CN109088596A - 一种光伏冗余逆变器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种光伏冗余逆变器系统包括：直流变换模块和逆变模块；光伏阵列、直流变换模块、逆变模块和电网依次串联；逆变模块包括至少两个逆变子模块，至少两个逆变子模块的输入端并联接入直流变换模块的输出端，至少两个逆变子模块的输入端并联接入光伏阵列的输出端，至少两个逆变子模块的输出端并联接入电网；逆变子模块包括：逆变器、逆变器调节单元和功率均分外环；功率均分外环用于将直流变换模块的输出电压与光伏阵列处于最大功率时的电压之间的差值按预设比例进行调节，将调节后的差值根据逆变子模块的数量进行均分，得到逆变器的电流参考值；逆变器调节单元用于调节逆变器的输出电流等于电流参考值。

Description

一种光伏冗余逆变器系统

技术领域

本发明涉及光伏逆变器领域，尤其涉及一种光伏冗余逆变器系统。

背景技术

太阳能是一种可持续无污染的绿色清洁能源，针对这种绿色能源的开发，人们研发出了各种各样的光伏发电系统，实现对太阳能能量的收集和利用。收集到的太阳能会经转化后送给电网或当地负载，在整个过程中，转化环节至关重要，而逆变器又是这个环节中最重要的节点，且是最容易出故障的地方。所以为了提高光伏系统的安全性及稳定性，最好的方式是在逆变器上进行合理的冗余设计。

在光伏系统中，为了提高系统的稳定性，而给系统添加冗余的方式多样，大体分以下几种形式：(1)硬件冗余。修改逆变器拓扑结构，在原有结构的基础上，添加冗余的开关，在逆变器发生开关故障时，及时切换，从而使逆变器的正常运行不受影响；或者在逆变器的控制芯片即原有主控芯片基础上添加一个芯片备用，应对当某一个芯片出故障时，冗余的芯片能及时接管任务，保证系统正常运行。(2)软件冗余。利用SVPWM的冗余矢量，当发生逆变器开关故障时，根据相近的冗余矢量，改变控制原有开关，转为控制其它开关，尽量保证输出波形不失真。

前述的冗余策略有一个共同的缺点，即都只能应对单一的故障。如，添加冗余开关和利用冗余矢量都只能应对逆变器开关故障，且后者还会造成少量的波形失真；添加冗余芯片只能对芯片进行冗余保护，且添加冗余芯片会使对光伏系统的控制更加复杂。再者，因为前述的冗余策略都针对的是比较细微的故障，正是这些故障点太过细小，所以难以区分，甚至难以检测，所以相关的故障检测也是当前的学者正在积极研究的难题。最后，若将上述策略进行组合，虽然增加了系统应对故障的全面性，但同时也增加了光伏系统的复杂度，这样做得不偿失。

发明内容

本发明实施例提供了一种光伏冗余逆变器系统，，能保证在有多台逆变器出现故障时，光伏系统仍能正常工作，提升了光伏系统的稳定性。

本发明提供了一种光伏冗余逆变器系统，包括：直流变换模块和逆变模块；

光伏阵列、所述直流变换模块、所述逆变模块和电网依次串联；

所述逆变模块包括至少两个逆变子模块，至少两个所述逆变子模块的输入端并联接入所述直流变换模块的输出端，至少两个所述逆变子模块的输入端并联接入所述光伏阵列的输出端，至少两个所述逆变子模块的输出端并联接入电网；

所述逆变子模块包括：逆变器、逆变器调节单元和功率均分外环；

所述功率均分外环用于将所述直流变换模块的输出电压与所述光伏阵列处于最大功率时的电压之间的差值按预设比例进行调节，将调节后的差值根据所述逆变子模块的数量进行均分，得到所述逆变器的电流参考值；

