CN115498910A - 一种组串式光伏系统的漏电流抑制方法 - Google Patents

一种组串式光伏系统的漏电流抑制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种组串式光伏系统的漏电流抑制方法，包括如下步骤：S100：向光伏系统所包括的多个并联的逆变器输入同步载波；S200：对多个逆变器进行载波调制；S300：根据载波调制的结果控制各逆变器的开关状态，进而将各逆变器输出的共模分量进行错位，以使得各逆变器的部分共模分量进行相互抵消，从而减少光伏系统输出的共模分量的电位变化量。本申请的有益效果：本申请的漏电流抑制方式为纯的软件优化，成本低，实现方式简单。通过优化各逆变器的开关状态作用序列来降低光伏系统输出的共模分量的电位变化量，从而实现对漏电流的抑制。

Description

一种组串式光伏系统的漏电流抑制方法
技术领域
本申请涉及光伏发电技术领域，尤其是涉及一种组串式光伏系统的漏电流抑制方法。
背景技术
组串式光伏系统采用模块化设计，优点是实现多路最大功率跟踪(MPPT)，有效兼顾各个组串间模块差异和防止阴影遮挡和热斑效应，因而得到广泛应用。
但是在光伏系统中，非隔离型逆变器因效率、体积、成本等优势，得到广泛引用。但由于光伏板对地存在较大寄生电容，系统的共模分量会通过地回路、光伏板寄生电容而流通，形成漏电流。在非隔离型逆变器中，因没有变压器的隔离，漏电流越加明显。漏电流如果进入电网，对电网设备造成影响，同时光伏板外壳带电，对人身安全造成威胁。
对于抑制漏电流有多种方法，常见的有增大共模回路阻抗，如加入共模扼流圈，这种成本相对较高。或者并联另外支路对漏电流进行分流，如并联分流支路到母线电容中点等，该方法使漏电流进入母线电容中点，对系统的正常运行有所影响。
所以，现在急需一种对组串式光伏系统的漏电流具有良好抑制效果的方法。
发明内容
本申请的其中一个目的在于提供一种能够对组串式光伏系统的漏电流具有良好抑制效果的方法。
为达到上述的目的，本申请采用的技术方案为：一种组串式光伏系统的漏电流抑制方法，包括如下步骤：
S100：向光伏系统所包括的多个并联的逆变器输入同步载波；
S200：对多个所述逆变器进行载波调制；
S300：根据载波调制的结果控制各所述逆变器的开关状态，进而将各所述逆变器输出的共模分量进行错位，以使得各所述逆变器的部分共模分量进行相互抵消，从而减少光伏系统输出的共模分量的电位变化量，进而实现对漏电流的抑制。
优选的，在步骤S200中，载波调制采用空间矢量调制，具体的调制过程包括如下步骤：
S210：对各所述逆变器依次进行编号#1、……、#n；
S220：对所述逆变器的输出电压进行空间矢量化，以得到任意所述逆变器的输出电压的合成矢量以及对应的矢量作用时间；
S230：分配逆变器#1的起始小矢量，并将对应的冗余小矢量作为下一个逆变器的起始小矢量，直至逆变器#n-1对应的冗余小矢量作为逆变器#n的起始小矢量；
S240：根据分配的起始小矢量，分别形成各所述逆变器的开关状态作用序列。
优选的，步骤S220中，通过判断所述合成矢量位于空间矢量图的区域来计算得到矢量的作用时间。
优选的，所述空间矢量图包括六个均布的扇区，每个扇区均划分有四个区域；所述合成矢量适于落入任意所述扇区的其中一个区域内。
优选的，所述扇区的四个区域均为三角形；步骤S230采用空间矢量调制七段式原则。
优选的，在步骤S100中，发送至各所述逆变器的载波适于通过控制模块进行同步。
优选的，所述控制模块包括一个控制器，所述控制器与各所述逆变器进行电连接，以使得三角载波通过所述控制器同时发送至各个所述逆变器，进而实现各所述逆变器载波的同步。
优选的，所述控制模块包括多个控制器，各所述控制器与对应的所述逆变器进行电连接；载波同步发生至所述控制器，随后经所述控制器发送至对应的所述逆变器。
优选的，光伏系统在所述逆变器工作N个开关周期后需要进行载波矫正，具体的矫正过程包括如下步骤：
S110：选择任意一台所述逆变器为主机，其余所述逆变器为从机；
