逆变器、逆变装置、逆变系统以及投切方法与流程

本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种用于供电的逆变器、逆变装置、逆变系统以及基于该逆变系统的投切方法。

背景技术：

近年来光伏发电快速发展，大型光伏电站的并网运行已经成为光伏发电发展的主流。

随着光伏发电电量在电网比例的增加，并网光伏供电系统的稳定运行起来越受到大家的重视，大中型的光伏电站的逆变系统或装置通常由多个小的光伏逆变器并联组成。多个光伏逆变器的并联一方面实现了供电扩容，提高了发电系统的灵活性，另一方面还可以实现冗余供电，大大提高了发电系统的可靠性。

由于负载功率的变化或电网的控制，冗余供电通常涉及到光伏逆变器地动态投切，然而，现有技术的逆变系统以及投切方式会在在投切时产生较大的冲击电流，另外在并联的逆变器间产生较大的环流，从而影响发电系统的可靠性。

技术实现要素：

基于上述问题，确有必要提供一种逆变系统在逆变器投切时可以避免冲击电流以及降低逆变器间环流的逆变器、逆变装置、逆变系统以及逆变方法。

根据本发明实施例一方面，提出了一种逆变器，该逆变器包括：三相逆变模块，用于将直流电转换成三相交流电，以及投切控制模块，用于响应于接收到地投切指令，控制所述三相逆变模块逐相投切。

根据本发明实施例的另一个方面，提出了一种逆变装置，该逆变装置包括多个所述的逆变器以及一主控单元，该多个逆变器并联连接，所述主控单元分别与该多个逆变器连接，用于给该多个逆变器中的需要投切的逆变器传输所述投切指令。

根据本发明实施例的另一个方面，提出了一种逆变系统，该逆变系统包括直流电源和该逆变装置，该直流电源、逆变装置以及电网依次连接。

根据本发明实施例的另一个方面，提出了一种逆变器的投切方法，该投切方法应用于该逆变系统，该投切方法包括：检测该逆变系统的系统功率是否变化；当所述系统功率变化时，确定该逆变系统中需要进行投切的逆变器，以及控制该需要进行投切的逆变器逐相投切。

相比于现有技术，本发明实施例提供的逆变器、逆变装置、逆变系统以及逆变方法通过对所述三相逆变模块的各相逐相进行投切，有效地避免了逆变器在投切时产生的冲击电流，实现了无冲击投切。另外，通过对所述三相逆变模块的各相逐相进行投切，从而在该逆变器应用于逆变装置以及逆变系统时很好地抑制了各个逆变器之间的环流，大大提高了逆变系统的可靠性和稳定性。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例提供的逆变器的功能结构框图

图2是本发明另一实施例提供的逆变器的功能结构框图。

图3是本发明又一实施例提供的逆变器的模块结构图。

图4是本发明实施例提供的逆变装置的功能结构框图。

图5是本发明实施例提供的逆变系统的功能结构框图。

图6是本发明实施例提供的逆变器的投切方法的流程示意图。

图7是本发明实施例1采用逐相投切的逆变器与正常运行的逆变器的三相电流波形对比图。

图8是本发明对比例1采用三相同时投切的逆变器与正常运行的逆变器的三相电流波形对比图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制：

10、逆变器，12、三相逆变模块，14、投切控制模块，

129、直流开关模块，128、稳压模块，120、三相桥式逆变电路，

122、滤波电路，124、继电器单元，126、交流开关模块，

140、控制器，142、驱动电路，144、AD采样电路，

146、开关量控制电路，148、通信电路，20、逆变装置，

22、主控单元，30、逆变系统，32、直流电源，34、变压器，

36、电网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“若干”的含义是一个或者一个以上；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种逆变器10，包括三相逆变模块12以及投切控制模块14，三相逆变模块12用于将直流电转换成三相交流电，投切控制模块14用于响应于接收到的投切指令，控制三相逆变模块12逐相投切。

请一并参阅图2和图3，三相逆变模块12可包括三相桥式逆变电路120，该三相桥式逆变电路120为一DC/AC变换器，用于将直流电源输入的直流电能转换成三相交流电。进一步地，该三相桥式逆变电路120用于产生所需电压和电流(或功率)的三相交流电。直流到交流的转换可通过控制功率开关器件来实现。该功率开关器件可以为但不限于IGBT。该三相桥式逆变电路120包括A相逆变电路、B相逆变电路以及C相逆变电路。

