CN202856652U - 一种光伏扬水逆变器及光伏扬水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光伏发电技术领域，并涉及一种光伏扬水逆变器及光伏扬水系统。该光伏扬水逆变器连接在水泵和光伏阵列之间且具有MPPT功能，该光伏扬水逆变器包含用于将光伏阵列的输出电压提升至直流母线电压的升压电路，以及用于对直流母线电压进行DC/AC转换并输出驱动水泵的交流电压的逆变电路。本实用新型中，逆变器的升压电路可以在进行DC/AC转换前首先使光伏阵列的直流输出提升，因此使得光伏阵列输出电压的可选范围变宽，进而降低对光伏阵列内各组件的配置要求，使含该光伏逆变器的光伏扬水系统的配置更为灵活。升压和逆变与MPPT功能的组合可实现多种光伏逆变器的控制方式，便于优化对其输出功率和电压转换性能进行有效控制。

Description

一种光伏扬水逆变器及光伏扬水系统

技术领域

本实用新型属于光伏发电技术领域，并涉及一种光伏扬水逆变器及光伏扬水系统。

背景技术

光伏扬水系统主要由光伏扬水逆变器、太阳能光伏阵列和三相交流水泵组成(图1)，其广泛运用于农林灌溉、荒漠治理、草原畜牧、生活用水、海水淡化、城市水景等光伏水利领域。光伏扬水系统基于蓄电不如蓄水的理念，采用搭建蓄水池而省却掉蓄电池，以蓄水替代蓄电的方法，既减少系统投资成本又提高了光伏扬水系统设备的可靠性，同时也避免了蓄电池更换对环境的污染，做到真正的经济、环保。

光伏扬水系统中的核心控制设备为光伏扬水逆变器，光伏扬水逆变器一方面对系统的运行实施控制和调节，将太阳能光伏阵列发出的直流电转换为交流电用以驱动水泵，另一方面需要根据日照强度的变化实时调节输出频率，实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

光伏扬水系统的三相交流水泵在实施变频调速控制时，所需要的输入电压与水泵电机的转速成正比，在额定转速时需要输入额定电压。另一方面，光伏扬水逆变器能够输出的最高交流电压又与逆变器直流母线电压Vbus成正比，其中与额定交流电压220V水泵匹配的直流母线电压最低值为320V，与额定交流电压380V水泵匹配的直流母线电压最低值为540V。而目前光伏扬水逆变器的主电路均采用单级逆变的结构(图2)，即直流母线电压Vbus等于太阳能光伏阵列的输出电压Vpv。所以目前与220V三相交流水泵匹配的的光伏扬水系统，要求太阳能光伏阵列最大功率点电压超过320V；与380V三相交流水泵匹配的光伏扬水系统，要求太阳能光伏阵列最大功率点电压超过540V。

采用单级逆变结构的光伏扬水逆变器时，三相交流水泵对光伏阵列高电压的要求会使光伏扬水系统应用于功率较小的系统时，由于需采用多块小功率光伏组件串联才能满足高电压的要求，对光伏组件的选取缺少灵活性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术中单级结构的光伏逆变器造成光伏组件的选取缺乏灵活性并影响光伏阵列的输出电压与水泵电压的匹配性的问题，提供一种使光伏阵列输出电压的可选范围变宽进而改善系统配置灵活性的光伏扬水逆变器及光伏扬水系统。

本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案得以实现：提供一种光伏扬水逆变器，连接在水泵和光伏阵列之间且具有MPPT功能，所述光伏扬水逆变器包含：

用于将所述光伏阵列的输出电压提升至直流母线电压的升压电路，以及

用于对所述直流母线电压进行DC/AC转换并输出驱动所述水泵的交流电压的逆变电路。

在上述光伏扬水逆变器中，所述光伏扬水逆变器还包含用于调控所述升压电路的导通占空比以调控所述升压电路产生的直流母线电压的第一MPPT控制器、以及用于对所述逆变电路进行PWM控制以调控所述逆变电路输出的交流电压的第一直流母线电压恒压控制器。

