CN214674940U - 模块化逆变系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种模块化逆变系统，包括：多个并联连接的逆变模块和与多个所述逆变模块通信的总控模块，其中，所述逆变模块包括：功率单元和主控单元，其中，所述功率单元用于控制直流侧至交流侧的功率变换，所述主控单元用于采集所述逆变模块的运行状态信号，并基于所述运行状态信号控制所述逆变模块的运行状态；所述总控模块分别与多个所述逆变模块中的所述主控单元通信，接收所述主控单元发送的所述运行状态信号，并向所述主控单元发送用于对多个所述逆变模块的运行状态进行协同控制的控制指令。以减少直流发电系统并网时由于逆变系统故障带来的发电损失。

Description

模块化逆变系统

技术领域

本申请涉及发电并网技术领域，尤其涉及一种模块化逆变系统。

背景技术

逆变器是一种将直流电转换成交流电的电源转换装置，是光伏等直流发电系统中重要的电源转换设备。

随着电力电子技术的发展，光伏并网逆变器技术发展已较为成熟，其中，现有市面上的组串式光伏逆变器大都采用多路MPPT(DC/DC升压电路)加一级DC/AC逆变电路组成的电路架构，对于不同功率等级的组串式光伏逆变器，为了适应当前的功率等级，会配置不同路数的MPPT升压电路，同时后级DC/AC逆变器需要针对不同的功率等级进行设计，同时，逆变侧的功率回路需要选择相应功率等级的元器件来匹配。由于实际情况中的直流发电系统的功率等级繁多，因此，需要针对每一等级配置对应逆变器，在某一器件发生故障时，需要停机更换或维修，致使容错能力差，且对发电耗损较大。

因此，如何减少直流发电系统并网时由于逆变系统故障带来的发电损失成为亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本申请提供了一种模块化逆变系统，以至少解决相关技术中存在如何减少直流发电系统并网时由于逆变系统故障带来的发电损失的技术问题。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种模块化逆变系统，包括：多个并联连接的逆变模块和与多个所述逆变模块通信的总控模块，其中，所述逆变模块包括：功率单元和主控单元，其中，所述功率单元设置在直流侧和交流侧之间，用于控制所述直流侧至所述交流侧的功率变换，所述主控单元分别与所述功率单元和所述总控模块通信连接，用于基于采集到的所述功率单元的运行状态信号控制所述逆变模块的运行状态，并将所述运行状态信号发送至所述总控模块；所述总控模块分别与多个所述逆变模块中的所述主控单元通信连接，用于向所述主控单元发送用于对多个所述逆变模块的运行状态进行协同控制的控制指令。

可选地，所述功率单元包括：变压单元，包括一个或多个变压电路，每个所述变压电路的输入端与至少一个独立直流电源连接，其中，所述变压单元中有多个所述变压电路时，多个所述变压电路的输出端并联；逆变单元，包括一个逆变电路，所述逆变电路的输入端与所述变压单元的输出端连接，所述逆变电路的输出端连接至电网。

可选地，所述运行状态信号包括所述逆变模块的输入功率；所述主控单元用于基于所述输入功率和最大功率限制值控制所述功率单元进行最大功率追踪，所述最大功率限制值为所述总控模块基于多个所述逆变模块的所述运行状态信号确定。

可选地，所述主控单元与所述总控模块通信，用于基于故障特征数据和所述故障保护参数阈值输出保护指令，其中，所述保护指令用于对所述逆变模块的故障进行处理，所述故障保护参数阈值为所述总控模块基于多个所述逆变模块的所述运行状态信号确定的，所述故障特征数据为所述主控单元还用于基于所述运行状态信号确定的。

可选地，所述主控单元连接至电网和直流母线，接收直流母线电能参数和电网电能参数，并基于所述直母线电能参数和所述电网电能参数对所述逆变模块的逆变侧并网状态进行控制，其中，所述直流母线基于多个所述逆变模块的所述功率单元中的变压单元的输出并联形成。