进一步地，三相逆变模块12可包括滤波电路122，滤波电路122与三相桥式逆变电路120的交流输出端连接，用于对三相桥式逆变电路120输出的交流信号进行滤波。具体地，滤波电路122可包括三路滤波支路，每一路滤波支路与三相桥式逆变电路120各相的交流输出端连接，来对三相桥式逆变电路120每一相输出的交流信号进行滤波。优选地，滤波电路122可以为LC滤波电路，采用LC滤波电路，可在该逆变器10投切时进一步减小投切产生的冲击电流。

进一步地，三相逆变模块12可包括继电器单元124，该继电器单元124与滤波电路122串接，用于控制三相桥式逆变电路120输出端与滤波电路122的输入端的连接或断开。与滤波电路122类似地，继电器单元124可以包括三个继电器，每一相三相桥式逆变电路120的输出电路中均可串接一个继电器，以实现对三相桥式逆变电路120每一相的开关控制。

进一步地，三相逆变模块12可包括交流开关模块126，该交流开关模块126与继电器单元124串联。该交流开关模块126可以进一步用于控制三相桥式逆变电路120在应用时与电网的连接和断开。通过继电器单元124和交流开关模块126的双重作用，一方面既利于逆变器10实现真正的模块化，可随时断开进行检测或更换，另一方面，又可以很好地保护逆变器10免受损害。交流开关模块126优选地可以为交流断路器，该交流开关模块126优选地分别控制三相桥式逆变电路120的每一相。

三相桥式逆变电路120、滤波电路122、继电器单元124以及交流开关单元126依次连接，交流开关单元126的输出端作为该三相逆变模块12的交流输出端。

进一步地，三相逆变模块12可包括稳压模块128，该稳压模块128的两端与三相桥式逆变电路120的正极输入端和负极输入端连接。优选地，稳压模块128包括支撑电容。

进一步地，三相逆变模块12可包括直流开关模块129，该直流开关模块129的输入端可作为三相逆变模块12的输入端，用于与直流电源连接，该直流开关模块129的输出端与三相桥式逆变电路120的直流输入端连接。该直流开关模块129为开关元件，用于控制直流电源与三相桥式逆变电路120的连接和断开。本发明实施例中，直流开关模块129为直流断路器。

投切控制模块14用于响应于接收到的投切指令，控制三相逆变模块12逐相投切。具体地，投切控制模块14用于接收投切指令，并根据投切指令，依次投切三相桥式逆变电路120的各相逆变电路，如可依次投切A相逆变电路、B相逆变电路以及C相逆变电路。需要说明的是，A相逆变电路、B相逆变电路以及C相逆变电路投切的顺序可变，只要逐相或依次投切即可。根据三相桥式逆变电路120的各相的相位以及周期关系，投切控制模块14可进一步控制各相投切的时间相差T/3，其中T为三相桥式逆变电路120输出的交流电流的周期。

投切控制模块14通过对三相逆变模块12的各相分别进行投切控制，并且逐相进行投切可有效地消除逆变器10在投切时产生的冲击电流，进而在应用于逆变系统时可大大提高逆变系统的可靠性和稳定性。

优选地，投切控制模块14用于控制三相逆变模块12在各相的电流过零点进行投切。示例性地，投切控制模块14可先在三相逆变模块12的A相电流过零点进行投切，接着在三相逆变模块12的B相电流过零点进行投切，最后在三相逆变模块12的C相电流过零点进行投切。通过在三相逆变模块12各相的电流过零点投切(相电流为零)，进一步实现了无冲击投切，而且应用于包括多个逆变器的逆变系统时可有效地降低了逆变器间的环流。

