CN204858585U

CN204858585U - 一种基于多mosfet管逆变器的光伏并网发电装置

Info

Publication number: CN204858585U
Application number: CN201520484975.6U
Authority: CN
Inventors: 李鸣慎; 张春强; 罗安; 刘经昊; 陈智勇; 匡慧敏; 程石
Original assignee: STATE GRID JIANGXI ELECTRIC POWER Co; Hunan University; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
Current assignee: STATE GRID JIANGXI ELECTRIC POWER Co; Hunan University; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2025-07-07

Abstract

一种基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置，所述装置包括光伏阵列装置、三相逆变器、输出滤波器、隔离升压变压器、MOSFET驱动及保护模块、控制模块、电压和电流检测模块。所述三相逆变器是由3个独立的单相逆变器组成，每个单相逆变器由8个MOSFET管器件组成；且其中上下桥臂中都是由2个MOSFET管并联而成。本实用新型装置噪声污染少；开关速度快，工作频率高；具有良好的热稳定性；该装置功率可达到200kVA，输出电流可达到100kVA；所得的并网电流波形含有的低次谐波少，高次谐波为20次以上。

Description

一种基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置，属太阳能发电技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，人类对电力的需求日益增大，而能源危机和环境污染的日益加重，促进了人类对新能源发电技术的研究。光伏发电技术具有的各种优势使其成为未来发电的主导方式之一，发展前景巨大，成为近年来研究的热点。

光伏发电装置是将变化的太阳能转换相对稳定的交流电并入电网供负载使用的功率变换装置。应用在太阳能并网发电的逆变器需要实现以下功能：1.输出低失真度的正弦波形，通过过零捕获电路，与电网同步可并入电网的电能；2.在太阳能电池成本较高的情况下，合理设计系统，提高工作可靠习惯，提高效率；3.具有反孤岛运行能力，在电网发生故障时能及时保护发电装置和电网的安全。

对光伏发电硬件平台的研究是对光伏发电的研究和应用，并网型光伏型系统是光伏发电的方向，与孤立运行的太阳能光伏电站相比，具有以下优点：(1)光伏电池可以始终把其全部储能发送到电网(2)节省了蓄电池充放电过程中能量损耗(3)避免了处理废旧蓄电池带来的二次污染，实现真正的绿色能源。但是也存在不足，系统响应速度慢、系统有静差、跟踪精度低、效率低的缺陷。

目前的逆变器的采用的是IGBT结构的，但是随着功率和开关频率的升高，IGBT的价格也随直线上升，而且IGBT器件所带来的噪声也成了一大问题，故对于某种特定场合可采用多MOSFET管的逆变器，该套装置本身具有如下特点：

(1)驱动电路简单，需要的驱动功率小，噪声污染少。

(2)开关速度快，工作频率高，具有良好的热稳定性。

(3)多MOSFET管可以适用于较大电流的场合，避免单一MOSFET管电流容量小的不足，该装置功率可达到200kVA,输出电流可达到100kVA。

(4)由于MOSFET的工作频率可达到200kHz以上，所得的并网电流波形含有的低次谐波少，高次谐波为20次以上。

发明内容

本实用新型的目的是，针对现有的基于IGBT逆变器的装置存在的问题，提出一种基于多MOSFET管的逆变器装置，提高系统的开关速度和工作频率，可得到含低次谐波少的光滑的正弦波形。

本实用新型的技术方案是，一种基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置，包括光伏阵列装置、三相逆变器、输出滤波器、隔离升压变压器、MOSFET驱动及保护模块、控制模块、电压和电流检测模块。其中光伏阵列装置、三相逆变器、输出滤波器依次连接，经断路器接隔离升压变压器后并入电网；电压和电流检测模块与三相逆变器、输出滤波器并联，电压和电流检测模块与控制模块连接；控制模块与MOSFET驱动及保护模块连接；MOSFET驱动及保护模块接入三相逆变器。