S120：每经过N个开关周期后，与主机连接的所述控制器向其余所述控制器发送一个同步信号；
S130：与从机连接的所述控制器在接收到同步信号后，比较三角载波的零点与同步信号之间的相位差值；
S140：与从机连接的所述控制器根据相位差值进行闭环调节，以使得主机和从机的载波同步。
优选的，在步骤S120中，N的取值为2000。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
(1)通过优化各逆变器的开关状态作用序列，将各逆变器的共模分量进行错位，使得各逆变器的部分共模分量进行相互抵消，以保证光伏系统输出的共模分量的电位变化量较小，从而实现对漏电流的抑制。
(2)本申请的漏电流抑制方式为纯的软件优化，成本低，实现方式简单。
附图说明
图1为本发明实施例一的电路示意图。
图2为本发明实施例二的电路示意图。
图3为本发明中实施例二的进行载波矫正的示意图。
图4为本发明中空间矢量图的结构示意图。
图5为本发明中逆变器#1落入扇区A的区域1时的开关状态时序示意图。
图6为本发明中逆变器#2落入扇区A的区域1时的开关状态时序示意图。
图7为本发明中图5和图6的共模分量的叠加示意图。
图8为现有技术中逆变器#1和逆变器#2同时落入扇区A的区域1时共模分量的叠加示意图一。
图9为现有技术中逆变器#1和逆变器#2同时落入扇区A的区域1时共模分量的叠加示意图二。
图10为本发明中逆变器#1落入扇区A的区域2时的开关状态时序示意图。
图11为本发明中逆变器#2落入扇区A的区域2时的开关状态时序示意图。
图12为本发明中图10和图11的共模分量的叠加示意图。
图13为现有技术中逆变器#1和逆变器#2同时落入扇区A的区域2时共模分量的叠加示意图一。
图14为现有技术中逆变器#1和逆变器#2同时落入扇区A的区域2时共模分量的叠加示意图二。
图中：光伏板组110、转换器120、逆变器130、控制器200。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本申请的具体保护范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本申请的其中一个优选实施例，如图1至图14所示，一种组串式光伏系统的漏电流抑制方法，包括如下步骤：
S100：向光伏系统所包括的多个并联的逆变器130输入同步载波。
S200：对多个逆变器130进行载波调制。
S300：根据载波调制的结果控制各逆变器130的开关状态，进而将各逆变器130输出的共模分量进行错位，以使得各逆变器130的部分共模分量进行相互抵消，从而减少光伏系统输出的共模分量的电位变化量，进而实现对漏电流的抑制。
应当知道的是，漏电流I的计算公式为I＝kUC；其中，k为漏电流常数；C为光伏系统的寄生电容；U为寄生电容两端的电压。在本实施例中，漏电流常数k的值基本是恒定的；在光伏系统进行工作时，光伏板组110和地面产生的寄生电容C的值在单位时间内也可以认为是恒定的；故而，只需减少寄生电容两端的电压U的值就可以实现对漏电流I的抑制；即本实施例中减少光伏系统输出的共模分量的电位变化量。
本实施例中，如图1和图2所示，光伏系统的具体结构为现有技术，主要包括多个光伏板组110、多个转换器120和多个逆变器130。多个光伏板组110和多个转换器120进行对应连接以接入直流母线；多个转换器120之间相互并联的接入直流母线以形成转换器组；同时，多个逆变器130之间相互并联以形成逆变器组；逆变器组的输入端与直流母线进行连接，逆变器组的输出端与电网进行连接以形成组串式光伏系统。
可以理解的是，如图1和图2所示，转换器120包括但不限于采用三电平拓扑。并且，为了提高光伏系统的结构可靠性，逆变器130采用并联结构，且逆变器130包括但不限于采用三电平拓扑。
在步骤S100中，载波的同步是非常重要的。载波的同步关系着各个逆变器130是否能够按照调制结果控制的开关状态进行工作。为了保证输入各逆变器130的载波保持同步，本申请的其中一个实施例，如图1和图2所示，在光伏系统中，通过设置控制模块来保证发送至各个逆变器130的载波能够保持同步。