可选地，所述主控单元用于基于有功电能参数和无功电能参数控制所述功率单元运行，其中，所述有功电能参数为所述主控单元基于所述电网电能参数确定，所述无功电能参数为所述主控单元基于无功控制指令确定，其中，所述无功控制指令为所述总控模块向所述主控单元发送的所述总控模块基于多个所述逆变模块的所述运行状态信号确定的或基于电网的Q-U特征曲线确定的指令。

可选地，所述主控单元与所述总控模块通信，用于基于孤岛扰动频率值进行孤岛扰动控制，其中，所述孤岛扰动频率值为所述总控模块基于电网的电压频率确定。

可选地，所述逆变模块还包括第一辅助电源，分别与所述功率单元和所述主控单元连接，通过所述功率单元取电，用于为所述主控单元供电。

可选地，模块化逆变系统还包括：第二辅助电源，分别与所述逆变模块和所述总控模块连接，通过所述逆变模块中的所述第一辅助电源取电和/或通过所述功率单元的交流侧取电，用于为所述总控模块供电。

可选地，模块化逆变系统还包括：共模滤波单元，连接在所述功率单元的交流侧和电网之间；防雷单元，连接在所述功率单元的交流侧和电网之间。

在本申请实施例中，将逆变模块进行模块化，并通过总控模块与所有逆变模块通信，接收所有逆变模块的运行状态信号，并基于所有的运行状态信号对逆变模块进行协同控制，逆变模块中的功率单元实现直流侧至逆变侧的功率变换，主控单元与功率单元一一对应，采集功率单元的运行状态，控制对应的功率单元的运行状态，将逆变模块的数据采集以及运行控制功能分布到了多个主控单元上，这样减少了主逆变器控制器的硬件资源以及软件资源的要求，同时电路单元模块化设计，使得不同功率的产品线共用逆变模块，方便物料管控，利于批量生产，降低制造成本。容错能力强，在一个逆变模块发生故障时，只需切断单个模块，系统中的其它模块仍能正常工作，系统可用度高。系统出现故障时仍然能够保证一定的发电功率，在和传统逆变器相同的故障率条件下能够实现更高的发电量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的一种可选的模块化逆变系统框架示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种可选的模块化逆变系统示意图；

图3是根据本申请实施例的一种可选的模块化逆变系统中功率单元的示意图；

图4是根据本申请实施例的逆变侧并网控制框图；

图5是根据本申请实施例的另一种可选的模块化逆变系统示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“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。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种模块化逆变系统，如图1所示，该系统可以包括：多个并联连接的逆变模块10和与多个所述逆变模块10通信的总控模块20，其中，所述逆变模块10包括：功率单元11和主控单元12，其中，所述功率单元11用于控制直流侧至交流侧的功率变换，所述主控单元12用于采集所述逆变模块10的运行状态信号，并基于所述运行状态信号控制所述逆变模块10的运行状态；所述总控模块20分别与多个所述逆变模块10中的所述主控单元12通信，接收所述主控单元12发送的所述运行状态信号，并向所述主控单元12发送用于对多个所述逆变模块10的运行状态进行协同控制的控制指令。

在本申请实施例中，将逆变模块10进行模块化，并通过总控模块20与所有逆变模块10通信，接收所有逆变模块10的运行状态信号，并基于所有的运行状态信号对逆变模块10进行协同控制，逆变模块10中的功率单元11实现直流侧至逆变侧的功率变换，主控单元12与功率单元11一一对应，采集功率单元11的运行状态，控制对应的功率单元11的运行状态，将逆变模块10的数据采集以及运行控制功能分布到了多个主控单元12上，这样减少了主逆变器控制器的硬件资源以及软件资源的要求，同时电路单元模块化设计，使得不同功率的产品线共用逆变模块10，方便物料管控，利于批量生产，降低制造成本。容错能力强，在一个逆变模块10发生故障时，只需切断单个模块，系统中的其它模块仍能正常工作，系统可用度高。系统出现故障时仍然能够保证一定的发电功率，在和传统逆变器相同的故障率条件下能够实现更高的发电量。

