CN109861274A - 一种具有apf功能的主辅并网逆变器并联运行系统及方法 - Google Patents

一种具有apf功能的主辅并网逆变器并联运行系统及方法 Download PDF

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吴永斌
郝鹏飞
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Abstract

本发明提供了一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行系统及方法，其中系统包括主光伏阵列，辅助光伏阵列以及分别与所述主光伏阵列和辅助光伏阵列连接的功率单元，所述功率单元还连接有控制单元；所述功率单元包括并行设置的主逆变器通路组件以及辅助逆变器通路组件，所述主逆变器通路组件的主逆变器以及辅助逆变器通路组件的辅助逆变器均可以工作在逆变并网状态或APF状态；所述控制单元用于控制上述主逆变器和辅助逆变器的工作状态。在保证光伏逆变并网功能的前提下，引入APF有源电力滤波器来更大限度地提升系统动态抑制谐波、补偿无功的能力。本发明减小并网电流谐波，使逆变器功率范围內都能满足并网电流谐波小于5%的国际标准。

Description

一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行系统及方法
技术领域
本发明属于微网多逆变器并联控制和分布式发电技术领域，具体涉及一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行系统及方法，在微电网中进行应用。
背景技术
随着全世界对能源的需求日益增长，分布式能源发电在能源结构中的作用变得尤为重要，越来越多的采用电力电子技术的输配电设备，越来越多的新型负荷不断出现。然而分布式的新能源存在位置分散、间歇性、不稳定和调度难特点，因此需要大量的电力电子装置来负责能量的调节与变换。电力电子技术传统研究领域主要在低压、小功率、窄输入电压，集中于单台变流器和停留在装置层面的三个方面，而新时代下新的研究领域主要包括单台变流器层面、多台变流器层面和系统层面的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统及方法，在提高并网逆变器利用效率的同时改善电网电能质量，并且提出一种新的控制方法。在保证光伏逆变并网功能的前提下，引入APF有源电力滤波器来更大限度地提升系统动态抑制谐波、补偿无功的能力。其根据云图来选择主辅逆变器的工作状态，来减小并网电流谐波，使逆变器功率范围內都能满足并网电流谐波小于5%的国际标准。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统及方法，控制逆变器的工作状态，减少电网谐波，提高并网逆变器工作效率，当辅助逆变器反向运行时，系统工作在APF(有源滤波)状态。本设计将APF（有源滤波）状态与逆变并网的工作状态相结合，通过光伏发电预测返回的估值对系统在不同外界环境下的工作状态进行判断和选择。
具体地，一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统，包括主光伏阵列，辅助光伏阵列以及分别与所述主光伏阵列和辅助光伏阵列连接的功率单元，所述功率单元还连接有控制单元；
所述功率单元包括并行设置的主逆变器通路组件以及辅助逆变器通路组件，
所述主逆变器通路组件的主逆变器以及辅助逆变器通路组件的辅助逆变器均可以工作在逆变并网状态或APF状态；
所述控制单元用于控制上述主逆变器和辅助逆变器的工作状态。
在本发明的一个优选实施例中，所述主逆变器通路组件包括主Boost变换器，所述辅助逆变器通路组件包括辅助Boost变换器；
所述的主光伏阵列的输出端经过主Boost变换器实现最大功率跟踪后，输入给主逆变桥，同时辅助光伏阵列的输出端经过辅助Boost变换器实现MPPT功能后，输入给辅助逆变桥；
所述的主Boost变换器与主逆变桥通过直流接触器KMdc1连接，辅助Boost变换器与具有APF功能的光伏并网辅助逆变桥通过直流接触器KMdc2连接；
所述的主逆变桥与辅助逆变桥的输入端通过直流接触器KMpv连接；
所述的主逆变桥输出端与LCL滤波模块连接，再经过交流接触器KMacm与电网连接；
所述的辅助逆变桥输出端与L滤波模块连接，再经过交流接触器KMacs与电网连接。
在本发明的一个优选实施例中，其中控制单元主要由DSP控制系统、电压电流检测电路、驱动电路和辅助电源组成；所述DSP控制系统控制所有组件，并通过驱动电路将控制指令输入至功率单元，所述检测电路用于将实际的电压电流转换到DSP控制芯片的AD可以采集的范围。