所述三相逆变器是由3个独立的单相逆变器组成，每个单相逆变器由8个MOSFET管器件组成；且其中上下桥臂中都是由2个MOSFET管并联而成；该逆变器共有24个MOSFET管器件。

光伏阵列装置经过二极管D₁后，并联至模块A、B、C中，其中每个模块都有一个储能电容，后接多MOSFET管逆变器，每相中采用单相桥式可控电路，上下桥臂各有两个MOSFET管并联，这是因为MOSFET的漏电流具有负温度系数,能够起到自动均流和均温作用，每相中有8个MOSFET管，总共具有24个。通过并联可以得到较大的电流，实现大功率的电能输出。其中MOSFET的开关频率拟采用48kHz-100kHz。

本实用新型的控制方法采用对每相进行单独控制，且每相采用的是电压外环PID控制，电流内环无差拍控制。其特征在于，该方法的步骤为：

1、检测模块A、B、C电容电压，如模块A的电容电压U_dcA，检测并网电流i_a、i_b、i_c，电网电压u_a、u_b、u_c。

2、直流侧电压稳定通过PI调节器实现，工作过程如下所示：交流侧输出电流i升高，直流侧电容C放电，功率输出，则直流侧电压实时值U_dc下降，PI输入负偏差，基波有功电流指令反相，直流侧电容C充电，功率输入，则直流侧电压实时值U_dc上升，K_p、K_i和K_d分别为PI调节器的比例系数、积分系数和微分系数,通过调节K_p、K_i和K_d的取值来实现直流侧电压的稳定，对三相电网A相进行分析，令参考值U_dc ^*与测量值U_dc的差值ΔU经PI调节器输出电流环参考量PI离散调节公式为：

Δ U (k) = U_{d c}^{*} (k) - U_{d c} (k)

I_{a}^{*} (k) = I_{a}^{*} (k - 1) + (Δ U (k) - Δ U (k - 1)) * K_{p} + Δ U (k) * T_{c} / K_{i}

3、外环PI计算结果乘上电网中A相的同步信号sinwt得到减去电感电流第k次当前采样值i_a(k)，再与反馈系数K之积，其差值再乘以由逆变器本身参数所决定的量L_a/T_c，得出的值与电网电压U_S的前馈信号求和，再除以直流侧电压值(模块A中为U_dcA)的一半，得出调制波信号。调制波信号经PWM调制，驱动逆变器并联运行。其中同步角速度的获取过程为：相电压u_a经过过零检测回路测得电网的实际频率f，控制内部通过软件生成与电网同步的角速度wt，使其与电网保持同步角速度。L_a/T_c是一个比例系数，用A相中的电抗L_a除以PWM的载波周期得到。

系统运行的环路电压瞬时方程为：

\frac{1}{4} L_{a} \cdot \frac{{di}_{a}}{d t} = R_{a} \cdot i_{a} + U_{i n v} - u_{a}

U_inv是逆变器未经过电抗器L_a的A相的相电压，R_a是线路中的电阻_。

将上式离散化，取di_a＝i_a(k+1)-i_a(k)，有：

L_{a} \cdot \frac{i (k + 1) - i (k)}{4 T_{C}} = U_{i n v} (k) - u_{a} (k) = d_{A} \cdot U_{d c} (k) / 2 - u_{a} (k)

式中，d_A为开关管脉宽控制量，k为调制系数，L_s为逆变器滤波电感值，T_C为PWM载波周期，为外环PI计算结果和同步信号的乘积，i_a(k)为第k次当前采样值，因为每相电流中桥臂的导通为4个MOSFET管，于是有：

d_{A} = \frac{2}{U_{d c} (k)} \cdot (u_{a} (k) + L_{a} \cdot \frac{i_{a}^{*} (k + 1) - i_{a} (k)}{4 T_{C}})

实际应用时，考虑计算误差，对d取一系数K(0<K<1)，即：

d_{A} = \frac{2 K}{U_{d c} (k)} \cdot (u_{a} (k) + L_{a} \cdot \frac{i_{a}^{*} (k + 1) - i_{a} (k)}{4 T_{C}})