投切控制模块14可采用电路中使用的控制模块来实现。优选地，该投切控制模块14进一步包括一控制器140，该控制器140用于实现三相逆变模块12逐相投切的控制。具体地，控制器140可根据投切指令生成投切控制指令，以控制三相逆变模块12逐相投切，在一些示例中，该投切控制指令的内容与控制器140接收的投切指令的内容相同，控制器140只根据该投切指令记录的三相逆变模块12目标相进行转发以实现逐相投切。控制器140可以采用各种常用的控制器或处理器来实现，可以为但不限于FPGA、CPLD以及DSP控制器中的一种。优选地，本发明实施例中控制器140为FPGA控制器，采用FPGA控制器可大大提高逆变器投切的速度，从而很好地降低时延，应用于逆变系统时可保证各个逆变器10之间很好地同步。

投切控制模块14可进一步包括驱动电路142，该驱动电路142与控制器140连接，用于驱动三相逆变模块12。具体地，驱动电路142接收控制器140的控制指令，以确定是否驱动三相逆变模块12。当确定要驱动时，驱动电路142输出驱动信号给三相桥式逆变电路120以驱动三相桥式逆变电路120产生所需频率、相位和幅值的交流电信号。驱动电路142优选地可以为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)驱动电路。进一步地，驱动电路142接收控制器140的投切控制指令，以生成相应的驱动信号来控制三相逆变模块12各相独立地投切以及各相逐相地投切。具体地，当接收到的投切控制指令为逆变器投入指令时，驱动电路142产生驱动信号并各相独立且逐相地驱动三相桥式逆变电路120。当接收到的投切控制指令为逆变器切出时，驱动电路142各相独立且逐相地停止对三相桥式逆变电路120的驱动。

投切控制模块14可进一步包括AD采样电路144，该AD采样电路144与控制器140连接，用于采集三相逆变模块12直流输入侧的直流电压U_dc、直流电流I_dc以及交流输出侧的交流电压U_ac、每一相的交流电流I_ac中的至少一种数据。数据可用于进一步计算三相逆变模块12的输入、输出功率以及检测输出的各相交流信号的电流过零点。AD采样电路144在控制器140的控制下进行数据采集。控制器140可进一步根据输入、输出功率以及各相交流信号的电流过零点控制驱动电路142来实现三相逆变模块12各相独立地投切以及各相逐相地投切。

投切控制模块14可进一步包括一开关量控制电路146。该开关量控制电路146与控制器140连接，用于根据控制器140的指令来驱动或控制直流开关模块129和交流开关模块126的闭合和断开。具体地，当逆变器10正常运行时，控制器140发送闭合指令给开关量控制电路146以控制直流开关模块129和交流开关模块126闭合，当发生故障时，断开直流开关模块129和交流开关模块126。

投切控制模块14可进一步包括一通信电路148，该通信模块148与控制器140连接。该通信电路148用于实现控制器140与外部控制单元之间的通信。通信包括信令的交互以及数据传输。具体地，通信模块148可接收外部控制单元传输的投切命令，并发送给控制器140。通信模块148可进一步在控制器140的指示下，将AD采样电路144采集的数据传输到外部控制单元。该通信电路148可采用各种有线或无线通信模块来实现。本发明实施例中，通信电路148为光纤通信电路。

请参阅图1-图4，本发明实施例进一步提供了一种逆变装置20，该逆变装置20包括多个逆变器10以及一主控单元22，该多个逆变器10之间并联连接，该主控单元22与每个逆变器10分别连接，主控单元22用于将投切指令发送到需要进行投切操作的逆变器10，以指示需要进行投切的逆变器10进行逐相投切操作，这里的主控单元22可以理解为相对于上述控制器140的外部控制单元。

当逆变装置20工作时，该多个逆变器10输出同频率、同相位以及同幅值的交流电信号。优选地，该多个逆变器10相同。

多个逆变器10并联连接具体包括该多个逆变器10中三相逆变模块12的直流输入端相互连接以及交流输出端相互连接。通过多个逆变器10的并联可增大该逆变装置20的供电能力。同时，由上述内容可知，由于每个逆变器10均可包括交流开关模块126以及直流开关模块129，从而在该逆变装置20工作时，各个逆变器10可方便地投入或切出，实现真正的模块化。即使在某一逆变器10发生故障需要检修时，也不会影响该逆变装置20中其他逆变器10的正常工作。