作为示例性的实例，如图2所示，模块化光伏逆变系统的多个逆变模块10在直流输入侧相互独立，在交流侧进行并联。每个逆变模块10都能独立地实现输入直流到输出交流的功率变换功能。其中，功率单元11可以包括：变压单元，包括一个或多个变压电路111，每个所述变压电路111的输入端与至少一个独立直流电源连接，当所述变压单元中有多个所述变压电路111时，多个所述变压电路111的输出端并联；逆变单元，包括一个逆变电路112，所述逆变电路112的输入端与所述变压单元的输出端连接，所述逆变电路112的输出端连接至电网所述逆变电路112的输出端用于连接至电网。示例性的，如图3所示，变压单元可以为升压变压电路也可以为降压变压电路，例如，DC/DC电路，可以包括一个DC/DC电路，也可以包括多个DC/DC电路；其中，每一DC/DC电路的输入端可以与一个或多个光伏串组或储蓄电池连接，当存在多个DC/DC电路时，多个DC/DC电路的输出端并联作为逆变单元的输入端。

作为示例性的实施例，主控单元12采集的运行状态信号可以包括：每个逆变模块10中的输入光伏阵列的电压、电流，DC/DC的电流，每个逆变模块10的输出电压、电流，直流母线电压、逆变模块10的散热器温度、电网电压/频率等信号，并计算相应的电压平均值、有效值、电流平均值、有效值以及功率等数据，用于运行控制功能和保护功能。同时将这些运行状态通过通信模块上传到总控模块20中。示例性的，各个主控单元12与总控模块20之间的通信可以采用通信模块进行，示例性的，通信线可以采用RS485、RS232或CAN总线，所有主控单元12和总控模块20中的通信模块可以同时与通信总线连接。也可以采用SCI、SPI等通信线，主控单元12和总控模块20中的通信模块由对应的SCI、SPI等通信线各自连接。

作为示例性的实例，主控单元12用于基于所述输入功率和最大功率限制值控制所述功率单元11进行最大功率追踪，所述最大功率限制值为所述总控模块20基于多个所述逆变模块10的所述运行状态信号确定。具体的，主控单元12用于分别对对应的DC/DC电路的最大功率追踪。每一路DC/DC的最大功率跟踪可以采集输入电压和输入电流的信息计算得到输入功率值P，在每次进行最大功率追踪前，会更新该逆变模块10的最大功率限制值P_max，该值可以由主控单元12通过系统运行情况以及并网功率限制指令得到，如果输入功率值P大于P_max，则需要将输入电压往高的方向调节，若输入功率小于P_max，则进行正常的MPPT扰动跟踪，得到输入参考电压，得到输入电压参考指令后再进行输入电压的闭环控制。

作为示例性的实施例，主控单元12还用于对对应的逆变模块10进行保护，具体的，主控单元12还用于基于所述运行状态信号确定故障特征数据，并基于所述故障特征数据和故障保护参数阈值输出保护指令，所述保护指令用于对所述逆变模块10的故障进行处理，所述故障保护参数阈值为所述总控模块20基于多个所述逆变模块10的所述运行状态信号确定。示例性的，主控单元12用于对逆变模块10进行绝缘阻抗低保护、直流拉弧保护、漏电流保护、PV输入防反接保护、输入输出电流过流保护、交流侧过欠压/过欠频保护，交直流侧电压过压保护等。具体的，主控单元12对逆变模块10进行保护的方法可以为：

S1.获取保护信号的物理量，并对上述物理量进行数据处理，得到故障特征数据，如电流、电压、功率等物理量的最大值，最小值等。

S2.更新故障保护参数的阈值，得到设定阈值，该阈值由总控模块通过通信发送到主控单元，进行定时更新或触发式更新。故障保护参数的阈值与当前运行的逆变模块个数相关，因此需要通过总控模块综合逆变系统内的各个逆变模块运行情况进行设定和更新。