同理有B、C两相的控制量的占空比为：

\begin{matrix} d_{B} = \frac{2 K}{U_{d c} (k)} \cdot (u_{b} (k) + L_{b} \cdot \frac{i_{b}^{*} (k + 1) - i_{b} (k)}{4 T_{C}}) \\ d_{C} = \frac{2 K}{U_{d c} (k)} \cdot (u_{c} (k) + L_{c} \cdot \frac{i_{c}^{*} (k + 1) - i_{c} (k)}{4 T_{C}}) \end{matrix}\}

4、通过上述得到的占空比，可得到MOSFET的开关时间，控制器根据计算的时间来实时控制主电路开关元件MOSFET的开通与关断，从而实现控制并网电流。

电压外环采用PI控制，电流内环采用无差拍控制其参数容易设计，控制精度高，控制响应速度快。

本实用新型装置有如下特点：噪声污染少；开关速度快，工作频率高；具有良好的热稳定性；该装置功率可达到200kVA,输出电流可达到100kVA；所得的并网电流波形含有的低次谐波少，高次谐波为20次以上。

附图说明

图1为本实用新型基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置结构图；

图2为本实用新型基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置电路原理图；

图3为本实用新型基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置控制原理图；

图中，La、Lb、Lc为电抗器；C3、C4、C5为电容；K1为断路器；R1、R2、R3为限流电阻；J1为继电器；u_a、u_b、u_c为电网电压；i_a、i_b、i_c为并网电流；U_pv为光伏阵列电压；I_PV为直流侧电流；I_a ^*、I_b ^*、I_c ^*为外环PI处理后电流值；TC为PWM载波周期；d_A、d_B、d_C为占空比控制量；

图4是三相中A相并网电压电流波形。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置包括光伏阵列装置、三相逆变器、输出滤波器、隔离升压变压器、MOSFET驱动及保护模块、控制模块、电压和电流检测模块。其中光伏阵列装置、三相逆变器、输出滤波器依次连接，经断路器接隔离升压变压器后并入电网，电压和电流检测模块与三相逆变器、输出滤波器并联，电压和电流检测模块与控制模块连接，控制模块与MOSFET驱动及保护模块连接，MOSFET驱动及保护模块接入三相逆变器。

如图2所示，光伏阵列装置经过二极管D₁后，并联至模块A、B、C中，其中每个模块都有一个储能电容，后接多MOSFET管逆变器，每相中采用单相桥式可控电路，上下桥臂各有两个MOSFET管并联，这是因为MOSFET的漏电流具有负温度系数,能够起到自动均流和均温作用，每相中有8个MOSFET管，总共具有24个。通过并联可以得到较大的电流，实现大功率的电能输出。其中MOSFET的开关频率拟采用48kHz-100kHz。

如图3所示，该控制方法采用对每相进行单独控制，且每相采用的是电压外环PI控制，电流内环无差拍控制。该方法的步骤为：

2、直流侧电压稳定通过PI调节器实现，工作过程如下所示：交流侧输出电流i升高，直流侧电容C放电，功率输出，则直流侧电压实时值U_dc下降，PI输入负偏差，基波有功电流指令反相，直流侧电容C充电，功率输入，则直流侧电压实时值U_dc上升，K_p、K_i和K_d分别为PID调节器的比例系数、积分系数和微分系数,通过调节K_p、K_i和K_d的取值来实现直流侧电压的稳定，对三相电网A相进行分析，令参考值U_dc ^*与测量值U_dc的差值ΔU经PI调节器输出电流环参考量PI离散调节公式为：

Δ U (k) = U_{d c}^{*} (k) - U_{d c} (k) - - - (1)

I_{a}^{*} (k) = I_{a}^{*} (k - 1) + (Δ U (k) - Δ U (k - 1)) * K_{p} + Δ U (k) * T_{c} / K_{i} - - - (2)