所述逆变器调节单元用于调节所述逆变器的输出电流等于所述电流参考值。

优选地，所述预设比例为：

式中，I_dc为直流变换模块的输出电流，U_dc为直流变换模块的输出电压，U₀为光伏阵列处于最大功率时的电压，U_ac为逆变器的输出电压。

优选地，所述逆变器调节单元包括：电流内环和PWM调制器；

所述PWM调制器的输入端与所述电流内环的输出端电连接，所述PWM调制器的输出端与所述逆变器的输入端电连接，所述电流内环的输入端与所述功率均分外环的输出端电连接；

所述电流内环用于根据所述电流参考值与所述逆变器的输出电流的比对结果生成参考电压；

所述PWM调制器用于根据所述参考电压调节输入所述逆变器的PWM波形，使得所述逆变器的输出电流等于所述电流参考值。

优选地，所述逆变器的输出端与电网之间的连接线路上设置有滤波电路。

优选地，本发明提供的一种光伏冗余逆变器系统还包括：MPPT控制器；

所述MPPT控制器的输出端与所述直流变换模块电连接，所述MPPT控制器的输出端与各个所述功率均分外环的输入端电连接；

所述MPPT控制器用于通过MPPT算法根据所述光伏阵列的输出电压和输出电流调节输入所述直流变换模块的PWM波形，使得所述光伏阵列的输出功率最大，再输出所述光伏阵列处于最大功率时的电压。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的一种光伏冗余逆变器系统包括：直流变换模块和逆变模块；光伏阵列、直流变换模块、逆变模块和电网依次串联；逆变模块包括至少两个逆变子模块，至少两个逆变子模块的输入端并联接入直流变换模块的输出端，至少两个逆变子模块的输入端并联接入光伏阵列的输出端，至少两个逆变子模块的输出端并联接入电网；逆变子模块包括：逆变器、逆变器调节单元和功率均分外环；功率均分外环用于将直流变换模块的输出电压与光伏阵列处于最大功率时的电压之间的差值按预设比例进行调节，将调节后的差值根据逆变子模块的数量进行均分，得到逆变器的电流参考值；逆变器调节单元用于调节逆变器的输出电流等于电流参考值。本发明采用逆变器并联的冗余方式，不仅能应对更多种类的逆变器故障情况，而且降低了故障检测的复杂性，不需要去细究逆变器出现了何种类别的故障，只需知道系统中有逆变器出故障，其余正常的逆变器重新进行功率均分即可。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种光伏冗余逆变器系统的一个实施例的结构示意图。

图2为功率均分外环的逻辑示意图；

图3为本发明提供的一种光伏冗余逆变器系统的一个实施例的另一结构示意图；

图4为功率均分外环和电流内环的结构示意图；

图5为a相电网电压和a相并网电流的示意图；

图6为并网电流的对比示意图；

图7为输出功率的对比示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种光伏冗余逆变器系统，能保证在有多台逆变器出现故障时，光伏系统仍能正常工作，提升了光伏系统的稳定性。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1(以两台逆变器为例)，本发明提供的一种光伏冗余逆变器系统的一个实施例，包括：直流变换模块和逆变模块；

光伏阵列、直流变换模块、逆变模块和电网依次串联；

逆变模块包括至少两个逆变子模块，至少两个逆变子模块的输入端并联接入直流变换模块的输出端，至少两个逆变子模块的输入端并联接入光伏阵列的输出端，至少两个逆变子模块的输出端并联接入电网；

逆变子模块包括：逆变器、逆变器调节单元和功率均分外环；功率均分外环用于将直流变换模块的输出电压与光伏阵列处于最大功率时的电压之间的差值按预设比例进行调节，将调节后的差值根据逆变子模块的数量进行均分，得到逆变器的电流参考值；

逆变器调节单元用于调节逆变器的输出电流等于电流参考值。

本发明采用逆变器并联的冗余方式，不仅能应对更多种类的逆变器故障情况，而且降低了故障检测的复杂性，不需要去细究逆变器出现了何种类别的故障，只需知道系统中有逆变器出故障，其余正常的逆变器重新进行功率均分即可。

更具体地，本发明由于多台逆变器并联工作可以降低每台逆变器的输出功率，从而降低了逆变器的损耗，从侧面减少了逆变器出故障的可能性，使整个光伏系统更加稳定，且多台逆变器并联可使系统所能承载的光伏阵列输出更多，可以保证光伏阵列的输出都能正常转化后输送给电网。

以上为一种光伏冗余逆变器系统的一个实施例，为进行更具体的说明，下面提供一种光伏冗余逆变器系统的另一个实施例，请参阅图1，本发明提供的一种光伏冗余逆变器系统的另一个实施例，包括：直流变换模块和逆变模块；