S3.判断故障特征数据是否超过对应的设定阈值，如果未超过则返回步骤S1，若超过则进入步骤S4。

S4.判断故障特征数据是否超过设定阈值持续时间超过阈值，如果未超过则返回步骤S1，若超过则进入步骤S5。

S5.进行当前逆变模块的故障处理，并将故障类型上传至总控模块。

作为示例性的实施例，主控单元12还用于对逆变侧的并网状态进行控制，具体的，主控单元12还用于接收直流母线电能参数和电网电能参数，并基于所述直母线电能参数和电网电能参数对所述逆变模块10的逆变侧并网状态进行控制，其中，所述直流母线基于多个所述逆变模块10的所述功率单元11中的变压单元的输出并联形成。具体的，主控单元12用于接收所述直流母线电能参数，并基于所述电网电能参数确定有功电能参数；所述主控单元12还用于接收无功控制指令，并基于所述无功控制指令确定无功电能参数，所述无功控制指令通过总控模块20基于多个所述逆变模块10的所述运行状态信号确定，或通过电网的Q-U特征曲线确定；所述主控单元12基于所述有功电能参数和所述无功电能参数控制所述功率单元11运行。

示例性的，逆变侧并网控制功能主要实现母线电压的控制、逆变器启停机控制、输出有功无功功率控制以及孤岛扰动控制等。如图4所示，直流母线电压控制环路的输出I_dref作为有功电流控制环路的输入参考值，无功电流控制环路的输入参考值I_qref由无功电流控制指令计算单元生成，该无功指令可以来自总控模块20，也可以由Q-U特征曲线得到，或者在纯有功控制模式下，该指令为零。有功电流控制环路和无功电流控制环路的输出送入PWM生成单元产生PWM驱动，该PWM驱动由启停机指令控制是否输出给功率单元11，上述启停机指令可以来自总控模块20基于系统内各个逆变模块10的运行状态确定的启停机指令。孤岛扰动频率变化量指令Δf由总控模块20通过通信发给每个主控单元12进行更新，送入每个主控单元12中的锁相环控制单元中，得到系统的相位值θ。

作为示例性的实施例，总控模块20用于完成对各个逆变模块10运行信号的收集、显示以及对外通信，其中的显示设备可以是LED灯、LCD屏等。除此以外，在限功率运行等模式下，总控模块20通过通信模块获得的运行状态信号监控整个系统的输出功率，根据功率分配策略给每个单元模块发送对应的有功、无功指令。总控模块20通过通信模块获得三相输出电压的频率，计算得到孤岛扰动频率值，再通过通信模块发送给各个逆变模块10进行孤岛扰动的控制。总控模块20还可以通过人机接口模块通过以太网，蓝牙，RS485、WiFi、蜂窝网络、电力线载波等方式与外界设备或云服务器通信以进行运行状态的监控数据和控制指令的传输。

作为示例性的实施例，如图2所示，逆变模块10还包括第一辅助电源13，通过所述功率单元11取电，用于为所述主控单元12供电。该逆变系统还包括：第二辅助电源30，通过所述第一辅助电源13供电和/或通过所述功率单元11的交流侧取电，用于为所述总控模块20供电。作为示例性的实施例，每个逆变模块10中的第一辅助电源13从功率单元11处取电，可以从上述直流母线或者从后级DC/AC电路的交流侧取电，或者从两者共同取电。第一辅助电源13的其中一组输出给主控单元12提供电源。另外一组输出通过二极管并联在一起形成第二辅助电源30的供电线。

作为示例性的实施例，如图2所示，模块化逆变系统还可以包括：共模滤波单元40，连接在所述功率单元11交流侧和电网之间；防雷单元50，连接在所述功率单元11交流侧和电网之间。示例性的，逆变模块10的三相交流输出在模块外部并联在一起，再与一组共用的共模滤波单元串联之后连接到外部电网，在共模滤波单元和电网之间的并网点与大地之间安装防雷单元。如图5所示，作为另一种架构的实施例，可以将共模滤波单元40和防雷单元50放置在每个逆变模块10的功率单元11内，放置位置在每个模块单元DC/AC输出和电网之间，而逆变模块10外不再设置共模滤波单元40和防雷单元50，可以更为有利于系统的模块化。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种模块化逆变系统，其特征在于，包括：多个并联连接的逆变模块和与多个所述逆变模块通信的总控模块，其中，