3、外环PI计算结果乘上电网中A相的同步信号sinwt得到减去电感电流第k次当前采样值i_a(k)，再与反馈系数K之积，其差值再乘以由逆变器本身参数所决定的量L_a/T_c，得出的值与电网电压U_S的前馈信号求和，再除以直流侧电压值U_dc的一半，得出调制波信号。调制波信号经PWM调制，驱动逆变器并联运行。其中同步角速度的获取过程为：相电压u_a经过过零检测回路测得电网的实际频率f，控制内部通过软件生成与电网同步的角速度wt，使其与电网保持同步角速度。L_a/T_c是一个比例系数，用A相中的电抗La除以PWM的载波周期得到。

系统运行的环路电压瞬时方程为：

\frac{1}{4} L_{a} \cdot \frac{{di}_{a}}{d t} = R_{a} \cdot i_{a} + U_{i n v} - u_{a} - - - (3)

U_inv是逆变器未经过电抗器La的A相的相电压，R_a是线路中的电阻_。

将上式离散化，取di_a＝i_a(k+1)-i_a(k)，有：

L_{a} \cdot \frac{i (k + 1) - i (k)}{4 T_{C}} = U_{i n v} (k) - u_{a} (k) = d_{A} \cdot U_{d c} (k) / 2 - u_{a} (k) - - - (4)

式中，d_A为开关管脉宽控制量，k为调制系数，L_s为逆变器滤波电感值，T_C为PWM载波周期，为外环PI计算结果和同步信号的乘积，i_a(k)为第k次当前采样值，为：

d_{A} = \frac{2}{U_{d c} (k)} \cdot (u_{a} (k) + L_{a} \cdot \frac{i_{a}^{*} (k + 1) - i_{a} (k)}{4 T_{C}}) - - - (5)

实际应用时，考虑计算误差，对d取一系数K(0<K<1)，即：

d_{A} = \frac{2 K}{U_{d c} (k)} \cdot (u_{a} (k) + L_{a} \cdot \frac{i_{a}^{*} (k + 1) - i_{a} (k)}{4 T_{C}}) - - - (6)

同理有B、C两相的控制量的占空比为：

\{\begin{matrix} d_{B} = \frac{2 K}{U_{d c} (k)} \cdot (u_{b} (k) + L_{b} \cdot \frac{i_{b}^{*} (k + 1) - i_{b} (k)}{4 T_{C}}) \\ d_{C} = \frac{2 K}{U_{d c} (k)} \cdot (u_{c} (k) + L_{c} \cdot \frac{i_{c}^{*} (k + 1) - i_{c} (k)}{4 T_{C}}) \end{matrix} - - - (7)

4、通过上述得到的占空比，可得到MOSFET的开关时间，控制器根据计算的时间来实时控制主电路开关元件MOSFET的开通与关断，从而实现控制并网电流。电压外环采用PI控制，电流内环采用无差拍控制其参数容易设计，控制精度高，控制响应速度快。

图4是三相中A相并网电压电流波形，可以看出，电流内环采用无差拍控制算法0.08s以后系统达到稳定，稳定时，并网电流与电网电压几乎同相，实现了相位跟踪功能，使得系统具有较高的功率因数，且电流可达到100A以上。

Claims

1.一种基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置，其特征在于，所述装置包括光伏阵列装置、三相逆变器、输出滤波器、隔离升压变压器、MOSFET驱动及保护模块、控制模块、电压和电流检测模块；所述光伏阵列装置、三相逆变器、输出滤波器依次连接，经断路器接隔离升压变压器后并入电网；电压和电流检测模块与三相逆变器、输出滤波器并联，电压和电流检测模块与控制模块连接；控制模块与MOSFET驱动及保护模块连接；MOSFET驱动及保护模块接入三相逆变器。

2.根据权利要求1所述的一种基于多MOSFET管逆变器的光伏并网发电装置，其特征在于，所述三相逆变器是由3个独立的单相逆变器组成，每个单相逆变器由8个MOSFET管器件组成；且其中上下桥臂中都是由2个MOSFET管并联而成；所述三相逆变器共有24个MOSFET管器件。