光伏阵列、直流变换模块、逆变模块和电网依次串联；

逆变模块包括至少两个逆变子模块，至少两个逆变子模块的输入端并联接入直流变换模块的输出端，至少两个逆变子模块的输入端并联接入光伏阵列的输出端，至少两个逆变子模块的输出端并联接入电网；

逆变子模块包括：逆变器、逆变器调节单元和功率均分外环；

功率均分外环用于将直流变换模块的输出电压与光伏阵列处于最大功率时的电压之间的差值按预设比例进行调节，将调节后的差值根据逆变子模块的数量进行均分，得到逆变器的电流参考值；

逆变器调节单元用于调节逆变器的输出电流等于电流参考值。

可选的，预设比例为：

式中，I_dc为直流变换模块的输出电流，U_dc为直流变换模块的输出电压，U₀为光伏阵列处于最大功率时的电压，U_ac为逆变器的输出电压。

可选的，逆变器调节单元包括：电流内环和PWM调制器；

PWM调制器的输入端与电流内环的输出端电连接，PWM调制器的输出端与逆变器的输入端电连接，电流内环的输入端与功率均分外环的输出端电连接；

电流内环用于根据电流参考值与逆变器的输出电流的比对结果生成参考电压；

PWM调制器用于根据参考电压调节输入逆变器的PWM波形，使得逆变器的输出电流等于电流参考值。

可选的，逆变器的输出端与电网之间的连接线路上设置有滤波电路。

可选的，本发明提供的一种光伏冗余逆变器系统还包括：MPPT控制器；

MPPT控制器的输出端与直流变换模块电连接，MPPT控制器的输出端与各个功率均分外环的输入端电连接；

MPPT控制器用于通过MPPT算法根据光伏阵列的输出电压和输出电流调节输入直流变换模块的PWM波形，使得光伏阵列的输出功率最大，再输出光伏阵列处于最大功率时的电压。

本发明为了提高光伏系统的稳定性，为光伏系统增加冗余项。如图1所示，采用两级型逆变器系统，在DC/DC(直流变换模块)中执行MPPT算法，为DC/AC(逆变器)添加冗余项，即将多台DC/AC并联，各DC/AC前侧共接直流母线，后侧的输出汇总到电网端的交流母线，多台同时运行。各DC/AC同时运行，并通过功率均分外环和电流内环的双环控制调控各自的输出，保证并联有多个DC/AC系统的输出等于没并联情况下，即只有单个DC/AC系统的输出，且使输出的波形满足并网要求。

以下将对本发明提供的冗余设计的原理进行具体说明：

本发明提及的功率均分是指DC/AC均分光伏阵列的输出功率。功率均分外环的目的主要是根据光伏阵列的输出计算一个合适的电流指令值，电流内环根据该指令值控制逆变器输出的并网电流大小，从而控制逆变器的输出功率。例如有一条匀速出产货品的生产线，由一个工人对该条生产线上的货品进行加工，其加工的速度一定要跟上货品的产出速度，当换由多个工人对该生产线上的货品进行加工时，每个工人的加工速度一定是慢于只有一个工人时的速度的，因此，工人的加工速度由生产线出产货品的速度，以及负责该生产线的工人数量来决定。对比到光伏系统中，即DC/AC的输出功率由光伏阵列的输出功率以及并联的DC/AC个数来决定。DC/AC输出功率的大小由功率均分外环来控制。

如图2所示，根据光伏阵列输出电压和电流，经过MPPT算法控制DC/DC使光伏阵列的输出在其最大功率点处，记最大功率点处电压为U₀，采集直流母线处电压U_dc，与U₀做差，差值经过预设比例为K的比例调节器，输出系统总的并网电流参考值I_ref。逆变器与上位机通信获得当前光伏系统中正常运行的逆变器台数n，则n台逆变器均分I_ref，逆变器j获得其对应的电流内环参考值I_refj，即：

由图2可知：

I_ref＝K(U_dc-U₀) (2)

忽略逆变器模组损耗，认为功率平衡，则逆变器j满足：

I_dcj×U_dc＝3×I_acj×U_ac，j∈[1,n] (3)

I_dc＝I_dcj×n，j∈[1,n] (4)