在本发明的一个优选实施例中，所述DSP控制系统还包括AD单元、PWM单元以及控制算法单元，所述AD单元实时检测所观察的变量，与给定值作比较，将偏差量经过控制算法单元，输出占空比，利用PWM单元生成驱动信号送至驱动电路。
在本发明的一个优选实施例中，所述的检测电路将电压、电流值转换为DSP控制芯片可以采样的电压范围；所述的驱动电路模块采用隔离DC-DC模块和HCPL-3120光隔驱动芯片构成，用于控制MOSFET和IGBT的正常通断。
一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制方法，包括以下步骤：
系统检测实施实时的光照强度参数P，光照强度参数P与设定的阈值H和L作比较，当光照强度参数P大于阈值H，说明处于阳光充足的晴天，主、辅逆变器同时发电运行；
当光照强度参数P小于阈值H但大于阈值L，处于阳光较弱的多云天气，主逆变器正常发电，辅助逆变器的算法切换到有源滤波模式，滤除电流谐波；
当光照强度参数P小于阈值L，处于阳光微弱的阴天，主逆变器不工作，由辅助逆变器发电运行。
其中光照强度参数P的范围为:0~30万Lux,其中阈值H为10万Lux,阈值L为1万Lux。
在本发明的一个优选实施例中，利用测量实时光照强度，根据光照度参数判定天气状况。
在本发明的一个优选实施例中，在阳光充足的晴天时，控制信号输送给DSP控制系统，由DSP控制系统做出响应，改变系统工作状态至主光伏阵列和辅助光伏阵列分别通过Boost变换器实现最大功率跟踪，经过电容滤波后，使输出作为光伏并网主逆变器和具有APF功能的光伏并网辅助逆变器的输入，光伏并网主逆变器和具有APF功能的光伏并网辅助逆变器工作在光伏逆变并网状态，采用下垂控制的算法使主辅逆变器并联运行，向电网输入功率；
在本发明的一个优选实施例中，在阳光较弱的多云天气时，控制信号输送给DSP控制系统，由控制器做出响应，改变系统工作状态至主光伏阵列通过主Boost变换器实现最大功率跟踪输出，作为光伏并网主逆变器的输入，光伏并网主逆变器单独运行发电，具有APF功能的光伏并网辅助逆变器工作在有源滤波状态，实时监控主逆变器电流谐波，并将其反极性后作为有源滤波的指令电流，由电流控制并联至APF的网侧电流，从而补偿主逆变器输出的谐波及无功功率，使主逆变器输出电流为正弦波，改善电能质量。
在本发明的一个优选实施例中，在阳光微弱的阴天，控制信号输送给DSP控制系统，由控制器做出响应，改变系统工作状态至主辅光伏阵列通过Boost变换器实现最大功率跟踪输出，为具有APF功能的光伏并网辅助逆变器的输入，具有APF功能的光伏并网辅助逆变器单独运行，工作在逆变并网状态，辅助光伏阵列向电网提供功率。
通过以上技术方案，本发明的技术效果在于：
通过本发明专利提出的具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统及方法，与现有技术相比，可以实现根据光照强度选择主辅逆变器的工作状态，来减小并网电流谐波，使逆变器功率范围內都能满足并网电流谐波小于5%的国际标准。
附图说明
附图1 是一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行系统的整体结构框图。
附图2 是系统的控制模式与方法的选择。
附图3 是第一个实施例的控制系统的运行情况结构框图。
附图4 是第二个实施例的控制系统的运行情况结构框图。
附图5 是第三个实施例的控制系统的运行情况结构框图。
具体实施
下面将结合本发明专利的附图，对涉及的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
本发明的核心是提供一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行系统及控制方法。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步的详细说明。
本发明的第一方面的实施例提供了一种控制系统，用于微网多逆变器并联控制和分布式发电技术领域，具体来说是一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统，附图1为本发明提供的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行系统及控制系统的结构框图。
该系统由主光伏阵列（单多晶太阳能电池板80W 18V SUNPOWER）、辅助光伏阵列（单多晶太阳能电池板60W 18V SUNPOWER）、主Boost变换器、辅助Boost变换器、光伏并网主逆变桥、具有APF功能的光伏并网辅助逆变桥、LCL滤波模块、L滤波模块、直流接触器KMpv、直流接触器KMdc1、直流接触器KMdc2、交流接触器KMacm、交流接触器KMacs和配备的辅助电源模块、控制系统模块组成。