所述逆变模块包括：功率单元和主控单元，其中，所述功率单元设置在直流侧和交流侧之间，用于控制所述直流侧至所述交流侧的功率变换，所述主控单元分别与所述功率单元和所述总控模块通信连接，用于基于采集到的所述功率单元的运行状态信号控制所述逆变模块的运行状态，并将所述运行状态信号发送至所述总控模块；

所述总控模块分别与多个所述逆变模块中的所述主控单元通信连接，用于向所述主控单元发送用于对多个所述逆变模块的运行状态进行协同控制的控制指令。

2.如权利要求1所述的模块化逆变系统，其特征在于，所述功率单元包括：

变压单元，包括一个或多个变压电路，每个所述变压电路的输入端与至少一个独立直流电源连接，其中，所述变压单元中有多个所述变压电路时，多个所述变压电路的输出端并联；

逆变单元，包括一个逆变电路，所述逆变电路的输入端与所述变压单元的输出端连接，所述逆变电路的输出端连接至电网。

3.如权利要求1所述的模块化逆变系统，其特征在于，所述运行状态信号包括所述逆变模块的输入功率；

所述主控单元用于基于所述输入功率和最大功率限制值控制所述功率单元进行最大功率追踪，所述最大功率限制值为所述总控模块基于多个所述逆变模块的所述运行状态信号确定。

4.如权利要求1所述的模块化逆变系统，其特征在于，

所述主控单元与所述总控模块通信，用于基于故障特征数据和故障保护参数阈值输出保护指令，其中，所述保护指令用于对所述逆变模块的故障进行处理，所述故障保护参数阈值为所述总控模块基于多个所述逆变模块的所述运行状态信号确定的，所述故障特征数据为所述主控单元还用于基于所述运行状态信号确定的。

5.如权利要求1所述的模块化逆变系统，其特征在于，所述主控单元连接至电网和直流母线，接收直流母线电能参数和电网电能参数，并基于所述直流母线电能参数和所述电网电能参数对所述逆变模块的逆变侧并网状态进行控制，其中，所述直流母线基于多个所述逆变模块的所述功率单元中的变压单元的输出并联形成。

6.如权利要求5所述的模块化逆变系统，其特征在于，

所述主控单元用于基于有功电能参数和无功电能参数控制所述功率单元运行，其中，所述有功电能参数为所述主控单元基于所述电网电能参数确定，所述无功电能参数为所述主控单元基于无功控制指令确定，其中，所述无功控制指令为所述总控模块向所述主控单元发送的所述总控模块基于多个所述逆变模块的所述运行状态信号确定的或基于电网的Q-U特征曲线确定的指令。

7.如权利要求5所述的模块化逆变系统，其特征在于，所述主控单元与所述总控模块通信，用于基于孤岛扰动频率值进行孤岛扰动控制，其中，所述孤岛扰动频率值为所述总控模块基于电网的电压频率确定。

8.如权利要求1所述的模块化逆变系统，其特征在于，

所述逆变模块还包括第一辅助电源，分别与所述功率单元和所述主控单元连接，通过所述功率单元取电，用于为所述主控单元供电。

9.如权利要求8所述的模块化逆变系统，其特征在于，还包括：

第二辅助电源，分别与所述逆变模块和所述总控模块连接，通过所述逆变模块中的所述第一辅助电源取电和/或通过所述功率单元的交流侧取电，用于为所述总控模块供电。

10.如权利要求1所述的模块化逆变系统，其特征在于，还包括：

共模滤波单元，连接在所述功率单元的交流侧和电网之间；

防雷单元，连接在所述功率单元的交流侧和电网之间。

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