其中，I_dc为直流侧总电流，I_acj、U_ac分别为逆变侧相电流与逆变侧相电压的有效值。

若并网电流按功率因数为1控制，则逆变侧相电流全为有功电流，则有：

由(3)、(5)可得电流内环参考值：

由上述式子，整理可得比例调节器系数即预设比例：

由于各个逆变器的直流侧电压值都为U_dc，且K值相同，n值也是统一的，所以各逆变器计算出的电流内环的电流指令值I_refj都是一样的。在相同的电流指令下，各逆变器等功率输出，任意一台故障退出都不会影响整个系统正常运行，功率会自动重新均匀分配。

根据上述设计，依据如图3和图4，运用matlab进行了仿真，对比了两台逆变器同时运行与只有单台逆变器运行时系统的输出，仿真结果如图5所示，a相的电网电压和并网电流同频同相。如图6所示，两台逆变器同时工作时输出的a相并网电流与只有单台逆变器工作时输出的大小基本相同，这表明添加的逆变器冗余项不仅提升了光伏系统稳定性，而且对系统的输出基本没有影响。再对比单台逆变器工作时的a相并网电流与两台逆变器工作时逆变器1的a相并网电流，后者近乎是前者的一半大小，说明功率均分外环很好的实现了对逆变器输出并网电流大小的控制。如图7所示，两台逆变器同时工作时的输出功率与只有单台逆变器工作时的输出功率，在系统趋于稳定后，大小基本相同，这也表明功率均分外环环路对冗余结构起到了控制效果。

仿真结果表明，本发明所设计的冗余结构，能较好的实现冗余目的，达到目标效果。

本发明为DC/AC添加冗余项，因为DC/AC是光伏系统中最易出故障的点，所以通过将多个DC/AC并联的冗余方式提升光伏系统的稳定性，只要系统中至少有一台DC/AC是正常的，则整个系统就能正常运行。在本发明中，并联的DC/AC在功率均分外环的控制下调控自己的输出功率，使每台DC/AC都等功率运行，达到均分光伏阵列输出的效果，而当并联的DC/AC等功率运行时，整个系统的效率最高。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种光伏冗余逆变器系统，其特征在于，包括：直流变换模块和逆变模块；

光伏阵列、所述直流变换模块、所述逆变模块和电网依次串联；

所述逆变模块包括至少两个逆变子模块，至少两个所述逆变子模块的输入端并联接入所述直流变换模块的输出端，至少两个所述逆变子模块的输入端并联接入所述光伏阵列的输出端，至少两个所述逆变子模块的输出端并联接入电网；

所述逆变子模块包括：逆变器、逆变器调节单元和功率均分外环；

所述功率均分外环用于将所述直流变换模块的输出电压与所述光伏阵列处于最大功率时的电压之间的差值按预设比例进行调节，将调节后的差值根据所述逆变子模块的数量进行均分，得到所述逆变器的电流参考值；

所述逆变器调节单元用于调节所述逆变器的输出电流等于所述电流参考值。

2.根据权利要求1所述的光伏冗余逆变器系统，其特征在于，所述预设比例为：

式中，I_dc为直流变换模块的输出电流，U_dc为直流变换模块的输出电压，U₀为光伏阵列处于最大功率时的电压，U_ac为逆变器的输出电压。

3.根据权利要求1所述的光伏冗余逆变器系统，其特征在于，所述逆变器调节单元包括：电流内环和PWM调制器；

所述PWM调制器的输入端与所述电流内环的输出端电连接，所述PWM调制器的输出端与所述逆变器的输入端电连接，所述电流内环的输入端与所述功率均分外环的输出端电连接；

所述电流内环用于根据所述电流参考值与所述逆变器的输出电流的比对结果生成参考电压；

所述PWM调制器用于根据所述参考电压调节输入所述逆变器的PWM波形，使得所述逆变器的输出电流等于所述电流参考值。

4.根据权利要求3所述的光伏冗余逆变器系统，其特征在于，所述逆变器的输出端与电网之间的连接线路上设置有滤波电路。

5.根据权利要求1所述的光伏冗余逆变器系统，其特征在于，还包括：MPPT控制器；

所述MPPT控制器的输出端与所述直流变换模块电连接，所述MPPT控制器的输出端与各个所述功率均分外环的输入端电连接；

所述MPPT控制器用于通过MPPT算法根据所述光伏阵列的输出电压和输出电流调节输入所述直流变换模块的PWM波形，使得所述光伏阵列的输出功率最大，再输出所述光伏阵列处于最大功率时的电压。