在上述光伏扬水逆变器中，所述第一MPPT控制器的输出端连接所述升压电路、输入端连接所述光伏阵列；所述第一直流母线电压恒压控制器的输入端连接所述升压电路、输出端连接所述逆变电路。

在上述光伏扬水逆变器中，所述光伏扬水逆变器还包含用于对所述逆变电路进行PWM控制以调控所述逆变电路输出的交流电压的第二MPPT控制器、用于计算第一直流母线电压参考值的恒定升压控制器、和用于调控所述升压电路的导通占空比以调控所述升压电路产生的直流母线电压的第二直流母线电压恒压控制器。

在上述光伏扬水逆变器中，所述第二MPPT控制器的输入端连接所述光伏阵列、输出端连接所述逆变电路和所述恒定升压控制器，所述恒定升压控制器的输入端连接所述第二MPPT控制器、输出端连接所述第二直流母线电压恒压控制器，所述第二直流母线电压恒压控制器的输入端连接所述恒定升压控制器和所述升压电路、输出端连接所述升压电路。

在上述光伏扬水逆变器中，所述光伏扬水逆变器还包含用于对所述逆变电路进行PWM控制以调控所述逆变电路输出的交流电压的第二MPPT控制器、用于设定最小直流母线电压参考值的动态升压控制器、和用于调控所述升压电路的导通占空比以调控所述升压电路产生的直流母线电压的第三直流母线电压恒压控制器。

在上述光伏扬水逆变器中，所述第二MPPT控制器的输入端连接所述光伏阵列、输出端连接所述逆变电路和所述动态升压控制器，所述动态升压控制器的输入端连接所述第二MPPT控制器、输出端连接所述第三直流母线电压恒压控制器，所述第三直流母线电压恒压控制器的输入端连接所述动态升压控制器和所述升压电路、输出端连接所述升压电路。

在上述光伏扬水逆变器中，所述升压电路包括电感、第一开关管、二极管和母线电容；所述电感的第一端连接所述光伏阵列的输出电压的正极、第二端连接所述二极管的第一端和所述第一开关管的第一端，所述二极管的第二端连接所述母线电容的第一端，所述母线电容的第二端和所述第一开关管的第二端连接所述光伏阵列的输出电压的负极；

所述逆变电路是由第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管组成的三相逆变电路。

在上述光伏扬水逆变器中，所述升压电路和逆变电路的开关管均采用IGBT开关管。

根据本实用新型的另一方面，提供一种光伏扬水系统，包含水泵和光伏阵列，所述光伏扬水系统还包含连接在所述水泵和光伏阵列间的上述光伏扬水逆变器。

实施本实用新型的光伏扬水逆变器及光伏扬水系统，可以获得以下有益效果：实际应用中，逆变器的升压电路可以在进行DC/AC转换前首先使光伏阵列的直流输出提升，因此使得光伏阵列输出电压的可选范围变宽，进而降低对光伏阵列内各组件的配置要求，使含该光伏逆变器的光伏扬水系统的配置更为灵活。另一方面，升压和逆变与MPPT功能的组合可实现多种光伏逆变器的控制方式，便于优化对其输出功率和电压转换性能进行有效控制。

附图说明

以下将结合附图和具体实施例对实用新型做进一步详细说明。附图中：

图1是典型的光伏扬水系统的示意图；

图2是现有技术中的单级式光伏扬水逆变器的结构图；

图3是根据本实用新型的两级式光伏扬水逆变器的结构图；

图4是根据本实用新型实施例1的光伏扬水逆变器的结构框图；

图5是根据本实用新型实施例2的光伏扬水逆变器的结构框图；

图6是根据本实用新型实施例3的光伏扬水逆变器的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和效果更清楚明白，以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。应该理解的是，以下实施例仅用以解释本实用新型，而不对本实用新型做任何限制。