本实施例中，控制模块的结构以及工作方式有多种，包括但不限于下述的两种。
结构一：如图1所示，控制模块包括一个控制器200，控制器200与每个逆变器130都进行电连接，以使得控制器200同时将三角载波发送至每个逆变器130，进而实现各个逆变器130载波的同步。
结构二：如图2所示，控制模块包括多个控制器200，每个控制器200都可以和一个对应的逆变器130进行电连接。载波同时发送至每个控制器200，随后经控制器200将载波发送至对应的逆变器130。
可以理解的是，对于上述的结构一，通过一个控制器200可以实现对载波的快速响应，同时控制模块的整体成本较低。但是，在控制器200发生故障时，会导致所有的逆变器130无法进行载波的输入，进而造成光伏系统的漏电流无法被抑制。对于上述的结构二，通过多个控制器200与对应的逆变器130进行连接，虽然增加了控制模块的整体成本，但是在部分控制器200发生故障时，与未发生故障的控制器200连接的逆变器130可以正常进行载波的同步输入工作，虽然可能会导致光伏系统输出的共模分量的电位变化量稍变大，但依旧能够起到良好的漏电流抑制效果。对于上述的结构一和结构二，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择。
本实施例中，如图12所示，对于上述的结构二，由于每个控制器200的响应时间存在微小的偏差，从而在逆变器130工作一定时间后，可能会导致各个逆变器130的载波不同步。所以，一般需要在光伏系统的逆变器130工作N个开关周期后进行载波矫正，具体的矫正过程包括如下步骤：
S110：选择任意一台逆变器130为主机，其余逆变器130为从机。
S120：每经过N个开关周期后，与主机连接的控制器200向其余控制器200发送一个同步信号。
S130：与从机连接的控制器200在接收到同步信号后，比较自身收到的三角载波的零点与同步信号之间的相位差值。
S140：与从机连接的控制器200根据对应的相位差值进行闭环调节，以使得主机和从机的载波同步。
可以理解的是，在步骤S140中，对于相位差值的闭环调节的方式有多种，一般可以通过载波迟滞进行实现。即在步骤S130中得到自身三角载波的零点与同步信号之间的相位差值
Figure BDA0003864187480000061
随后将从机的载波进行迟滞
Figure BDA0003864187480000062
个相位，以保证从机和主机的载波保持同步。
同时，由于控制器200的响应时间一般在毫秒级。所以，主机和从机产生较大的相位差值所需的开关周期次数较大，一般可以取N的值为2000。
本申请的其中一个实施例，在步骤S200中，载波调制的方式有多种，优选采用空间矢量调制方式，具体的调制过程包括如下步骤：
S210：对各逆变器130依次进行编号#1、……、#n；n的取值大于等于2。
S220：对逆变器130的输出电压进行空间矢量化，以得到任意逆变器130的输出电压的合成矢量以及对应的矢量作用时间。
S230：分配逆变器#1的起始小矢量，并将对应的冗余小矢量作为下一个逆变器130的起始小矢量，直至逆变器#n-1对应的冗余小矢量作为逆变器#n的起始小矢量。
S240：根据分配的起始小矢量，分别形成各逆变器130的开关状态作用序列。
本实施例中，由于逆变器130的输出为三电平，故而在进行逆变器130输出电压的空间矢量化时，可以得到如图4所示的呈六个扇区的三电平空间矢量图。
本实施例中，步骤S220，需要通过判断合成矢量位于空间矢量图的区域来计算得到矢量的作用时间。
具体的，如图4所示，空间矢量图的每个扇区均划分有四个区域；逆变器130的输出电压的合成矢量可以落入任意扇区的其中一个区域内。并且，空间矢量图的每个扇区的四个区域均为三角形，以使得步骤S230中逆变器130在进行空间矢量调制时，可以采用空间矢量调制七段式原则进行。
可以理解的是，空间矢量调制七段式原则为本领域技术人员所公知。即以小矢量为起始，到对应的冗余小矢量，然后再返回起始的小矢量。
