CN117335682B - 逆变器、逆变器控制方法及光伏储能系统 - Google Patents

逆变器、逆变器控制方法及光伏储能系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种逆变器，包括功率变换电路、电感器、电流采样单元及控制器，功率变换电路用于接收输入电压并通过电感器输出交流电。电流采样单元连接电感器，用于采样电感器的电流。控制器连接电流采样单元，用于对电感器的电流进行延时补偿，并根据延时补偿后的电感器的电流输出控制信号，控制信号用于控制功率变换电路中的开关管，并使得功率变换电路工作于电流断续模式。本申请还提供一种逆变器的控制方法、逆变器及光伏储能系统。由此，本申请提供一种逆变器、逆变器控制方法及光伏储能系统，可以提高电感器的电流采样精度，从而减小电流谐波，降低总谐波失真。

Description

逆变器、逆变器控制方法及光伏储能系统
技术领域
本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种逆变器、逆变器控制方法及光伏储能系统。
背景技术
随着新能源技术的发展，逆变器得到了更为广泛的应用，其中，逆变器通常包括功率变换电路。当功率变换电路工作于电流断续模式时，功率变换电路连接的电感器电流频率较高，从而需要对电感器上的电流进行高精度、低延迟的采样，以提高功率变换电路的动态响应性和稳定性。
发明内容
鉴于上述问题，本申请提供一种逆变器、逆变器控制方法及光伏储能系统，可以提高电感器的电流采样精度，从而减小电流谐波，降低总谐波失真。
第一方面，本申请提供一种逆变器，逆变器包括功率变换电路、电感器、电流采样单元及控制器，功率变换电路用于接收输入电压并通过电感器输出交流电。电流采样单元连接电感器，用于采样电感器的电流。控制器连接电流采样单元，用于对电感器的电流进行延时补偿，并根据延时补偿后的电感器的电流输出控制信号，控制信号用于控制功率变换电路中的开关管，并使得功率变换电路工作于电流断续模式。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，电流采样单元包括：霍尔电流传感器。霍尔电流传感器的带宽为1-3Mhz。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，电感器、霍尔电流传感器的第一端与第二端依次串联连接，霍尔电流传感器的第三端连接控制器。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，功率变换电路包括两个开关桥臂，每个开关桥臂均包括上桥臂开关管与下桥臂开关管，每个开关桥臂的桥臂两端连接直流母线两端，两个开关桥臂中的其中一个开关桥臂的桥臂中点通过电感器连接至电网或负载。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，电流断续模式包括临界导通模式CRM、三角电流模式TCM、非连续导通模式DCM中的任一种。
第二方面，本申请提供一种逆变器的控制方法，逆变器包括功率变换电路、电感器、电流采样单元及控制器，功率变换电路用于接收输入电压并通过电感器输出交流电，控制方法包括：获取电感器的电流，电感器的电流由电流采样单元采样得到。对电感器的电流进行延时补偿，并根据延时补偿后的电感器的电流输出控制信号，控制信号用于控制功率变换电路中的开关管，并使得功率变换电路工作于电流断续模式。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，对电感器的电流进行延时补偿，包括：获取开关管的实时开关频率。根据预设的开关频率-相频角度关系及实时开关频率获得对应的相频角度。根据相频角度对电感器的电流进行延时补偿。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，根据相频角度对电感器的电流进行延时补偿，包括：根据相频角度以及实时开关频率获得相应时长。对电感器的电流的时间补偿所述相应时长。
第三方面，本申请提供一种光伏储能系统，包括电源及如第一方面任一种可能的实现方式提供的逆变器，电源连接逆变器。
结合第三方面，在一种可能的实现方式中，电源包括光伏组件和/或电池。
附图说明
图1为本申请提供的光伏储能系统的示意图。
图2为本申请提供的逆变器的示意图。
图3为本申请提供的控制器生成控制信号的调制方法示意图。
图4为本申请提供的电感器的电流示意图。
图5为本申请提供的控制器的示意图。
图6为本申请提供的处理模块中预设的开关频率-相频角度关系示意图。
图7为本申请提供的逆变器控制方法的流程图。
图8为本申请提供的逆变器的控制方法的另一个流程图。
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的描述。