本实用新型提供了一种光伏扬水系统，其包含依次电连接的光伏阵列1、光伏扬水逆变器2和水泵3(图1)。其中，光伏扬水逆变器2在光伏阵列1与水泵3间完成直流-交流转换，以将光伏阵列1产生的直流电压经转换后用于驱动水泵3(尤其三相交流水泵)。以下将详细讨论本申请的光伏扬水系统中所采用的光伏扬水逆变器。

本实用新型提供一种具有MPPT功能的光伏扬水逆变器(以下简称逆变器)2，如图3所示，其包含升压电路21和逆变电路22。升压电路21将光伏阵列1的输出电压提升至直流母线电压V_bus，而逆变电路22对直流母线电压V_bus进行DC/AC转换并输出驱动水泵3的交流电压。

具体地，升压电路包括电感L、第一开关管S1、二极管D1和母线电容C；电感L的第一端连接光伏阵列1的输出电压的正极、第二端连接二极管D1的第一端和第一开关管S1的第一端，二极管D1的第二端连接母线电容C的第一端，母线电容C的第二端和第一开关管S1的第二端连接光伏阵列1的输出电压的负极，第一开关管S1的第三端(即驱动端)则接收对升压电路的导通占空比进行控制的电平信号。逆变电路22是由第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6和第七开关管S7组成的三相逆变电路。

这种两级式结构的逆变器可极大地降低对光伏阵列1中组件的配置要求，解决了光伏阵列1输出电压与水泵3电机电压的自由匹配问题，进而提高整个光伏扬水系统的灵活性。在实际应用中，这种两级式逆变器可以使光伏阵列1输出电压的可选范围变宽。例如，与220V水泵匹配的的光伏扬水系统，允许光伏阵列1最大功率点电压为100～350V；与380V水泵匹配的的光伏扬水系统，允许光伏阵列1最大功率点电压为200～600V；显而易见，系统的设计与配置具有更大的灵活性。

由于本实用新型的逆变器2有升压和逆变两个能量转换环节，需要完成升压、逆变与MPPT三个控制功能。升压控制和逆变控制分别由升压电路21和逆变电路22完成，而MPPT功能则可以选择在不同的环节中执行，因此可以组合形成多种控制方式。

实施例1：

参见图4，在本实用新型的实施例1中，该具有MPPT功能的逆变器2不仅包含升压电路21和逆变电路22，还包含第二MPPT控制器25、恒定升压控制器26和第二直流母线电压恒压控制器27。如上所述，升压电路21和逆变电路22分别在逆变器2中实现升压控制和逆变控制，而其余三个组件则进一步对升压环节和逆变环节进行匹配性调控。

第二MPPT控制器25的输入端连接光伏阵列1、输出端连接逆变电路22和恒定升压控制器26，用于对逆变电路22输出的交流电压进行调控，进而直接调控逆变电路22的输出功率(根据能量平衡关系，逆变电路的输出功率与水泵的输入功率P₂相等；因此，第二MPPT控制器相当于对水泵的输入功率P₂进行直接调控)。换言之，实施例1中首先将MPPT控制设置在逆变环节。第二MPPT控制器25采集光伏阵列1的输出电压V_PV和输出电流I_PV，根据MPPT算法对逆变电路22进行PWM控制，也即根据MPPT算法直接调节逆变电路22的输出频率f。例如，可采用传统的扰动观察法根据逆变电路的输出功率的变化决定下一个周期输出频率f的调节方向。

f(n₁)=f(n₁-1)+Δf(n₁)                   (1)

$\mathrm{\&Delta;f}\left(n_1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;f}(n_1-1)& P\left(n_1\right)\&GreaterEqual;P(n_1-1)\\ -\mathrm{\&Delta;f}(n_1-1)& P\left(n_1\right)<P(n_1-1)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(1)和(2)中，Δf表示输出频率调节步长，n₁表示所处的MPPT控制周期。