主光伏阵列的输出端串接功率二极管VDm后，接入主Boost变换器的输入端，主Boost变换器的输出端接直流接触器KMdc1的输入端，直流接触器KMdc1的输出端与电解电容Cm并联作为主逆变桥的输入端，主逆变桥的输出端接LCL滤波器的输入端，LCL滤波器的输出端接交流接触器KMacm的输入端，交流接触器KMacm的输出端与电网相连。
辅助光伏阵列的输出端串接功率二极管VDs后，接入辅助Boost变换器的输入端，辅助Boost变换器的输出端接直流接触器KMdc2的输入端，直流接触器KMdc2的输出端与电解电容Cs并联作为辅助逆变桥的输入端，辅助逆变桥的输出端接L滤波器的输入端，L滤波器的输出端接交流接触器KMacs的输入端，交流接触器KMacs的输出端与电网相连。
主辅Boost变换器的输出端经直流接触器KMpv相连，同时交流接触器KMacm和KMacs的输出端并联接在电网上。
主辅光伏阵列将光能转换成电能，向系统提供能量支撑。功率二极管VDm和VDs可以防止功率逆流，损坏光伏板。主辅Boost变换器可以对光伏阵列实现最大功率跟踪控制。直流接触器KMdc1、KMdc2和KMpv可以实现主辅光伏阵列组合使用。直流流电解电容Cm和Cs替滤波和稳压的作用。主辅逆变桥可实现直流向交流的转换。LCL滤波器和L滤波器可以滤除电流谐波。交流接触器KMacm和KMacs用作并离网转换装置。
控制系统单元由DSP28335控制系统，检测电路和驱动电路组成，DSP控制系统作为整个控制系统的核心，对系统进行AD采样，输出控制的PWM信号，软件保护，以及在不同工作环境下的控制算法切换，检测电路将功率电路中的电压、电流信号转换成DSP控制系统可以直接采样的信号，驱动电路将DSP输出的PWM信号进行隔离放大，控制主辅逆变桥。
本发明的第二方面的实施例提供了一种控制方法，如附图2所示，对光照强度进行实时检测，设定光照度的阈值H和L,根据实时测量的光照度参数P，来合理选择具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行系统的控制模式。根据不同的状态，选不同的控制模式与控制方法。
实施例2：
具体实施，通过实时检测光照强度，将光照强度参数P与设定的阈值H和L作比较。当光照强度参数P大于阈值H，说明处于阳光充足的晴天，主辅并网逆变器同时发电运行；
当光照强度参数P小于阈值H但大于阈值L,说明处于阳光较弱的多云天气，为了减小并网电流谐波，主并网逆变器正常发电，辅助并网逆变器的算法切换到有源滤波模式，滤除电流谐波；
当光照强度参数P小于阈值L，说明处于阳光微弱的阴天，为了提高发电效率，主并网逆变器不工作，由辅助并网逆变器承担发电责任。
图3示出了根据本发明的第一个实施例的控制方法的示意流程图，如图3所示，该控制方法包括：
在阳光充足的晴天时，直流接触器KMpv断开，直流接触器KMdc1和KMdc2闭合，主光伏阵列和辅助光伏阵列分别通过主辅Boost变换器利用扰动观测法实现最大功率跟踪，主Boost变换器输出的Vpvm和辅助Boost变换器输出的Vpvs分别作为光伏并网主逆变桥和具有APF功能的光伏并网辅助逆变桥输入的电压源，光伏并网主逆变桥输出经过由三相L1、Cf、L2构成的LCL滤波电路模块，具有APF功能的光伏并网辅助逆变桥输出经过由三相电感L滤波电路模块，交流接触器KMacm和交流接触器KMacs闭合，光伏并网主逆变器和具有APF功能的光伏并网辅助逆变器工作在光伏逆变并网状态，两者利用下垂控制策略实现并联运行，共同向电网输入功率。
图4示出了根据本发明的第二个实施例的控制方法的示意流程图，如图4所示，该控制方法包括：
在阳光较弱的多云天气时，直流接触器KMpv、KMdc1和KMdc2同时闭合，主光伏阵列通过主Boost变换器利用扰动观测法实现最大功率跟踪输出，作为光伏并网主逆变器的输入，交流接触器KMacm和交流接触器KMacs闭合，光伏并网主逆变器单独运行发电。具有APF功能的光伏并网辅助逆变桥工作在有源滤波状态，实时监控主逆变器电流谐波，并将其反极性后作为有源滤波的指令电流，由电流控制并联至APF的网侧电流，从而补偿主逆变器输出的谐波及无功功率，使主逆变器输出电流为正弦波，改善电能质量。
图5示出了根据本发明的第三个实施例的控制方法的示意流程图，如图5所示，该控制方法包括：
在阳光微弱的阴天时，直流接触器KMdc1断开，直流接触器KMpv和KMdc2闭合，主辅光伏阵列都通过辅助Boost变换器利用扰动观测法实现最大功率跟踪输出，作为具有APF功能的光伏并网辅助逆变器的输入，交流接触器KMacm断开，交流接触器KMacs闭合，具有APF功能的光伏并网辅助逆变桥单独运行，工作在逆变并网状态，输出经过三相电感L滤波电路模块，向电网注入功率。
通过本发明专利提出的具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统及方法，与现有技术相比，可以实现根据光照强度选择主辅逆变器的工作状态，来减小并网电流谐波，使逆变器功率范围內都能满足并网电流谐波小于5%的国际标准。

