专利名称：一种光伏发电并网逆变器的并联结构及其控制方法
技术领域：
本发明属于可再生能源技术领域，特别涉及一种光伏发电并网逆变器的并联结构及其控制方法。
背景技术：
光伏并网发电系统的核心是并网逆变器，光伏并网系统从结构上可以分为工频和高频两种。工频并网逆变器首先通过DC/AC变换器将光伏电池输出的直流电能转换为交流电能，然后通过工频变压器和电网相连，完成电压匹配以及与电网的隔离，实现并网发电。 工频并网逆变器由于带有工频变压器，存在体积大、效率低、成本高等缺点。高频并网逆变器首先通过DC/DC变换器将光伏电池输出的直流电压提升至一定的水平，然后通过DC/AC逆变器与电网相连，将能量馈入电网。高频并网逆变器可以减小隔离变压器和滤波器的体积，降低系统成本。目前，具有代表性的光伏发电并网主电路拓扑结构可分为单级电路拓补结构和两级电路拓扑结构。单级电路拓扑结构通过一级能量变换实现最大功率跟踪和并网逆变两个功能，这样可提高系统的效率、减小系统的体积和重量、降低系统成本，从而提高了光伏并网发电系统的经济性。两级电路拓扑结构的前级采用斩波升压(Boost)电路实现升压变换和电气隔离， 后级采用PWM电压型逆变器以稳定直流母线电压，并将能量馈入电网。光伏并网逆变系统由太阳能电池阵列、斩波升压变换器或隔离直流-直流(DC/DC)变换器、三相PWM有源逆变桥、滤波电感及电网组成。具有两级电路拓扑结构的光伏并网逆变系统中，DC/DC变换器实现光伏阵列的最大功率跟踪控制(MPPT)和升压变换以及电气隔离；DC/AC逆变器实现直流逆变为交流和并网控制的功能。DC/DC变换和DC/AC变换独立控制，各自控制目标明确；由于具有DC/DC直流升压变换，光伏阵列的电压等级选择范围更广。光伏阵列的输出电压经DC/DC变换电路控制后变得稳定，对逆变器工作影响小，控制系统设计也相对简单。因此，具有两级电路拓扑结构的光伏并网逆变系统能获得较大的输出功率、正弦波的并网电流和高功率因数，更适用于大容量光伏发电并网系统。从光伏阵列的现场安装和绝缘安全指标考虑，其母线直流电压限制在700V以下较为合理，因此，单机并网逆变器的最大容量设计会受到母线直流电压的限制，大规模的光伏发电并网逆变系统采用多机并联运行模式。根据阵列输入方式的不同，将光伏发电并网逆变系统多机并联的方式分为两种，第一种是各光伏阵列输入独立，各逆变器输出并联挂网；第二种是各光伏阵列的直流输入并联为总输入，各并网逆变器输出并联挂网运行。对于第一种并联运行方式，逆变器控制较为简单，与单机控制相比无区别，此方式的缺点是难以同时实现阵列和系统的最大效率利用。对于第二种并联运行方式，即公共直流母线独立运行方式，公共直流母线是大功率并网光伏电站各逆变子系统常用的连接方式。对于大功率的并网逆变器，其直流母线一般采用高压设计以提高其单机的逆变效率，同时也可以减小直流传输线路的线路损耗，系统中的各部件如太阳电池组件、接线箱、逆变器、交流配电柜之间的电力电缆应尽可能按最短距离布置。目前，采用公共直流母线独立运行方式逆变器的控制较为复杂，含有三种典型控制结构模式系统中各子站的电压指令分等级按时序控制模式、基于CAN总线的中央集控模式和基于CAN总线的主从控制模式。概括说来，光伏发电并网逆变系统无论是单级变换模式，还是两级变换模式，逆变器的并联控制都较为复杂，甚至说是繁琐。分析原因，其实质是源于电压型PWM逆变器自身拓扑结构及其控制方法的制约。一般电压型PWM逆变器采用双闭环控制策略，外环为控制逆变器直流电压Udc恒定，内环为控制逆变器网侧交流电流；并且在满足恒值控制直流电压 Ud。