恒定升压控制器26的输入端连接第二MPPT控制器25、输出端连接第二直流母线电压恒压控制器27，其采集受第二MPPT控制器25调控的输出频率f，并根据电机的VVVF(variable-voltage variable-frequency，可变电压可变频率)控制原理计算逆变电路22输出的交流电压(即控制功率P₂，完成逆变控制)和第一直流母线电压参考值V_ref2。此时得到的第一直流母线电压参考值V_ref2为一恒定值。例如，与220V水泵匹配的第一直流母线电压参考值V_ref2为320V，与380V水泵匹配的则为540V。

第二直流母线电压恒压控制器27的输入端连接恒定升压控制器26和升压电路21、输出端连接升压电路21，其同时检测升压电路21输出的直流母线电压V_bus和恒定升压控制器26计算得到的第一直流母线电压参考值V_ref2，并根据两者的相对大小调节升压电路21的导通占空比D。通过对导通占空比D的调控可使光伏阵列1的输出功率P₁达到所能输出的最大功率P_max，因此也实现了对升压电路21产生的直流母线电压V_bus的调控，提高系统中直流母线电压的稳定性。

在实施例1的逆变器中，升压环节进行内环稳压控制，为电能-电能转换，响应速度快；逆变环节进行外环功率控制(MPPT)，为电能-机械能转换，响应速度慢。这种内环快周期控制、外环慢周期控制的双闭环控制，使P₁跟随P₂变化，保证了系统运行的稳定性。升压环节实施相应的升压与稳压控制，从而使P₁跟随P₂变化。

实施例2：

参见图5a和5b，在本实用新型的实施例2中，该具有MPPT功能的逆变器2不仅包含升压电路21和逆变电路22，还包含第二MPPT控制器25、动态升压控制器28和第三直流母线电压恒压控制器29。如上所述，升压电路21和逆变电路22分别在逆变器2中实现升压控制和逆变控制，而其余三个组件则进一步对升压环节和逆变环节进行匹配性调控。实施例1和2中的逆变器的结构基本相同，且升压电路21和逆变电路22采用同样的电路结构。具体地，第二MPPT控制器25的输入端连接光伏阵列1、输出端连接逆变电路22和动态升压控制器28，动态升压控制器28的输入端连接第二MPPT控制器25、输出端连接第三直流母线电压恒压控制器29，第三直流母线电压恒压控制器29的输入端连接动态升压控制器28和升压电路21、输出端连接升压电路21。

动态升压控制器28采集受第二MPPT控制器25调控的输出频率f，并根据电机的VVVF控制原理计算逆变电路22输出的交流电压(即控制功率P₂，完成逆变控制)，并进一步动态计算出产生该交流电压所需的最小直流母线电压，以此作为恒压控制中的最小直流母线电压参考值V_ref3。此时得到的最小直流母线电压参考值V_ref3为一适配的最小值。

升压控制环节同时检测V_pv和V_bus，当V_pv≥V_ref时，升压电路的开关管S1保持关断状态，升压电路停止工作，V_bus≈V_pv；当V_pv<V_ref时，开关管S1做PWM调制，升压电路对直流母线电压实施以V_ref3为目标的升压与稳压控制，导通占空比的计算式为

D(n₂)=D(n₂-1)+k_D[V_bus(n₂)-V_ref]              (3)

式中，k_D表示占空比调节系数，n₂表示所处的电压控制周期。

在实施例1和2的逆变器中，外环MPPT控制可根据光伏阵列1的输出功率P₁调控逆变电路的输出频率f，进而调节水泵的输入功率P₂；换言之，在上述两个实施例中，功率P₁和P₂有直接关联。同时，升压控制环节仅用于实现直流母线电压的控制，提高了直流母线电压的稳定性。实施例1和2为本实用新型的优选实施例。

实施例3：

具体如图6所示，该具有MPPT功能的逆变器2不仅包含升压电路21和逆变电路22，还包含第一MPPT控制器23和第一直流母线电压恒压控制器24。如上所述，升压电路21和逆变电路22分别在逆变器2中实现升压控制和逆变控制，而其余两个组件则进一步对升压环节和逆变环节进行匹配性调控。其中，第一MPPT控制器23的输出端连接升压电路21、输入端连接光伏阵列1；第一直流母线电压恒压控制器24的输入端连接升压电路21、输出端连接逆变电路22。