主控单元22与每个逆变器10分别连接，用于控制多个逆变器10。主控单元22用于发送投切指令给需要进行投切操作的逆变器10，以指示逆变器10进行逐相投切操作。主控单元22可分别与每个逆变器10的投切控制模块140连接，更具体地，主控单元22可分别与每个逆变器10中的的通信电路148连接，并通过通信电路148将投切指令发送给每个逆变器10的控制器140。由于主控单元22与该多个逆变器10通过各自的通信电路148分别连接，因此无需在额外设置各个逆变器10之间通信的通信线(母线)，从而降低了该逆变装置20设计的复杂度。

主控单元22进一步被配置为检测该逆变装置20交流侧总电流的各相电流过零点。主控单元22进一步在检测到各相的电流过零点时生成投切指令，并发送投切指令给需要进行投切操作的逆变器10，以指示逆变器10分别在其每一相电流过零点(即相电流为零时)进行投切操作。由于各个逆变器10都包括投切控制模块14，因此，每个投切控制模块14在接收到主控单元22的投切指令时可各自独立且控制逆变器10在每一相的电流过零点进行投切，从而可很好地实现逆变器10之间的同步，有效地避免或降低了该多个逆变器10之间由于投切产生的环流。

主控单元22进一步被配置为控制每个需要进行投切操作的逆变器10的各相逐相投切的时间间隔为T/3。如前，T为该逆变装置20当前输出的交流信号的周期。该控制方式可通过投切指令发送给需要进行投切的逆变器10。

主控单元22进一步被配置为设定该逆变装置20每次逆变器10投切的数量。优选地，主控单元22控制该逆变装置20每次进行逆变器10投切的数量为1。当有多个逆变器10需要进行投切时，主控单元22控制该多个逆变器10依次完成投切。

综上，投切指令可包括：(1)需要投切的逆变器10的数量；(2)需要投切的目标逆变器10(逆变器10的标识)；(3)逆变器10每次投切的数量；(4)投切的方式为控制逆变器10逐相投切。投切指令进一步包括(5)指示逆变器10分别在其每一相电流过零点(即相电流为零时)进行投切操作；以及(6)当需要投入逆变器10时，指示投入的逆变器10驱动信号的大小。

当该逆变装置10的输出功率发生变化时，主控单元22进一步被配置为调整该逆变装置10中各个逆变器10的功率。示例性地，设定该逆变装置10中当前运行的逆变器10的数量为N，每个逆变器10当前的功率为P_avg，该逆变装置的输出功率为P_sys。当投入的逆变器10的数量增加为N+1时，每个逆变器10应当输出的功率为：P_avg＝P_sys/(N+1)；当投入的逆变器数量增加为N-1时，每个模块应当输出的功率为：P_avg＝P_sys/(N-1)设三相逆变模块12的三相电压平衡，其值为U_ac。则每个逆变器10的每一相给定电流信号I_ref的大小为：I_avg＝P_sys/(3*U_ac)。主控单元22指示逆变器10的投切控制模块14完成功率的调整。具体地，各个逆变器10的控制器140可控制驱动电路142调整功率开关器件的占空比完成功率的调整。

进一步地，主控单元22被配置为接收逆变装置20中各个逆变器10上传的AD采样数据，AD采样数据包括各个逆变器10直流输入侧的直流电压、直流电流以及交流输出侧的交流电压、每一相的交流电流中的至少一种。主控单元22进一步被配置为根据采样数据计算各个逆变器10的输入、输出功率以及检测输出的各相交流信号的电流过零点。

进一步地，在逆变装置20开始工作之前，主控单元22还被配置为生成初始化配置指令，并将该初始化配置指令发送给多个逆变器10以初始化多个逆变器10。初始化配置指令包括逆变装置20工作所需的逆变器10的数量，以及该些逆变器10的标识。初始化配置指令进一步还可以包括工作状态检测指令，用于指示多个逆变器10进行AD数据采集以及故障信号上报，以判断该多个逆变器10是否可以正常工作。当该多个逆变器10可以正常工作时，主控单元22控制该多个逆变器10启动以完成该逆变装置20的并网。

进一步地，该主控单元22还被配置为对供电的直流电源进行检测，以确保直流输入的正常以及最优地为逆变装置20供电。如，当直流电源采用光伏电池时，主控单元22进一步用于检测该直流电源的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