可理解的，本申请中所描述的连接关系指的是直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元器件间接连接。例如可以是A与C直接连接，C与B直接连接，从而使得A与B之间通过C实现了连接。还可理解的，本申请中所描述的“A连接B”可以是A与B直接连接，也可以是A与B通过一个或多个其它电学元器件间接连接。
在本申请的描述中，除非另有说明，“/”表示“或”的意思，例如，A/B可以表示A或B。本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
在本申请的描述中，“第一”、“第二”等字样仅用于区别不同对象，并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
随着新能源技术的发展，逆变器得到了更为广泛的应用，其中，逆变器通常包括功率变换电路。当功率变换电路工作于电流断续模式时，功率变换电路连接的电感器电流频率较高，从而需要对电感电流进行高精度、低延迟的采样，以提高功率变换电路的动态响应性和稳定性。
由此，本申请提供一种逆变器、逆变器控制方法及光伏储能系统，可以提高电感器的电流采样精度，从而减小电流谐波，降低总谐波失真。
具体地，请参阅图1，图1为本申请提供的光伏储能系统10的示意图。光伏储能系统10包括电源11及逆变器12。电源11连接逆变器12。电源11用于输出电压，经逆变器12进行电压转换后输出至外部设备。
在一些实施例中，电源11可以包括电池，例如，蓄电池、电池包等，外部设备可以输出充电电压，经逆变器12进行电压转换后给电池进行充电。此时，逆变器12可以为双向逆变电路，即可以为将直流电转换为交流电的逆变电路，亦可以为将交流电转换为直流电的整流电路。外部设备可以为交流负载、其他光伏储能系统、电池设备、电网等。例如，逆变器12连接交流负载时，逆变器12可以将电池提供的电能输出给交流负载，以对交流负载提供交流电。又例如，逆变器12连接其他光伏储能系统时，逆变器12可以将电池输出的电能提供给其他光伏储能系统，或者将其他光伏储能系统储存的电能输出至电池，以实现电能在不同光伏储能系统之间的转移。再例如，逆变器12连接电网时，逆变器12可以将电网提供的电能输出至电池，以对电池进行充电，或者将电池输出的电能转换为交流电后并入电网。
在一些实施例中，电源11还可以包括光伏（photovoltaic，PV）组件，例如，光伏板等，此时，逆变器12可以为逆变电路，外部设备可以为交流负载、其他光伏储能系统、电池设备、电网等。例如，逆变器12连接交流负载时，逆变器12可以将PV组件提供的电能输出给交流负载，以对交流负载提供交流电。又例如，逆变器12连接其他光伏储能系统时，逆变器12可以将PV组件输出的电能提供给其他光伏储能系统。再例如，逆变器12连接电网时，逆变器12可以将PV组件输出的电能转换为交流电后并入电网。
在一些实施例中，电源11还可以既包括电池也包括PV组件，多个电池与多个PV组件可以并联连接。当电源11既包括电池也包括PV组件时，光伏储能系统10可以为光伏储能系统。
下面以逆变器12连接电网为例进行说明。请参阅图2，图2为本申请提供的逆变器12的示意图。逆变器12包括功率变换电路121、电感器L1、电感器L2、滤波电容C1、母线电容Cbus、控制器122以及电流采样单元1221。
功率变换电路121包括第一开关桥臂和第二开关桥臂，第一开关桥臂包括开关管S1及开关管S2，其中，开关管S1与开关管S2分别为第一开关桥臂的上桥臂开关管与下桥臂开关管，开关管S3与开关管S4分别为第二开关桥臂的上桥臂开关管与下桥臂开关管，第一开关桥臂与第二开关桥臂的两端接收电源11提供的输入电压，第一开关桥臂的桥臂中点连接电感器L1的第一端，电感器L1的第二端通过电流采样单元1221连接电感器L2的一端以及滤波电容C1，电流采样单元1221的第三端连接延时补偿单元1222。第二开关桥臂的桥臂中点连接至电网，电感器L2的另一端连接电网，滤波电容C1的另一端连接第二开关桥臂的桥臂中点以及电网。
在一些实施例中，功率变换电路121也可以包括三个或三个以上的开关桥臂，例如，功率变换电路121为三相逆变电路，电感器L1串联于其中一个开关桥臂的桥臂中点与电网或负载之间。
功率变换电路121用于对输入电压进行电压转换。当电源11包括电池时，功率变换电路121可以接收电网电压，并对电网电压进行转换后通过第一开关桥臂和第二开关桥臂的桥臂两端输出到电源11，以对电源11进行充电。也就是说，功率变换电路121可以为双向功率变换电路，既可以将电源11提供的输入电压进行转换后并入电网，也可以将电网电压进行转换后对电源11进行充电。