第一MPPT控制器23用于对升压电路21的导通占空比D进行调控，进而调控光伏阵列1的输出功率P₁(因此调控升压电路21产生的直流母线电压V_bus)。换言之，实施例3中首先将MPPT控制设置在升压环节。第一MPPT控制器23采集光伏阵列1的输出电压V_PV和输出电流I_PV，根据MPPT算法对升压电路21进行导通占空比D的控制。例如，采用扰动观察法(传统MPPT算法中的一种)，根据光伏阵列输出功率P₁的变化方向决定下一个MPPT控制周期中导通占空比D的调节方向，从而使P₁达到光伏阵列所能输出的最大功率P_max。

D(n₁)=D(n₁-1)+ΔD(n₁)              (4)

$\mathrm{\&Delta;D}\left(n_1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;D}(n_1-1)& P_1\left(n_1\right)\&GreaterEqual;P_1(n_1-1)\\ -\mathrm{\&Delta;D}(n_1-1)& P_1\left(n_1\right)<P_1(n_1-1)\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，ΔD表示占空比调节步长，n₁表示所处的MPPT控制周期。

第一直流母线电压恒压控制器24与升压电路21和逆变电路22连接，其检测升压电路21输出的直流母线电压V_bus，并根据设定的预设的直流母线电压恒定值V_ref1与直流母线电压V_bus的相对大小调节逆变电路22的输出频率f，从而使直流母线电压V_bus稳定到设定的目标值V_ref1。

在第一直流母线电压恒压控制器24实施的恒压控制中，根据能量平衡关系，逆变器2的输入功率与光伏阵列1的输出功率P₁相等，逆变器2的输出功率与水泵3的输入功率P₂相等。P₁与P₂的大小关系决定了直流母线电压的变化趋势。当光伏阵列1的输出功率P₁>水泵3的输入功率P₂时，母线电容C充电，直流母线电压升高；反之，母线电容C放电，直流母线电压降低；当光伏阵列1的输出功率P₁=水泵3的输入功率P₂时，功率平衡，直流母线电压保持不变。由于水泵的输入功率P₂与其转速的三次方基本成正比，所以逆变控制环节首先根据检测到的直流母线电压V_bus与其设定的恒定值V_ref1的相对大小调节逆变电路22的输出频率f，从而使直流母线电压V_bus稳定到设定的目标值V_ref1。

f(n₂)=f(n₂-1)+k_f[V_bus(n₂)-V_ref]                (6)

式中，k_f表示频率调节系数，n₂表示所处的输出频率控制周期。输出频率f确定后，逆变环节再根据电机的VVVF控制原理，输出所定频率和大小的交流电压。

实施例3中，由于升压控制环节调节光伏阵列的输出功率P₁，为电能-电能转换，响应速度快；而逆变控制环节调节水泵的输入功率P₂，为电能-机械能转换，响应速度慢。两个环节均对直流母线电压产生影响，并试图通过响应速度慢的逆变环节维持直流母线电压的稳定，必然导致直流母线电压出现一定程度的波动，因此在系统稳定性的控制方面不及实施例1和2。另外，与实施例1和2不同的是，该实施例中光伏阵列的输出功率P₁和水泵的输入功率P₂无直接关联。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，其目的并不在于将本实用新型限制或约束于上述实现方式。凡在本实用新型的范围内对本实用新型所做出的任何修改和替换均应包含在本实用新型权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1. 一种光伏扬水逆变器（2），连接在水泵（3）和光伏阵列（1）之间且具有MPPT功能，其特征在于，所述光伏扬水逆变器（1）包含：

用于将所述光伏阵列（1）的输出电压提升至直流母线电压（V_bus）的升压电路（21），以及

用于对所述直流母线电压（V_bus）进行DC/AC转换并输出驱动所述水泵（3）的交流电压的逆变电路（22）。

2. 根据权利要求1所述的光伏扬水逆变器（2），其特征在于，所述光伏扬水逆变器（2）还包含用于调控所述升压电路（21）的导通占空比（D）以调控所述升压电路（21）产生的直流母线电压（V_bus）的第一MPPT控制器（23）、以及用于对所述逆变电路（22）进行PWM控制以调控所述逆变电路（22）输出的交流电压的第一直流母线电压恒压控制器（24）。