的目标下，能量自动双向变换，即当直流侧电压高于给定值时，在调节器的作用下，能量自动从直流侧流向逆变器网侧，当直流侧电压低于给定值时，在调节器的作用下，能量自动从逆变器网侧流向直流侧。各个逆变器给定参数以及调节参数的分散性可能造成给定参数的细小差异和调节参数的不一致，当两个或多个电压型PWM逆变器并联运行时，在同一时刻，将可能出现一部分逆变器工作在有源逆变状态，另一部分逆变器工作在整流状态。由于各电压型PWM逆变器的内阻均极小，并联的电压型PWM逆变器之间就有可能形成大的环流，从而影响整个系统的稳定性并危害所并联的电压型PWM逆变器系统。因此，一般不允许电压型PWM逆变器并联工作，而是采用群控模式，当有多台光伏并网逆变器并联运行时.始终只允许有一台逆变器工作在并网电流输出变化状态，其它的逆变器根据实际发电功率状况，要么工作在恒电流(满功率)状态，要么处在停机状态。如果各逆变器都“各自为政”地进行电压调节控制，则该群控系统势必崩溃。
发明内容
本发明的目的是提出一种光伏发电并网逆变器的并联结构及其控制方法。所述光伏发电并网逆变器的并联结构分为由I-N个电压型PWM逆变器并联结构模块构成的三相电压型PWM逆变器的模块化并联结构和单相电压型PWM逆变器的模块化并联结构；所述三相电压型PWM逆变器的模块化并联结构是由I-N个三相电压型PWM逆变器并联结构模块并联构成，其中三相电压型PWM逆变器并联结构是指主电路由多个三相电压型PWM逆变电路并联组成的电路，其特点是各个桥式逆变电路的直流输入并联取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网；其中，三相电压型PWM逆变器采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个桥臂；三个桥臂并联组成三相桥式电路，直流侧并联滤波电容器C2，三相交流电源火线经三相线性电感接入各相桥臂的上下臂连接处，构成典型的三相电压型PWM逆变器电路；然后将各三相电压型PWM逆变器并联结构模块并联，具体是将各并联的三相电压型PWM逆变器模块的外环调节器PIDIII4独立出来，形成一个公用的统一外环调节器17，使各并联逆变器的控制简化为单闭环电流控制。所述单相电压型PWM逆变器的模块化并联结构是由I-N个单相电压型PWM逆变器并联结构模块并联构成，其中单相电压型PWM逆变器并联结构是指主电路由多个单相电压型PWM逆变电路并联组成的电路，其特点是各个桥式逆变电路的直流输入并联取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网；其中，单相电压型PWM逆变器采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个桥臂；两个桥臂并联组成单相全桥，直流侧并联滤波电容器C1，交流电源火线经线性电感L1和电阻R1接入一相桥臂的上下臂连接处，零线直接接另一相桥臂的上下臂连接处，构成典型的单相电压型PWM逆变器；然后将各单相电压型PWM逆变器并联结构模块并联，具体是将各并联的单相电压型PWM逆变器模块的外环调节器独立出来，形成一个公用的统一外环调节器，使各并联逆变器的控制简化为单闭环电流控制。本发明的有益效果是一方面，克服了并联逆变器给定参数以及调节参数的分散性，避免了在并联运行过程中一部分逆变器工作在有源逆变状态，另一部分部分逆变器工作在整流状态，排除了在所并联的电压型PWM逆变器之间形成环流的因素；另一方面，各并联逆变器的控制策略简化为网侧交流电流单闭环控制，实质上转化为并联逆变器间的均流控制，从而，本发明解决了并联的电压型PWM逆变器在并联运行时各电压型PWM逆变器能量流向的一致性问题，避免了环流的产生；同时，也解决了电压型PWM逆变器并联的均流难题，从而，电压型PWM逆变器多模块并联实现了大功率化、积木化、规模化应用，同时，简化了控制结构，提高了系统可靠性。