Claims (10)

1.一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统，其特征在于，包括主光伏阵列，辅助光伏阵列以及分别与所述主光伏阵列和辅助光伏阵列连接的功率单元，所述功率单元还连接有控制单元；
所述功率单元包括并行设置的主逆变器通路组件以及辅助逆变器通路组件；
所述主逆变器通路组件的主逆变器以及辅助逆变器通路组件的辅助逆变器均可以工作在逆变并网状态或APF状态；
所述控制单元用于控制上述主逆变器和辅助逆变器的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统，其特征在于，所述主逆变器通路组件包括主Boost变换器，所述辅助逆变器通路组件包括辅助Boost变换器；
所述的主光伏阵列的输出端经过主Boost变换器实现最大功率跟踪后，输入给主逆变桥，同时辅助光伏阵列的输出端经过辅助Boost变换器实现MPPT功能后，输入给辅助逆变桥；
所述的主Boost变换器与主逆变桥通过直流接触器KMdc1连接，辅助Boost变换器与具有APF功能的光伏并网辅助逆变桥通过直流接触器KMdc2连接；
所述的主逆变桥与辅助逆变桥的输入端通过直流接触器KMpv连接；
所述的主逆变桥输出端与LCL滤波模块连接，再经过交流接触器KMacm与电网连接；
所述的辅助逆变桥输出端与L滤波模块连接，再经过交流接触器KMacs与电网连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统，其特征在于，其中控制单元主要由DSP控制系统、电压电流检测电路、驱动电路和辅助电源组成；所述DSP控制系统控制所有组件，并通过驱动电路将控制指令输入至功率单元，所述检测电路用于将实际的电压电流转换到DSP控制芯片的AD可以采集的范围。
4.根据权利要求3所述的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统，其特征在于，所述DSP控制系统还包括AD单元、PWM单元以及控制算法单元，所述AD单元实时检测所观察的变量，与给定值作比较，将偏差量经过控制算法单元，输出占空比，利用PWM单元生成驱动信号送至驱动电路。
5.根据权利要求3所述的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制系统，其特征在于，所述的检测电路将电压、电流值转换为DSP控制芯片可以采样的电压范围；所述的驱动电路模块采用隔离DC-DC模块和HCPL-3120光隔驱动芯片构成，用于控制MOSFET和IGBT的正常通断。
6.一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
系统检测实施实时的光照强度参数P，光照强度参数P与设定的阈值H和L作比较，当光照强度参数P大于阈值H，说明处于阳光充足的晴天，主、辅逆变器同时发电运行；
当光照强度参数P小于阈值H但大于阈值L，处于阳光较弱的多云天气，主逆变器正常发电，辅助逆变器的算法切换到有源滤波模式，滤除电流谐波；
当光照强度参数P小于阈值L，处于阳光微弱的阴天，主逆变器不工作，由辅助逆变器发电运行。
7.根据权利要求6所述的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制方法，其特征在于，利用GZD系统光照度传感器测量实时光照强度，根据光照度参数判定天气状况。
8.根据权利要求7所述的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制方法，其特征在于，在阳光充足的晴天时，控制信号输送给DSP控制系统，由DSP控制系统做出响应，改变系统工作状态至主光伏阵列和辅助光伏阵列分别通过Boost变换器实现最大功率跟踪，经过电容滤波后，使输出作为光伏并网主逆变器和具有APF功能的光伏并网辅助逆变器的输入，光伏并网主逆变器和具有APF功能的光伏并网辅助逆变器工作在光伏逆变并网状态，采用下垂控制的算法使主辅逆变器并联运行，向电网输入功率。
9.根据权利要求7所述的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制方法，其特征在于，在阳光较弱的多云天气时，控制信号输送给DSP控制系统，由控制器做出响应，改变系统工作状态至主光伏阵列通过主Boost变换器实现最大功率跟踪输出，作为光伏并网主逆变器的输入，光伏并网主逆变器单独运行发电，具有APF功能的光伏并网辅助逆变器工作在有源滤波状态，实时监控主逆变器电流谐波，并将其反极性后作为有源滤波的指令电流，由电流控制并联至APF的网侧电流，从而补偿主逆变器输出的谐波及无功功率，使主逆变器输出电流为正弦波，改善电能质量。
10.根据权利要求7所述的一种具有APF功能的主辅并网逆变器并联运行控制方法，其特征在于，在阳光微弱的阴天，控制信号输送给DSP控制系统，由控制器做出响应，改变系统工作状态至主辅光伏阵列通过Boost变换器实现最大功率跟踪输出，为具有APF功能的光伏并网辅助逆变器的输入，具有APF功能的光伏并网辅助逆变器单独运行，工作在逆变并网状态，辅助光伏阵列向电网提供功率。
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