一种光伏并网逆变器的制作方法

本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种光伏并网逆变器。

背景技术：

光伏并网发电系统的低电压穿越技术，是指当光伏并网点电压跌落时，光伏阵列能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。国家电网公司起草的《光伏电站接入电网技术规定(试行)》中明确对大中型光伏电站在电网故障时的LVRT能力作出了要求并制定了相关标准。

当前国内由于投入运行的光伏电站容量还比较小，光伏系统的渗透功率还较低，当电网发生故障使并网点电压跌落，光伏电站退出运行时对系统的影响还比较小，但随着光伏并网发电系统容量的逐渐扩大，渗透功率提高，低压脱网给系统造成的影响已不容小觑，所以应当重视光伏电站低电压穿越技术的研究。风力发电系统中已有类似的事故发生。2011年2月24日凌晨，甘肃酒泉地区一个风电场单条馈线故障波及该地区11个风场并引发风电机群大规模脱网事故，事故的原因为风电机群不具备低电压穿越能力、无功补偿装置的调节能力差、风电场运行管理有缺陷。可见低电压穿越技术对分布式新能源发电并入电网后对电网的影响之大。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种光伏并网逆变器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明由MPPT、控制器、PV阵列、滤波器、电网、电压电流检测模块和拓补电路结构组成，所述PV阵列通过电容与所述拓补电路结构连接，所述PV阵列的信号输出端通过所述MPPT与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的输出端与所述拓补电路结构组成，所述拓补电路结构与所述滤波器连接，所述滤波器通过所述电网与所述电压电流检测电路的输入端连接，所述电压电流检测的输出端与所述控制器的信号输入端连接。

进一步，所述拓补电路结构由六个三极管、六个二极管、三个电感、三个电阻和三个模拟电网电源组成，所述三极管集电极与二极管的负极连接，所述三极管的发射极与所述二极管的正极连接，构成三相桥臂上的开关器件，所述电感、电阻和所述模拟电网串联。

本发明所述拓补电路结构的电压跌落期间的无功补偿方法包括以下步骤：

(1)大功率光伏逆变器通常具有无功调节能力，特别是当电网电压跌落时，需要对电网进行无功补偿，设U为光伏并网点电压(0.2≤U≤0.9pu)，逆变器输出的额定电流为i_N，有功电流和无功电流分别为i_d和i_q。根据并网准则对电压跌落与无功电流关系的要求，设光伏电站在电压跌落到90％以下时，电压每跌落1％，至少提供x％无功电流，即无功电流为：i_q≥x(0.9-U)i_N

根据网侧电流不能超过额定电流的1.1倍的规定，则有：

因此有：

又由于x＞0，0.2≤U≤0.9,因此有x≤1.571，

若i_d＝1，则x≤0.655，即i_d＝1时，最大允许提供0.655％的无功电流，若要多提供无功电流，就要减少i_d；

(2)当逆变器额定运行时，可以发出的无功电流最大为i_q＝0.46pu，若规定每1％的电压跌落提供1.5％的无功电流，在不降低i_d的情况下，最大可以允许跌落的程度为(0.9-0.46/1.5)≈0.593pu，即跌落到59.3％以下时，若要满足并网要求，就必须降低有功电流的输出i_d，跌落程度在59.3％以上时，可以不降低有功电流输出，输出电流的1.1倍裕度可以保证其满足并网要求，当电压跌落程度越大时，需要提供的无功电流就越多，则有功电流需要降低程度就越大。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种光伏并网逆变器，与现有技术相比，本发明在深入研究光伏并网逆变器的数学模型和不对称电网下光伏并网逆变器的控制策略的基础上，拟采用一种新型锁相技术和非线性控制策略来改善光伏并网逆变器的性能，在合理的无功补偿基础上，完善其低电压穿越的能力。

附图说明

图1是本发明的三相光伏并网系统结构图；

图2是本发明的三相光伏并网发电系统拓扑结构图；

图3是本发明的逆变器交流侧稳态矢量关系图；

图4是本发明的光伏组件特性曲线图；

图5是本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明由MPPT、控制器、PV阵列、滤波器、电网、电压电流检测模块和拓补电路结构组成，所述PV阵列通过电容与所述拓补电路结构连接，所述PV阵列的信号输出端通过所述MPPT与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的输出端与所述拓补电路结构组成，所述拓补电路结构与所述滤波器连接，所述滤波器通过所述电网与所述电压电流检测电路的输入端连接，所述电压电流检测的输出端与所述控制器的信号输入端连接。根据直流侧输入电源性质的不同，可将光伏并网逆变器分为电流源式和电压源式，考虑到电流源式逆变器为保证提供稳定的电流需要在直流侧串入一大电感，这势必会影响系统的动态响应前者常用于独立发电模式，后者常用于并网发电模式，三相光伏并网系统中主要包含MPPT，控制器，电压电流检测等模块，其中控制器是实现三相光伏并网的核心。

进一步，所述拓补电路结构由六个三极管、六个二极管、三个电感、三个电阻和三个模拟电网电源组成，所述三极管集电极与二极管的负极连接，所述三极管的发射极与所述二极管的正极连接，构成三相桥臂上的开关器件，所述电感、电阻和所述模拟电网串联。

采用的三相光伏并网发电系统拓扑结构图如2，该逆变器为单级式，PV为光伏阵列，输出电流i_PV，C1为直流侧稳压电容，T1～T6分别是三相桥臂上的开关器件，L1、L2、L3为交流侧的滤波电感，e_a、e_b、e_c为模拟电网电源。

