，其特征在于，所述系统接口板还包括：与所述系统控制器相连的并网软启动电路；

所述系统控制器在判断能够启动的所述子系统的个数满足并网要求时，通过所述并网软启动电路控制所述继电器闭合。

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