图1为典型电压型PWM逆变器主电路拓扑结构示意图，其中，(a)为单相电压型 PWM逆变器的结构示意图，(b)为三相电压型PWM逆变器的结构示意图。图2为三相电压型PWM逆变器及其控制电路图。图3为三相电压型PWM逆变器多模块并联的具体实施方式
框图。
具体实施例方式本发明提出一种光伏发电并网逆变器的并联结构及其控制方法。下面结合附图对本发明予以说明。图1所示为典型电压型PWM逆变器主电路拓扑结构示意图，图中，将主电路电气拓扑结构分为单相电压型PWM逆变器并联、三相电压型PWM逆变器并联，典型的单相电压型 PWM逆变器拓扑电路如图1(a)所示。第一功率开关管V1和第一反并联二极管VD1构成第一上臂，第二功率开关管V2和第二反并联二极管VD2构成第一下臂，第三功率开关管V3和第三反并联二极管VD3构成第二上臂，第四功率开关管V4和第四反并联二极管VD4构成第二下臂；第一上臂和第一下臂串联构成第一桥臂，第二上臂和第二下臂串联构成第二桥臂， 两个桥臂并联组成单相全桥；直流侧并联滤波电容器C1,交流电源火线经线性电感Lp电阻 R1接入第一桥臂的上下臂连接处，零线直接接第二桥臂的上下臂连接处。典型的三相电压型PWM逆变器拓扑电路如图1(b)所示。第一功率开关管义和第一反并联二极管VD1构成第一上臂，第四功率开关管V4和第四反并联二极管VD4构成第一下臂，第三功率开关管V3和第三反并联二极管VD3构成第二上臂，第六功率开关管V6和第六反并联二极管VD6构成第二下臂，第五功率开关管V5和第五反并联二极管VD5构成第三上臂， 第二功率开关管V2和第二反并联二极管VD2构成第三下臂，第一上臂和第一下臂串联构成第一桥臂，第二上臂和第二下臂串联构成第二桥臂，第三上臂和第三下臂串联构成第三桥臂，三个桥臂并联组成三相桥式电路；直流侧并联滤波电容器C2，第一三相交流电源火线经线性电感L2、电阻&接入第一桥臂的上下臂连接处，第二三相交流电源火线经线性电感L3、 电阻民接入第二桥臂的上下臂连接处，第三三相交流电源火线经线性电感L4、电阻R4接入第三桥臂的上下臂连接处；三相电网电动势为e2、e3、e4，三相网侧电流分别为i2，i3，i4，三个三相交流电源连接于中心点N处。所述单相电压型PWM逆变器的并联结构是指由并联模块1、并联模块2至并联模块 N并联组成的电路，其中每个并联模块由单相电压型PWM逆变器及其控制电路组成。其特点是各个桥式逆变电路的直流输入并联取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网。所述三相电压型PWM逆变器的并联结构是指由并联模块1、并联模块2至并联模块 N并联组成的电路，其中每个并联模块由三相电压型PWM逆变器及其控制电路组成。其特点是各个桥式逆变电路的直流输入并联取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网。图2所示为三相电压型PWM逆变器的控制框图。控制方法基于电网电压定向的矢量控制技术，采用双闭环控制，外环为电压控制环，内环为网侧电流控制环。现详细说明如下 外环以直流电压信号作为电压反馈量，经&1 6电阻网络1分压、电压传感器2和 ADC模数转换电路3获得，以给定电压Ud:为恒值目标，经第三加法器16后再经调节器 PIDIII4进行比例-积分-微分处理，输出控制电流内环分为d轴调节器PID II 6和 q轴调节器PID I 5，其过程是先将三相瞬时交流电流ia、ib、i。