功率变换电路121可以工作于不同的模式。例如，功率变换电路121可以工作于电流连续模式或电流断续模式。于电流连续模式下，电感器L1的电流在一个开关周期内不会归零，于电流断续模式下，电感器L1的电流在一个开关周期内总会归零。电流连续模式包括连续导通模式（Continuous Conduction Mode，CCM），电流断续模式包括临界导通模式（Critical Conduction Mode，CRM）、三角导通模式（Triangular Conduction Mode，TCM）、非连续导通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）等。
控制器122连接功率变换电路121中所有的开关管的控制端，也即，开关管S1、开关管S2、开关管S3及开关管S4的栅极。控制器122用于输出相应的控制信号，控制信号用于控制开关管S1-S4的通断，并使得功率变换电路121工作于电流断续模式。
由于功率变换电路121工作于电流断续模式时，可以实现开关管S1-S4的零电压导通，从而减小开关管的开关损耗，因而得到广泛应用。然而，功率变换电路121工作于电流断续模式时，开关管S1-S4的开关频率较高，使得电感器L1的电流的频率也较高。
如图3所示，控制器122生成的控制信号可以为脉冲宽度调制（Pulse WidthModulation，PWM）信号，其调制方法可以为双极性调制或单极性调制，双极性调制方法需要开关管S1-S4的开关频率高，开关损耗大，但功率变换电路121的输出电流谐波也较低。单极性调制方法需要开关管S1-S4的开关频率较高，开关损耗小，但功率变换电路121的输出电流谐波较大。双极性调制或单极性调制方法中，开关管S1-S4的开关频率都在基波周期内变化，且双极性调制方法要求开关管S1-S4的开关频率更高。
如图4所示，电感器L1的电流为上升下降变化较为快速的三角波信号，而控制器122需要根据电感器L1的电流确定控制信号的占空比，从而动态调整功率变换电路121的输出电流。因此，控制器122需要获取高精度、低延迟的电感器L1的电流，来提高功率变换电路121的动态响应性和鲁棒性，并减小功率变换电路121的输出电流谐波，降低总谐波失真。
具体地，请再参阅图2，电流采样单元1221连接电感器L1，用于采样电感器L1的电流。电流采样单元1221可以包括高速霍尔电流传感器，以对电感器L1的电流进行高速采样。其中，高速霍尔电流传感器的带宽为1-3MHz，可以精确、高速地采样电感器L1的电流。
控制器122连接电流采样单元1221，用于对采样后的电感器L1的电流进行延时补偿，得到电流采样信号。由于高速霍尔电流传感器在采样电感器L1的电流时可能存在延迟，控制器122可以对高速霍尔电流传感器采样后的电感器L1的电流进行延时补偿后得到电流采样信号，以降低采样延迟，提高电流采样的实时性和精确性。
控制器122还用于根据电流采样信号输出相应的控制信号。具体地，控制器122可以包括第一PI控制器，用于接收电网电压以及参考电压，例如，母线电容Cbus的电压，根据电网电压以及参考电压的比较结果，输出电流参考信号。控制器122还可以包括第二PI控制器，用于接收电流参考信号及电流采样信号，根据电流采样信号与电流参考信号的电流值比较结果，输出控制信号，以调节开关管S1-S4的开关占空比，从而调整功率变换电路121的输出电流。
请参阅图5，图5为本申请提供的控制器122的示意图。控制器122包括获取模块1222a、处理模块1222b以及延时模块1222c。
获取模块1222a用于获取开关管S1-S4的实时开关频率。具体地，获取模块1222a可以通过获取控制信号，并检测控制信号的频率以获取开关管S1-S4的实时开关频率，或者实时检测电感器L1的电流频率，以获取开关管S1-S4的实时开关频率。
处理模块1222b用于根据预设的开关频率-相频角度关系，及获取模块1222a获取到的实时开关频率获得对应的相频角度。本申请中，高速霍尔电流传感器在采样电感器L1的电流时会出现延时，延时的相频角度与电感器L1的电流频率相关联，也就是说，相频角度与电感器L1的电流频率这两者满足电感器L1的电流频率-相频角度关系。由于电感器L1的电流的频率与开关管S1-S4的开关频率亦相关联，因此处理模块1222b可以根据预设的开关频率-相频角度关系以及开关管S1-S4的实时开关频率，获取到高速霍尔电流传感器采样后的电感器L1的电流的相频角度，也即延迟后的相位角度。
延时模块1222c用于根据相频角度对电流采样信号进行延时补偿。具体地，延时模块1222c可以将电流采样信号的相位超前相频角度，使得高速霍尔电流传感器的采样延时被抵消，从而增强电流采样信号的实时性和精确度。另一方面，延时模块1222c可以对电流采样信号的时间进行补偿对应时长，也可以使得高速霍尔电流传感器的采样延时被抵消，该对应时长可以根据相频角度计算得出，如公式（1）所示：（1）。其中，Td为对应时长，θ(f)为根据相频角度预设的开关频率-相频角度关系计算得到的相频角度，f为开关管S1-S4的实时开关频率。
