专利名称：基于副边参考电流重构的光伏微逆变器、控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及基于副边参考电流重构的光伏微逆变器、控制系统和方法。
背景技术：
世界能源需求的不断增长使得可再生能源的利用，尤其是光伏发电，正逐渐受到越来越多的青睐。近年来，光伏建筑集成系统和微电网系统的广泛接受与深入研究进一步增强了光伏发电系统的实用性，同时，也将人们的目光吸引到了微逆变器上，即单个光伏组件和逆变器集成在一起直接馈送交流电流到公用电网。相对于传统的集中式光伏并网逆变器，微逆变器具有单块组件最大功率点跟踪、低直流电压、扩展灵活、即插即用等优点。向电网注入高品质的同频同相正弦交流电流、对光伏组件进行高效的最大功率点跟踪以及实现高效、高性价比和高可靠性是光伏微逆变器所追求的目标。目前，基于反激变换器和换流桥构建的拓扑被认为是微逆变器最适合的解决方案。因为一方面反激变换器工作在电流连续导电模式时，开关管承受的峰值电流较低，从而允许使用更低电流定额的功率器件，另一方面变压器不完全去磁，有助于降低磁滞损耗，系统整体效率较高。同时还可采用高频调制技术，能够在一定程度上减小高频变压器体积的影响。在现有的技术中，为了保证交流模块向电网注入高质量的同相正弦交流电流，主要采用并网电流直接控制和间接控制原边电流两种控制方法。并网电流直接控制方式中，最大功率点追踪器根据光伏组件的状态计算出并网电流幅值，利用单相锁相环方法计算出电网相位，二者相乘作为并网电流参考值，采样并网电流进行反馈控制，实现并网电流以一定的精度跟踪参考值。但是，反激变换器在连续导电模式下控制至输出电流的传递函数中存在的右半s平面零点，不仅限制了系统带宽，而且影响了控制器对输出并网电流的跟踪性能。而间接控制原边电流控制方案中，原边电流到输出并网电流使用开环控制，通过对原边电流的控制实现对并网电流的控制，从而在根本上杜绝了对并网电流直接控制的缺陷，但双内环的控制结构不仅增加了控制系统的复杂性，消耗更多的控制器资源，而且不利于系统稳定。
发明内容
本发明提供了基于副边参考电流重构的光伏微逆变器、控制系统和方法，其目的在于，通过基于副边参考电流重构原边参考电流，以副边电流作为控制目标，在一定程度上降低总谐波畸变，改善电能质量。基于副边参考电流重构的光伏微逆变器，包括直流侧电容Cpv (301)、交错并联反激电路(302 )、H换流桥(303 )和输出滤波器(304 );直流侧电容Cpv与光伏电池并联；用于对直流侧二次纹波功率进行缓冲；交错并联反激电路包括第一变压器Tl、第二变压器T2、功率MOSFET管SPV1、SPV2，及电力二极管Dratl和Drert2 ;用于实现光伏并网微逆变器的输出电流波形控制和光伏电池最大功率点跟踪；输出滤波器包括滤波电容CgHd和滤波电感LgHd ；H换流桥包括晶闸管Sael、Sae2和MOSFET管Qael、Qae2，Sacl和Qael构成正向换流桥臂，Sacl的负极与滤波电感L-d —端相连，滤波电感LgHd另一端和Qacl的D极与电网相连；Sac;2和Qae2构成负向换流桥臂，Qae2的D极与滤波电感LgHd的一端相连，滤波电感LgHd另一端和Sac2的负极与电网相连；Sac;1和Sae2的正极与Drertl的负极相接，Qacl和Qae2的S极均与第一变压器Tl和第二变压器T2副边绕组的第二端相接；Sacl的负极和Qaca的D极接输出滤波器的输入侧，Sae2的负极和Qae2的D极接输出滤波器的输入侧，输出滤波器的输出侧与电网GgHd相接；第一反向阻断型功率开关Spvi的S极接光伏电池的负极，第一反向阻断型功率开关Spvi的D极通过第一变压器Tl的原边接光伏电池的正极；第二反向阻断型功率开关Spv2的S极接光伏电池的负极，第二反向阻断型功率开关Spv2的D极通过第二变压器T2的原边接光伏电池的正极；第一变压器Tl的副边绕组的第一端接Dratl的正极，Dratl的负极接Sael和Sae2的正极；第二变压器T2的副边绕组的第一端接Drert2的正极，Drect2的负极与Dratl的负极相连；MOSFET管Qael和Qae2的S极以及第一变压器Tl和第二变压器T2副边绕组的第二端短接在一起；Cgrid接于Sacl的负极和Sac2的负极之间；Lgrid的一端接Sael的负极，Lgrid的另一端与Sae2的负极接入到电网中。