经数学变换，解耦得到与电压合成矢量同方向的直流电流分量id和与电压合成矢量垂直的直流电流分量、；由于、与电压合成矢量同方向，因此id称为电流有功分量，控制id可调节逆变器的有功功率，即图中的直流母线电压Ulous，而i,称为电流无功分量，控制i,可调节逆变器的无功功率；以 为例，即取ea相电压接入锁相环9和正弦、余弦信号发生器10，正弦、余弦信号发生器10输出正弦、余弦信号至abc/dq变换11，同时也通过dq/abc变换12、SVPWM信号生成器13与PWM 逆变器连接；在三相线性电感La、Lb、Lc与PWM逆变器连接的各相火线7经电流传感器8连接abc/dq变换11，abc/dq变换11两路输出，其中i,信号经第一加法器14、q轴调节器PID I 5，输出iC信号，id信号经第二加法器15、d轴调节器PID 116，输出u/信号；在直流正、 负母线之间并联Iy^6电阻网络1，电阻网络1经过电压传感器2、ADC模数转换电路3、第三加法器16、调节器PIDIII4和第二加法器15连接。具体运算过程现详细说明如下1.首先从各相火线7提取的交流电流ia、ib、i。为电流反馈量，经电流传感器8后再通过abc/dq变换11的实现三相静止坐标系至两相同步旋转坐标系的变换，将相位互差 120°的三相电流ia、ib、i。变换为相位互差90°的两相电流‘、；2.同时选取电网三相合成电压矢量作为d轴矢量定向基准，通过锁相环电路9实时检测电网A相电动势ea的相位，经正弦、余弦信号发生器10确定电压定向矢量的位置角 θ，求得θ的正弦、余弦函数sin θ、C0s θ并将其输出至abc/dq变换11中；3. abc/dq变换11根据输入的位置角θ的正弦、余弦函数sin θ、cos θ，实现abc 三相静止坐标系至dq同步旋转止坐标系的变换，最终变换为同步旋转坐标系下直流分量
ld、 IqO4.以外环调节器PIDIII4的输出i/作为d轴调节器PID II 6的给定参数，交流电流解耦得到的直流分量id作为d轴电流调节器PID II 6的反馈，调节器PIDIII4的输
7出i/与交流电流解耦得到的直流分量id先经过第二加法器15、再经过d轴d轴电流调节器PID II 6比例-积分-微分运算输出控制电压u/ ；5.以无功功率或功率因数换算的无功电流分量1<；作为q轴调节器PID I 5的给定参数，交流电流解耦得到的直流分量、作为q轴调节器PID I 5的反馈，无功电流分量
；与交流电流解耦得到的直流分量、先经过第一加法器14，再经过q轴调节器PID I 5比例-积分-微分运算输出控制电压< ；6. dq/abc变换12变换根据输入的θ的正弦、余弦函数sin θ、cos θ，实现dq同步旋转坐标系至abc三相静止坐标系的变换，将同步旋转坐标系下d轴调节器PID II 6输出的控制电压u/、q轴调节器PID I 5输出的控制电压U:变换为三相静止坐标系下正弦7.再通过SVPWM信号生成器13脉宽调制后，输出六路PWM逆变器桥臂功率管的控制信号。由于解耦之后，PWM逆变器的有功功率与d轴电流分量成正比，无功功率与q轴电流分量成正比，其规律满足下述关系式，其中Ue为电网相电压有效值。
权利要求