请参阅图6，图6为本申请提供的处理模块1222b中预设的开关频率-相频角度关系示意图。如图6所示，当开关管S1-S4的实时开关频率越高时，相频角度负向越大，也就是说，开关管S1-S4的实时开关频率越高，高速霍尔电流传感器采样后的电流信号的延时也就越大。因此，处理模块1222b可以根据预设的开关频率-相频角度关系以及开关管S1-S4的实时开关频率，获取到高速霍尔电流传感器采样后的电感器L1的电流的相频角度，也即延迟后的相位角度，从而通过延时模块1222c根据相频角度对电流采样信号进行延时补偿。
请参阅图7，图7为本申请提供的逆变器控制方法的流程图。逆变器控制方法由上述控制器122执行，具体地，逆变器控制方法包括以下步骤：
步骤S1，获取电感器L1的电流。
其中，电感器L1的电流可以由电流采样单元1221采样得到。
步骤S2，对电感器L1的电流进行延时补偿，得到电流采样信号。
步骤S3，根据电流采样信号输出相应的控制信号，控制信号用于控制开关管S1-S4的通断，并使得功率变换电路121工作于电流断续模式。
其中，关于步骤S1至S3的具体说明可以参照上文中对控制器122的相关描述，在此不再赘述。
请参阅图8，本申请提供的逆变器控制方法中，步骤S2还包括以下步骤：
步骤S21，获取开关管S1-S4的实时开关频率。
步骤S22，根据预设的开关频率-相频角度关系及实时开关频率获得对应的相频角度。
步骤S23，根据相频角度对电感器L1的电流进行延时补偿。
其中，关于步骤S21至S23的具体说明可以参照上文中对延时补偿单元1222的相关描述，在此不再赘述。
由此，本申请提供一种逆变器、逆变器控制方法及光伏储能系统，可以提高电感器的电流采样精度，从而减小电流谐波，降低总谐波失真。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种逆变器，其特征在于，所述逆变器包括功率变换电路、电感器、电流采样单元及控制器，所述功率变换电路连接所述电感器；
所述电流采样单元连接所述电感器，用于采样所述电感器的电流；
所述控制器连接所述电流采样单元，用于对采样的所述电感器的电流进行延时补偿，并根据延时补偿后的电流输出控制信号，所述控制信号用于控制所述功率变换电路中的开关管，并使得所述功率变换电路工作于电流断续模式；
其中，所述对采样的所述电感器的电流进行延时补偿，包括：
获取所述开关管的实时开关频率；
根据预设的开关频率-相频角度关系及所述实时开关频率获得对应的相频角度；
根据所述相频角度对所述电感器的电流进行延时补偿。
2.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述电流采样单元包括：
霍尔电流传感器；所述霍尔电流传感器的带宽为1-3Mhz。
3.如权利要求2所述的逆变器，其特征在于，所述电感器、所述霍尔电流传感器的原边第一引脚与原边第二引脚依次串联连接，所述霍尔电流传感器的副边检测信号引脚连接所述控制器。
4.如权利要求1至3任一项所述的逆变器，其特征在于，所述功率变换电路包括两个开关桥臂，每个所述开关桥臂均包括上桥臂开关管与下桥臂开关管，每个所述开关桥臂的桥臂两端连接直流母线两端，所述两个开关桥臂中的其中一个开关桥臂的桥臂中点通过所述电感器连接至电网或负载。
5.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述电流断续模式包括临界导通模式CRM、三角电流模式TCM、非连续导通模式DCM中的任一种。
6.一种逆变器的控制方法，所述逆变器包括功率变换电路、电感器、电流采样单元及控制器，所述功率变换电路用于接收输入电压并通过所述电感器输出交流电，其特征在于，所述控制方法包括：
获取所述电感器的电流，所述电感器的电流由所述电流采样单元采样得到；
对所述电感器的电流进行延时补偿，并根据延时补偿后的电流输出控制信号，所述控制信号用于控制所述功率变换电路中的开关管，并使得所述功率变换电路工作于电流断续模式；
其中，所述对电感器的电流进行延时补偿，包括：
获取所述开关管的实时开关频率；
根据预设的开关频率-相频角度关系及所述实时开关频率获得对应的相频角度；
根据所述相频角度对所述电感器的电流进行延时补偿。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述相频角度对所述电感器的电流进行延时补偿，包括：
根据所述相频角度以及所述实时开关频率获得相应时长；
对所述电感器的电流的时间补偿所述相应时长。
8.一种光伏储能系统，其特征在于，包括电源及如权利要求1至5任一项所述的逆变器，所述电源连接所述逆变器。
9.如权利要求8所述的光伏储能系统，其特征在于，所述电源包括光伏组件和/或电池。
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