为了方便进行理解，可以取光伏系统只包括逆变器#1和逆变器#2来描述具体的调制过程。
如图4所示，对空间矢量图的每个区域的端点进行标记。假设逆变器#1和逆变器#2输出电压的合成矢量均落入扇区A中的区域1时，按照空间矢量调制七段式原则，POO和ONN为同一矢量的冗余小矢量。则逆变器#1和逆变器#2分别采用两个冗余小矢量作为起始进行矢量序列。
如逆变器#1以ONN开始，则逆变器#2以对应的矢量POO开始。
则逆变器#1的开关作用序列为：ONN→PNN→PON→POO→PON→PNN→ONN；逆变器#1通过前述的开关作用序列，可以得到如图5所示的开关状态时序示意图。逆变器#2的开关作用序列为：POO→PON→PNN→ONN→PNN→PON→POO；逆变器#2通过前述的开关作用序列，可以得到如图6所示的开关状态时序示意图。从而，通过将图5和图6的开关状态时序图进行叠加，可以得到如图7所示的共模分量的叠加示意图。
此时，光伏系统的共模分量即为逆变器#1的共模分量和逆变器#2的共模分量的叠加。由图7可知，逆变器#1和逆变器#2的两个共模分量相错位，使得两个共模分量在叠加时可以进行部分抵消，进而保证叠加后的光伏系统的共模分量仅在-Vdc/6和0之间进行变化。
当逆变器#1和逆变器#2采用传统的方法进行矢量调制时，若逆变器#1和逆变器#2同时落入扇区A的区域1内，则两台逆变器将都采用ONN→PNN→PON→POO→PON→PNN→ONN的开关序列，以得到如图8所示的共模分量的叠加示意图；或都采用POO→PON→PNN→ONN→PNN→PON→POO的开关序列，以得到如图9所示的共模分量的叠加示意图。无论是图8还是图9，均可以看出光伏系统的共模分量在Vdc/3和-2Vdc/3之间进行变化。
综上所述，可以得到采用本申请的空间矢量调制方法得到的光伏系统的共模分量的电位变化量ΔU1＝∣-Vdc/6-0∣＝Vdc/6；而采用传统调制方法得到的光伏系统的共模分量的电位变化量ΔU2＝∣Vdc/3-(-2Vdc/3)∣＝Vdc。即采用本申请的调制方法得到的光伏系统的共模分量的电位变化量为采用传统调制方法得到的光伏系统的共模分量的电位变化量的六分之一；从而采用本申请的调制方法可以远远的降低光伏系统的共模分量的电位变化量，进而对光伏系统产生的漏电流具有良好的抑制效果。
再假设逆变器#1和逆变器#2输出电压的合成矢量均落入扇区A中的区域2时，按照空间矢量调制七段式原则，OON和PPO为同一矢量的冗余小矢量。则逆变器#1和逆变器#2分别采用两个冗余小矢量作为起始进行矢量序列。
如逆变器#1以OON开始，则逆变器#2以对应的矢量PPO开始。
则逆变器#1的开关作用序列为：ONN→PNN→PON→POO→PON→PNN→ONN；逆变器#1通过前述的开关作用序列，可以得到如图10所示的开关状态时序示意图。逆变器#2的开关作用序列为：POO→PON→PNN→ONN→PNN→PON→POO；逆变器#2通过前述的开关作用序列，可以得到如图11所示的开关状态时序示意图。从而，通过将图10和图11的开关状态时序图进行叠加，可以得到如图12所示的共模分量的叠加示意图。
此时，光伏系统的共模分量即为逆变器#1的共模分量和逆变器#2的共模分量的叠加。由图12可知，逆变器#1和逆变器#2的两个共模分量相错位，使得两个共模分量在叠加时可以进行部分抵消，进而保证叠加后的光伏系统的共模分量仅在Vdc/6和Vdc/3之间进行变化。
当逆变器#1和逆变器#2采用传统的方法进行矢量调制时，若逆变器#1和逆变器#2同时落入扇区A的区域2内，则两台逆变器将都采用OON→PON→POO→PPO→POO→PON→OON的开关序列，以得到如图13所示的共模分量的叠加示意图；或都采用PPO→POO→PON→OON→PON→POO→PPO的开关序列，以得到如图14所示的共模分量的叠加示意图。无论是图13还是图14，均可以看出光伏系统的共模分量在-Vdc/3和2Vdc/3之间进行变化。