该主控单元22作为控制CPU可以采用电路设计中常用的微处理器或微控制器(MCU)来实现。

请参阅图5，本发明实施例进一步提供了一种逆变系统30，该逆变系统30包括依次连接的直流电源32和逆变装置20。

直流电源32接逆变装置20的直流输入侧，为该逆变系统30提供直流电能。直流电源32的类型不限，优选地可以为光伏电池。本发明实施例中采用光伏电池阵列作为直流电源32。

逆变系统30进一步包括一变压器34，该变压器34连接在逆变装置20与电网之间，变压器34根据负载以及电网需求对逆变装置20输出的交流电信号进行电压调整。

电网36连接负载，为负载提供电力。

该逆变系统30在工作时，直流电源32将直流电能输入到逆变装置20，逆变装置20将直流电能转化成交流电进一步通过变压器34以及电网36传输给负载，以实现给负载供电。

当该逆变系统30的系统功率变化时，逆变装置20进行逆变器10的动态投切以适应功率调整，进而为负载提供稳定可靠的电力。关于逆变器10的投切，前述都有介绍，在此不再赘述。

请参阅图6，本发明实施例进一步提供了一种逆变系统30中逆变器10的投切方法，该方法包括以下步骤：

S402，检测该逆变系统30的系统功率是否变化；

S404，当系统功率变化时，确定该逆变系统30中需要进行投切的逆变器10；以及，

S406，控制该需要进行投切的逆变器10逐相投切。

投切方法进一步包括：

S405，检测逆变系统30中的逆变装置20交流侧总电流的各相电流过零点，以及步骤S406进一步包括控制该需要进行投切的逆变器10在各相电流过零点进行投切。在一些示例中，该投切控制方法还可以包括控制上述逆变装置20中的三相逆变模块的各相投切的时间差为T/3，其中T为上述三相逆变模块输出的三相交流电的周期。

该投切方法与逆变器10中的投切控制模块14以及逆变装置20中的主控单元22的功能对应，因此，对于该投切方法不再赘述。但需要说明的是，由于有上述对应关系，因此，即使本申请中为避免赘述而没有具体说明该投切方法的一些细节步骤，本领域技术人员也应该明白，该些细节步骤在前述逆变器10中的投切控制模块14以及逆变装置20中的主控单元22的功能处均有介绍，其也属于该投切方法的一部分。

本发明实施例的测试方案1

本发明实施例进一步利用逆变系统30以及投切方法进行投切测试。

在该逆变系统30中包括两个并联的逆变器10a以及10b，该两个逆变器10a、10b的结构与逆变器10的结构相同。逆变系统30在逆变器10a正常运行时，投入逆变器10b。请参阅图7，图7(a)为逆变器10a正常运行时的三相电流波形，图7(b)为采用本发明投切方法的逆变器10b投入该逆变系统30时的电流波形。从图中可以看出，采用本发明的逆变器以及投切方法，可以有效地避免冲击电流，并且逆变器之间的环流很小，从图中可以看出，逆变器10b投入后，该逆变系统迅速进入稳定状态。

对比例1

该对比例1与实施例1基本相同，区别在于，逆变器10b投入时并非采用逐相投入，而是整体投入，即三相同时投入。请参阅图8，图8(a)为逆变器10a正常运行时的三相电流波形，图8(b)为逆变器10b三相同时投入该逆变系统30时的电流波形。从图中可以看出，整体投入造成了该逆变系统的逆变器之间的信号的相位、幅值等不一致，从而在模块间产生了较大的环流，并且给该系统造成了冲击电流。从图中可以看出，相对于实施例1，该逆变系统经过较长的一段时间后才逐渐进入稳定状态。

本发明实施例提供的逆变器以及投切方法通过对三相逆变模块的各相逐相进行投切，有效地避免了逆变器在投切时产生的冲击电流，实现了无冲击投切。另外，通过对三相逆变模块的各相逐相进行投切，从而在该逆变器应用于逆变系统时很好地抑制了各个逆变器之间的环流，大大提高了逆变系统的可靠性和稳定性。最后，逆变器10通过自身的投切控制模块控制完成投切，从而真正实现了逆变系统中各个逆变器的模块化。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。