3. 根据权利要求2所述的光伏扬水逆变器（2），其特征在于，所述第一MPPT控制器（23）的输出端连接所述升压电路（21）、输入端连接所述光伏阵列（1）；所述第一直流母线电压恒压控制器（24）的输入端连接所述升压电路（21）、输出端连接所述逆变电路（22）。

4. 根据权利要求1所述的光伏扬水逆变器（2），其特征在于，所述光伏扬水逆变器（2）还包含用于对所述逆变电路（22）进行PWM控制以调控所述逆变电路（22）输出的交流电压的第二MPPT控制器（25）、用于计算第一直流母线电压参考值（V_ref2）的恒定升压控制器（26）、和用于调控所述升压电路（21）的导通占空比（D）以调控所述升压电路（21）产生的直流母线电压（V_bus）的第二直流母线电压恒压控制器（27）。

5. 根据权利要求4所述的光伏扬水逆变器（2），其特征在于，所述第二MPPT控制器（25）的输入端连接所述光伏阵列（1）、输出端连接所述逆变电路（22）和所述恒定升压控制器（26），所述恒定升压控制器（26）的输入端连接所述第二MPPT控制器（25）、输出端连接所述第二直流母线电压恒压控制器（27），所述第二直流母线电压恒压控制器（27）的输入端连接所述恒定升压控制器（26）和所述升压电路（21）、输出端连接所述升压电路（21）。

6. 根据权利要求1所述的光伏扬水逆变器（2），其特征在于，所述光伏扬水逆变器（2）还包含用于对所述逆变电路（22）进行PWM控制以调控所述逆变电路（22）输出的交流电压的第二MPPT控制器（25）、用于设定最小直流母线电压参考值（V_ref3）的动态升压控制器（28）、和用于调控所述升压电路（21）的导通占空比（D）以调控所述升压电路（21）产生的直流母线电压（V_bus）的第三直流母线电压恒压控制器（29）。

7. 根据权利要求6所述的光伏扬水逆变器（2），其特征在于，所述第二MPPT控制器（25）的输入端连接所述光伏阵列（1）、输出端连接所述逆变电路（22）和所述动态升压控制器（28），所述动态升压控制器（28）的输入端连接所述第二MPPT控制器（25）、输出端连接所述第三直流母线电压恒压控制器（29），所述第三直流母线电压恒压控制器（29）的输入端连接所述动态升压控制器（28）和所述升压电路（21）、输出端连接所述升压电路（21）。

8. 根据权利要求1所述的光伏扬水逆变器（2），其特征在于，所述升压电路包括电感（L）、第一开关管（S1）、二极管（D1）和母线电容（C）；所述电感（L）的第一端连接所述光伏阵列（1）的输出电压的正极、第二端连接所述二极管（D1）的第一端和所述第一开关管（S1）的第一端，所述二极管（D1）的第二端连接所述母线电容（C）的第一端，所述母线电容（C）的第二端和所述第一开关管（S1）的第二端连接所述光伏阵列（1）的输出电压的负极；

所述逆变电路（22）是由第二开关管（S2）、第三开关管（S3）、第四开关管（S4）、第五开关管（S5）、第六开关管（S6）和第七开关管（S7）组成的三相逆变电路。

9. 根据权利要求8中所述的光伏扬水逆变器（2），其特征在于，所述升压电路（21）和逆变电路（22）的开关管均采用IGBT开关管。

10. 一种光伏扬水系统（100），包含水泵（3）和光伏阵列（3），其特征在于，所述光伏扬水系统（100）还包含连接在所述水泵（3）和光伏阵列（1）间的、权利要求1-9中任一权利要求的光伏扬水逆变器（2）。

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