综上所述，可以得到采用本申请的空间矢量调制方法得到的光伏系统的共模分量的电位变化量ΔU1＝∣Vdc/6-Vdc/3∣＝Vdc/6；而采用传统调制方法得到的光伏系统的共模分量的电位变化量ΔU2＝∣-Vdc/3-2Vdc/3∣＝Vdc。即采用本申请的调制方法得到的光伏系统的共模分量的电位变化量为采用传统调制方法得到的光伏系统的共模分量的电位变化量的六分之一；从而采用本申请的调制方法可以远远的降低光伏系统的共模分量的电位变化量，进而对光伏系统产生的漏电流具有良好的抑制效果。
以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：向光伏系统所包括的多个并联的逆变器输入同步载波；
S200：对多个所述逆变器进行载波调制；
S300：根据载波调制的结果控制各所述逆变器的开关状态，进而将各所述逆变器输出的共模分量进行错位，以使得各所述逆变器的部分共模分量进行相互抵消，从而减少光伏系统输出的共模分量的电位变化量。
2.如权利要求1所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：在步骤S200中，载波调制采用空间矢量调制，具体的调制过程包括如下步骤：
S210：对各所述逆变器依次进行编号#1、……、#n；
S220：对所述逆变器的输出电压进行空间矢量化，以得到任意所述逆变器的输出电压的空间矢量以及对应的矢量作用时间；
S230：分配逆变器#1的起始小矢量，并将对应的冗余小矢量作为下一个逆变器的起始小矢量，直至逆变器#n-1对应的冗余小矢量作为逆变器#n的起始小矢量；
S240：根据分配的起始小矢量，分别形成各所述逆变器的开关状态作用序列。
3.如权利要求2所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：步骤S220中，通过判断所述合成矢量位于空间矢量图的区域来计算得到矢量的作用时间。
4.如权利要求3所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：所述空间矢量图包括六个均布的扇区，每个扇区均划分有四个区域；所述合成矢量适于落入任意所述扇区的其中一个区域内。
5.如权利要求4所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：所述扇区的四个区域均为三角形；步骤S230采用空间矢量调制七段式原则。
6.如权利要求1-5任一项所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：在步骤S100中，发送至各所述逆变器的载波适于通过控制模块进行同步。
7.如权利要求6所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：所述控制模块包括一个控制器，所述控制器与各所述逆变器进行电连接，以使得三角载波通过所述控制器同时发送至各个所述逆变器。
8.如权利要求6所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：所述控制模块包括多个控制器，各所述控制器与对应的所述逆变器进行电连接；载波同步发生至所述控制器，随后经所述控制器发送至对应的所述逆变器。
9.如权利要求8所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：光伏系统在所述逆变器工作N个开关周期后需要进行载波矫正，具体的矫正过程包括如下步骤：
S110：选择任意一台所述逆变器为主机，其余所述逆变器为从机；
S120：每经过N个开关周期后，与主机连接的所述控制器向其余所述控制器发送一个同步信号；
S130：与从机连接的所述控制器在接收到同步信号后，比较三角载波的零点与同步信号之间的相位差值；
S140：与从机连接的所述控制器根据相位差值进行闭环调节，以使得主机和从机的载波同步。
10.如权利要求9所述的组串式光伏系统的漏电流抑制方法，其特征在于：步骤S120中，N的取值为2000。
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