如图3所示：三相光伏并网逆变器控制策略

并网逆变器的控制策略是光伏并网技术的关键。光伏并网逆变器系统的控制目标是控制并网逆变器的输出电流为稳定的高质量正弦波，同时保证并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相。对于光伏并网系统，典型的控制策略是通过控制逆变器输出电流的相位和幅值实现网侧功率控制。按照并网系统运行方式分类，输出交流侧稳态的矢量关系如图3所示。

考虑到稳态时|I|不变，则|U_L|＝ωL|I|保持不变，此时并网系统交流侧电压矢量的端点形成一个以矢量E端点为圆心和以U_L为半径的圆。故通过控制系统输出电压矢量的相位和幅值即可控制并网系统输出电流矢量的相位和幅值。

由图1中所的矢量图分析可得相应的矢量关系：

U＝U_L+E

并网逆变器并网控制的基本原理可以概括为：首先根据并网控制给定的有功、无功功率指令以及电网电压矢量，计算出所需的输出电流矢量I；再由式(1)并结合U_L＝jωLI计算出交流侧的电压指令U，得到U＝E+jωLI；最后通过PWM控制使并网逆变器交流侧输出所需电压矢量，按上述方法进行并网电流的控制。

光伏阵列的最大功率点跟踪

光伏电池的输出电压与电流存在很强的非线性关系，而且输出受光照强度、环境温度和负载特性等的影响。图4为光伏模块在某光照强度、环境温度和负载特性下输出电压u_PV、电流i_PV、功率P_PV的特性关系曲线，可以看出当光伏模块运行在A点时输出功率最大，A点即为最大功率点，B点对应的纵坐标即为光伏模块运行在最大功率点时的输出电流i_m。为了最大限度地利用太阳能，光伏并网发电系统需应用最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking,MPPT)控制技术使其输出特性位于最大功率点附近。

传统的光伏电池最大功率点跟踪控制算法主要有恒定电压法(Constant Voltage

Tracking，CVT)，扰动观察法(Perturbation and Observation method，P&O)，电导增量法(Incremental Conductance，INC)。近来，随着模糊控制理论和人工神经网络理论的不断发展和完善，智能控制方法在最大功率点跟踪控制领域也开始起到一定作用，比如模糊逻辑控制算法，人工神经网络算法和复合智能控制算法。

恒定电压控制策略就是一种近似最大功率点跟踪控制，恒定电压法利用一定的稳压手段，控制光伏电池的输出电压稳定在V_m附近，使系统始终工作在V_m下，这种控制方式可以简化整个控制系统，使系统具有非常好的稳态特性，适用于光照变化较大温度变化不大的情况下，

但温度变化较大时精确度较差。

扰动观察法也是目前实现最大功率点跟踪的常用方法，扰动观察法原理是主动调整光伏电池的输出电压，对比调整输出电压之后的电池功率变化情况决定控制器

下一步动作，控制原理简单且易于硬件实现，对传感器精度和响应速度的要求不高，比较适用于工况变化缓慢的场合。在稳态情况下，扰动观察法由于没有判稳条件，可能会导致光伏电池工作点的小幅振荡，降低了系统的稳态性能，并造成功率损失。

变步长扰动观察法是对扰动观察法的改进方案，当检测到相邻采样周期的功率变化幅度较大时增大扰动步长进行跟踪，功率变化幅度较小时减小扰动步长，通过对扰动步长大小的控制实现快速平稳跟踪。

电导增量法是通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号的，它基于电路理论中最大功率传输定理，计算最大功率点的理论值，这种方法精度高，扰动小，而且控制系统具有较好的动态特性，它可以结合许多先进控制理论进行应用，但是算法复杂，计算量较大，对硬件的要求尤其是对传感器精度要求比较高。基于目前传感器和微处理器频繁更新，性能不断增强，所以用电导增量法实现最大功率点跟踪控制的前景比较乐观。

控制器的设计：

采用基于电流闭环的矢量控制策略时，为了实现并网逆变器输出交流的无静差控制，根据参考坐标系选择的不同，其控制设计主要分为基于同步旋转坐标系以及基于静止坐标系的两种结构的控制设计。对于基于同步旋转坐标系的控制设计而言，主要是利用坐标变换将静止坐标系中的交流量变换成同步坐标系下的直流量，可采用PI调节器即可实现交流电流的无静差控制。而对于基于静止坐标系的控制设计而言，PI调节器已不能实现交流电流的无静差控制，这时可采用那个PR调节器。

如图5所示：本发明所述拓补电路结构的电压跌落期间的无功补偿方法包括以下步骤：

(1)大功率光伏逆变器通常具有无功调节能力，特别是当电网电压跌落时，需要对电网进行无功补偿，设U为光伏并网点电压(0.2≤U≤0.9pu)，逆变器输出的额定电流为i_N，有功电流和无功电流分别为i_d和i_q。根据并网准则对电压跌落与无功电流关系的要求，设光伏电站在电压跌落到90％以下时，电压每跌落1％，至少提供x％无功电流，即无功电流为：i_q≥x(0.9-U)i_N

根据网侧电流不能超过额定电流的1.1倍的规定，则有：

因此有：

又由于x＞0，0.2≤U≤0.9,因此有x≤1.571，

若i_d＝1，则x≤0.655，即i_d＝1时，最大允许提供0.655％的无功电流，若要多提供无功电流，就要减少i_d；

(2)当逆变器额定运行时，可以发出的无功电流最大为i_q＝0.46pu，若规定每1％的电压跌落提供1.5％的无功电流，在不降低i_d的情况下，最大可以允许跌落的程度为(0.9-0.46/1.5)≈0.593pu，即跌落到59.3％以下时，若要满足并网要求，就必须降低有功电流的输出i_d，跌落程度在59.3％以上时，可以不降低有功电流输出，输出电流的1.1倍裕度可以保证其满足并网要求，当电压跌落程度越大时，需要提供的无功电流就越多，则有功电流需要降低程度就越大。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。