基于副边参考电流重构的光伏微逆变器控制系统，包括所述的基于副边参考电流重构的光伏微逆变器，还包括直流电压和电流采样模块、驱动电路、副边脉冲电流采样模块、交流采样和锁相模块及信号处理单元；所述直流电压采样模块的输入端分别与所述光伏电池的正极和负极相接，输出端与信号处理单元相连；用于采集光伏电池的电压；交流采样和锁相模块和所述电网相接；用于检测公用电网电压的幅值，计算公用电网相角，其中V#id是被交流采样和锁相模块进行处理后的电压幅值；原边脉冲电流采样模块与第一变压器和第二变压器的原边绕组的第一端均相连；用于检测高频变压器原边电流；驱动电路的2个输出端分别与功率开关管Spvi和Spv2的G极相连；用于向原边绕组开关管提供开通或关断的驱动信号；信号处理单元包括MPPT控制器、原边参考电流重构器、状态机、均流控制器以及并网电流控制器；原边参考电流重构器与所述直流电压和电流采样模块和交流采样和锁相模块均相接；用于根据光伏组件输出电压、公用电网电压幅值和相角以及最大功率点跟踪器提供的副边参考电流幅值重构出原边参考电流。基于副边参考电流重构的光伏微逆变器控制方法，采用所述的基于副边电流重构的光伏微逆变器控制系统，基于副边电流重构的光伏微逆变器控制方法，以副边电流幅值为控制目标，用副边参考电流重构原边参考电流，通过对原边开关管的高频控制，即通过并网电流峰值计算得到开关管占空比的主控制量D，叠加通过均流控制器得到的附加控制量
A D后经调制器输出脉冲信号控制Spvi和Spv2的通断，使得副边电流保持为(-|sin(ty/)|，实现
对交错反激光伏并网微逆变器中并网电流的控制。所述控制方法具体步骤如下:步骤1:在每个控制周期利用直流电压和电流采样模块检测光伏电池输出电压Vpv,利用交流采样和锁相模块检测公用电网电压幅值Vg ；步骤2:采用单相锁相环计算当前电网电压相位角度0 ；光伏并网微逆变器的锁相环PLL采用了对电网电压的过零检测，检测出当前电网电压相位角度Q ( 9 = t)；步骤3:初始化计数器A为0，对MPPT计数器A加I，接着对MPPT计数器A进行判断，若MPPT计数器A达到设定值M，则MPPT执行周期到，进行MPPT控制，MPPT即MaximumPower Point Tracking是最大功率点跟踪,执行步骤4,否则,执行步骤5 ;所述步骤3中MPPT控制器执行频率为I 10Hz，结合选用的控制器主频，利用控制器主频除以MPPT控制器的操作执行频率得到值P，设定MPPT计数器的计数值M, M=l/P ；步骤4:利用最大功率点跟踪法计算副边参考电流幅值< ;最大功率点跟踪 法:是以光伏电池的平均输出电压和平均输出电流为输入，参考并网电流峰值为它的输出；步骤5:原边参考电流重构器基于副边参考电流重构原边参考电流/
权利要求
1.基于副边参考电流重构的光伏微逆变器，其特征在于，包括直流侧电容CPV(301)、交错并联反激电路(302 )、H换流桥(303 )和输出滤波器(304); 直流侧电容Cpv与光伏电池并联；用于对直流侧二次纹波功率进行缓冲；写入说明书交错并联反激电路包括第一变压器Tl、第二变压器T2、功率MOSFET管SPV1、SPV2，及电力二极管 Dratl 和 Drat2 ； 输出滤波器包括滤波电容CgHd和滤波电感L#id ； H换流桥包括晶闸管Sael、Sae2和MOSFET管Qael、Qac2, Sacl和Qael构成正向换流桥臂，Sacl的负极与滤波电感L#id —端相连，滤波电感L#id另一端和Qacl的D极与电网相连；Sac;2和Qac^构成负向换流桥臂，Qac;2的D极与滤波电感LgHd的一端相连，滤波电感L#id另一端和Sae2的负极与电网相连；Sac;1和Sac;2的正极与Drertl的负极相接，Qacl和Qac;2的S极均与第一变压器Tl和第二变压器T2副边绕组的第二端相接； Sacl的负极和Qacl的D极接输出滤波器的输入侧，Sac2的负极和Qae2的D极接输出滤波器的输入侧，输出滤波器的输出侧与电网GgHd相接； 第一反向阻断型功率开关SpvJ^ S极接光伏电池的负极，第一反向阻断型功率开关Spvi的D极通过第一变压器Tl的原边接光伏电池的正极；第二反向阻断型功率开关Spv2的S极接光伏电池的负极，第二反向阻断型功率开关Spv2的D极通过第二变压器T2的原边接光伏电池的正极； 第一变压器Tl的副边绕组的第一端接D_tl的正极，Dratl的负极接Sacl和Sac2的正极；第二变压器T2的副边绕组的第一端接Drat2的正极，Drect2的负极与Dratl的负极相连；MOSFET管Qael和Qae2的S极以及第一变压器Tl和第二变压器T2副边绕组的第二端短接在一起； Cgrid接于Saca的负极和Sae2的负极之间； Lgrid的一端接Saca的负极，Lgrid的另一端与Sae2的负极接入到电网中。