1.一种光伏发电并网逆变器的并联结构，其特征在于，所述光伏发电并网逆变器的并联结构分为由I-N个电压型PWM逆变器并联结构模块构成的三相电压型PWM逆变器的模块化并联结构和单相电压型PWM逆变器的模块化并联结构；所述三相电压型PWM逆变器的模块化并联结构是由I-N个三相电压型PWM逆变器并联结构模块并联构成，其中三相电压型PWM逆变器并联结构是指主电路由多个三相电压型 PWM逆变电路并联组成的电路，其特点是各个桥式逆变电路的直流输入并联取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网；其中，三相电压型PWM逆变器采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个桥臂；三个桥臂并联组成三相桥式电路，直流侧并联滤波电容器(C2)，三相交流电源火线经三相线性电感接入各相桥臂的上下臂连接处，构成典型的三相电压型PWM逆变器电路；然后将各三相电压型PWM逆变器并联结构模块并联，具体是将各并联的三相电压型PWM逆变器模块的外环调节器PIDIII (4)独立出来，形成一个公用的统一外环调节器(17)，使各并联逆变器的控制简化为单闭环电流控制。所述单相电压型PWM逆变器的模块化并联结构是由I-N个单相电压型PWM逆变器并联结构模块并联构成，其中单相电压型PWM逆变器并联结构是指主电路由多个单相电压型PWM逆变电路并联组成的电路，其特点是各个桥式逆变电路的直流输入并联取自直流母线，交流经线性滤波电感并入交流电网；其中，单相电压型PWM逆变器采用具有反并联二极管的功率开关管构成上臂和下臂，上、下臂串联构成一个桥臂；两个桥臂并联组成单相全桥，直流侧并联滤波电容器(C1),交流电源火线经线性电感(L1)和电阻(R1)接入一相桥臂的上下臂连接处，零线直接接另一相桥臂的上下臂连接处，构成典型的单相电压型PWM逆变器；然后将各单相电压型PWM逆变器并联结构模块并联，具体是将各并联的单相电压型 PWM逆变器模块的外环调节器独立出来，形成一个公用的统一外环调节器，使各并联逆变器的控制简化为单闭环电流控制。
2.根据权利要求1所述一种光伏发电并网逆变器的并联结构，其特征在于，所述三相电压型PWM逆变器并联结构模块是以三相电压型PWM逆变器及其控制电路构成的模块结构，其控制电路为基于电网电压定向的矢量控制技术，采用双闭环控制，外环为电压控制环，内环为网侧电流控制环，具体结构如下在三相电压型PWM逆变器的输入侧的直流母线电压Ulous和滤波电容器(C3)之间并联 R5R6电阻网络(I)U6电阻网络⑴与电压传感器O)、ADC模数转换电路(3)连接，ADC 模数转换电路(3)经第三加法器(16)、经外环调节器P-IDIII (4)连接第二加法器(15)，第二加法器(1 还与d轴调节器PID 11(6)和第一 abc/dq变换器(11)连接，abc/dq变换器(11)分别与第一加法器(14)、第二加法器(15)、正弦、余弦信号发生器(10)和电流传感器⑶连接，各相火线⑵与电流传感器⑶连接，第一加法器(14)通过q轴调节器PID K5)与dq/abc变换器(12)连接，线性电感(La)的ea端经锁相环(9)连接至正弦、余弦信号发生器(10)，dq/abc变换器(12)与d轴调节器PID II (6)、q轴调节器PID I (5)、正弦、 余弦信号发生器(10)和SVPWM信号生成器(13)连接，SVPWM信号生成器(13)与PWM逆变器连接。
3.—种权利要求1所述光伏发电并网逆变器并联运行的控制方法，其特征在于，首先将光伏发电并网逆变器的模块化并联结构中各电压型PWM逆变器的外环调节器PIDIII (4)独立出来，形成一个公用的统一外环调节器(17)，使各并联逆变器的控制简化为单闭环电流控制；在每个电压型PWM逆变器并联模块中，外环以直流电压信号作为电压反馈量，R5R6 电阻网络⑴分压的电压信号经电压传感器⑵和ADC模数转换电路(3)后，与已给定电压Udc*—起经第三加法器(16)后，再经外环调节器PIDIII (4)进行比例-积分-微分处理， 