2.基于副边参考电流重构的光伏微逆变器控制系统，其特征在于，包括权利要求1所述的基于副边参考电流重构的微逆变器，还包括直流电压和电流采样模块、驱动电路、副边脉冲电流采样模块、交流采样和锁相模块及信号处理单元； 所述直流电压采样模块的输入端分别与所述光伏电池的正极和负极相接，输出端与信号处理单元相连； 交流采样和锁相模块和所述电网相接； 原边脉冲电流采样模块与第一变压器和第二变压器的原边绕组的第一端均相连； 驱动电路的2个输出端分别与功率开关管Spvi和Spv2的G极相连； 信号处理单元包括MPPT控制器、原边参考电流重构器、状态机、均流控制器以及并网电流控制器； 原边参考电流重构器与所述直流电压和电流采样模块和交流采样和锁相模块均相接。
3.基于副边参考电流重构的光伏微逆变器控制方法，其特征在于，采用权利要求2所述的基于副边电流重构的光伏微逆变器控制系统，基于副边电流重构的交错反激光伏并网微逆变器控制方法，以副边电流幅值为控制目标，用副边参考电流重构原边参考电流，通过对原边开关管的高频控制，即通过并网电流峰值计算得到开关管占空比的主控制量D，叠加通过均流控制器得到的附加控制量A D后经调制器输出脉冲信号控制Spvi和Spv2的通断，使得副边电流保持为On(ftV)|，实现对交错反激光伏并网微逆变器中并网电流的控制。
4.根据权利要求3所述的基于副边参考电流重构的光伏微逆变器控制方法，其特征在于，所述控制方法具体步骤如下: 步骤1:在每个控制周期利用直流电压和电流采样模块检测光伏电池输出电压Vpv，利用交流采样和锁相模块检测公用电网电压幅值Vg ； 步骤2:采用单相锁相环计算当前电网电压相位角度0 ； 步骤3:初始化计数器A为O，对MPPT计数器A加I，接着对MPPT计数器A进行判断，若MPPT计数器A达到设定值M，则MPPT执行周期到，进行MPPT控制，MPPT即Maximum PowerPoint Tracking是最大功率点跟踪，执行步 骤4，否则，执行步骤5 ； 所述步骤3中MPPT控制器执行频率为I 10Hz，结合选用的控制器主频，利用控制器主频除以MPPT控制器的操作执行频率得到值P，设定MPPT计数器的计数值M, M=l/P ； 步骤4:利用最大功率点跟踪法计算副边参考电流幅值/:; 最大功率点跟踪法:是以光伏电池的平均输出电压和平均输出电流为输入，参考并网电流峰值为它的输出； 步骤5:原边参考电流重构器基于副边参考电流重构原边参考电流/
5.根据权利要求4所述的基于副边参考电流重构的光伏微逆变器控制方法，其特征在于，所述的步骤7中并网电流方向判别及控制步骤如下: 步骤1:如果电网相位角度9进入过零区间[a，@ ]，关闭功率开关Spvi和Spv2以及当前导通的换流桥臂中晶闸管的驱动信号，并进入等待切换到另一组桥臂导通的状态； 步骤2:检测电网是否存在电压过零信号，若存在电压过零信号，关闭当前导通的换流桥臂中的MOSFET管； 步骤3:如果电网相位角度已经离开过零区间[a，P ]，则进入步骤4 ;否则直接退出并网电流方向控制；步骤4:对并网电流状态是否处于第一、第二象限进行判断，若是，则将当前并网电流切换到第三、第四象限；否则，将并网电流切换到第一、第二象限。
6.根据权利要求5所述的基于副边参考电流重构的光伏微逆变器控制方法，其特征在于，所述过零区间[a，0]依据所选用的换流晶闸管的开关性能设置，其中，a取决于并网电流下降时间和所选用晶闸管的关断延时，所设置的a要保证并网电流下降到零后电网过零前当前已开通换流桥臂的晶闸管能可靠关断，参照选用的晶闸管数据手册中的关断延时设置，在晶闸管关断延时标准上延长5% 10%; P取决于所选用晶闸管的反向阻断恢复延时以及硬件过零检测的灵敏度，所设置的P要保证电网可靠过零后即将开通的换流桥臂能够安全开通，参照选用的晶闸管数据手册中的正向阻断恢复时间设置，在晶闸管正向阻断恢复时间标准上延 长5% 10%。
全文摘要
本发明公开了基于副边参考电流重构的光伏微逆变器、控制系统和方法，采用基于副边参考电流重构的交错反激光伏并网微逆变器的拓扑结构，控制系统包括基于副边参考电流重构的交错反激光伏并网微逆变器，直流电压和电流采样模块、驱动电路、副边脉冲电流采样模块、交流采样和锁相模块及信号处理单元，本发明提出的控制方法是一种更接近并网电流直接控制的间接控制方法，采用基于副边参考电流重构的原边参考电流控制反激变换器原边开关管的通断，既有效避免了直接控制方法中控制响应迟钝、跟踪精度不高等问题，也能够保证输出电流与公用电网电压同频同相，大幅度降低并网电流总谐波畸变，改善输出电能质量。
文档编号H02M3/335GK103208939SQ201310138509
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者孙尧, 王海龙, 粟梅, 曾丽娟, 杨建 申请人:江西中能电气科技有限公司