输出控制电流i*d传输至第二加法器(15)；内环分为d轴调节器PID 11(6)和q轴调节器 PID I (5)，其过程是先将三相瞬时交流电流ia、ib、ic经数学变换，解耦得到与电压合成矢量同方向的直流电流分量id和与电压合成矢量垂直的直流电流分量iq；由于id与电压合成矢量同方向，因此id称为电流有功分量，控制id可调节逆变器的有功功率，即直流母线电压 Udots，而、称为电流无功分量，控制、可调节逆变器的无功功率；具体运算过程如下1)首先从各相火线(7)提取的交流电流ia、ib、ic，为电流反馈量，经电流传感器(8)后再通过abc/dq变换(11)的实现三相静止坐标系至两相同步旋转坐标系的变换，将相位互差120°的三相电流ia、ib、i。变换为相位互差90°的两相电流id、iq,;2)同时选取电网三相合成电压矢量作为d轴矢量定向基准，通过锁相环电路(9)实时检测电网A相电动势％的相位，经正弦、余弦信号发生器(10)确定电压定向矢量的位置角 θ，求得θ的正弦、余弦函数sine、cos θ并将其输出至abc/dq变换(11)中；3)abc/dq变换(11)根据输入的位置角θ的正弦、余弦函数sin θ、cos θ，实现abc三相静止坐标系至dq同步旋转止坐标系的变换，最终变换为同步旋转坐标系下直流分量id、4)以外环调节器PIDIII(4)的输出i*d作为d轴调节器PID 11(6)的给定参数，交流电流解耦得到的直流分量id作为d轴调节器PID 11(6)的反馈，调节器PIDIIK4)的输出i*d 与交流电流解耦得到的直流分量id先经过第二加法器(15)、再经过d轴调节器PID 11(6) 比例-积分-微分运算输出控制电压Ud*；5)以无功功率或功率因数换算的无功电流分量i*q作为q轴调节器PID1(5)的给定参数，交流电流解耦得到的直流分量iq作为q轴调节器PID 1(5)的反馈，无功电流分量i*q与交流电流解耦得到的直流分量、先经过第一加法器(14)，再经过q轴调节器PID 1(5) 比例-积分-微分运算输出控制电压uq* ；6)dq/abc变换(12)变换根据输入的位置角θ的正弦、余弦函数sinθ、cos θ，实现dq 同步旋转坐标系至abc三相静止坐标系的变换，将同步旋转坐标系下d轴调节器PID 11(6) 输出的控制电压uq*、q轴调节器PID 1(5)输出的控制电压Uq*变换为三相静止坐标系下正弦分里Ua*、Ub*、Uc*；7)再通过SVPWM信号生成器(1 脉宽调制后，输出六路PWM逆变器桥臂功率管的控制信号。由于解耦之后，PWM逆变器的有功功率与d轴电流分量成正比，无功功率与q轴电流分量成正比，其规律满足下述关系式，其中Ue为电网相电压有效值。
全文摘要
本发明公开了属于可再生能源技术领域的一种光伏发电并网逆变器的并联结构及其逆变器控制方法。所述光伏发电并网逆变器的拓扑电路结构分为单相电压型PWM逆变器的并联结构、三相电压型PWM逆变器的并联结构，其控制方法是基于电网电压定向的矢量控制技术，采用电压外环、电流内环控制方式，将所并联的电压型PWM逆变器控制电路的外环调节器独立出来，形成一个公用的统一外环调节器，各逆变器控制策略简化为单闭环电流控制，以解决并联电压型PWM逆变器能量流向的一致性问题，避免环流的产生；并克服了电压型PWM逆变器并联均流的难题，从而，电压型PWM逆变器多模块并联实现了大功率化、积木化、规模化应用。
文档编号H02M7/5387GK102185513SQ20111012983
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者张波, 张珍, 董清, 颜湘武 申请人:华北电力大学(保定)