本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其涉及一種光伏并網(wǎng)逆變器。

背景技術(shù)：

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)，是指當(dāng)光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，光伏陣列能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)。國(guó)家電網(wǎng)公司起草的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定(試行)》中明確對(duì)大中型光伏電站在電網(wǎng)故障時(shí)的LVRT能力作出了要求并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)由于投入運(yùn)行的光伏電站容量還比較小，光伏系統(tǒng)的滲透功率還較低，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障使并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，光伏電站退出運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響還比較小，但隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)容量的逐漸擴(kuò)大，滲透功率提高，低壓脫網(wǎng)給系統(tǒng)造成的影響已不容小覷，所以應(yīng)當(dāng)重視光伏電站低電壓穿越技術(shù)的研究。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中已有類似的事故發(fā)生。2011年2月24日凌晨，甘肅酒泉地區(qū)一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)單條饋線故障波及該地區(qū)11個(gè)風(fēng)場(chǎng)并引發(fā)風(fēng)電機(jī)群大規(guī)模脫網(wǎng)事故，事故的原因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)群不具備低電壓穿越能力、無(wú)功補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)能力差、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理有缺陷?？梢?jiàn)低電壓穿越技術(shù)對(duì)分布式新能源發(fā)電并入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)的影響之大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種光伏并網(wǎng)逆變器。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：

本發(fā)明由MPPT、控制器、PV陣列、濾波器、電網(wǎng)、電壓電流檢測(cè)模塊和拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)組成，所述PV陣列通過(guò)電容與所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)連接，所述PV陣列的信號(hào)輸出端通過(guò)所述MPPT與所述控制器的信號(hào)輸入端連接，所述控制器的輸出端與所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)組成，所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)與所述濾波器連接，所述濾波器通過(guò)所述電網(wǎng)與所述電壓電流檢測(cè)電路的輸入端連接，所述電壓電流檢測(cè)的輸出端與所述控制器的信號(hào)輸入端連接。

進(jìn)一步，所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)由六個(gè)三極管、六個(gè)二極管、三個(gè)電感、三個(gè)電阻和三個(gè)模擬電網(wǎng)電源組成，所述三極管集電極與二極管的負(fù)極連接，所述三極管的發(fā)射極與所述二極管的正極連接，構(gòu)成三相橋臂上的開(kāi)關(guān)器件，所述電感、電阻和所述模擬電網(wǎng)串聯(lián)。

本發(fā)明所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)的電壓跌落期間的無(wú)功補(bǔ)償方法包括以下步驟：

(1)大功率光伏逆變器通常具有無(wú)功調(diào)節(jié)能力，特別是當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，設(shè)U為光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓(0.2≤U≤0.9pu)，逆變器輸出的額定電流為i_N，有功電流和無(wú)功電流分別為i_d和i_q。根據(jù)并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)電壓跌落與無(wú)功電流關(guān)系的要求，設(shè)光伏電站在電壓跌落到90％以下時(shí)，電壓每跌落1％，至少提供x％無(wú)功電流，即無(wú)功電流為：i_q≥x(0.9-U)i_N

根據(jù)網(wǎng)側(cè)電流不能超過(guò)額定電流的1.1倍的規(guī)定，則有：

因此有：

又由于x＞0，0.2≤U≤0.9,因此有x≤1.571，

若i_d＝1，則x≤0.655，即i_d＝1時(shí)，最大允許提供0.655％的無(wú)功電流，若要多提供無(wú)功電流，就要減少i_d；

(2)當(dāng)逆變器額定運(yùn)行時(shí)，可以發(fā)出的無(wú)功電流最大為i_q＝0.46pu，若規(guī)定每1％的電壓跌落提供1.5％的無(wú)功電流，在不降低i_d的情況下，最大可以允許跌落的程度為(0.9-0.46/1.5)≈0.593pu，即跌落到59.3％以下時(shí)，若要滿足并網(wǎng)要求，就必須降低有功電流的輸出i_d，跌落程度在59.3％以上時(shí)，可以不降低有功電流輸出，輸出電流的1.1倍裕度可以保證其滿足并網(wǎng)要求，當(dāng)電壓跌落程度越大時(shí)，需要提供的無(wú)功電流就越多，則有功電流需要降低程度就越大。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明是一種光伏并網(wǎng)逆變器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在深入研究光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型和不對(duì)稱電網(wǎng)下光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略的基礎(chǔ)上，擬采用一種新型鎖相技術(shù)和非線性控制策略來(lái)改善光伏并網(wǎng)逆變器的性能，在合理的無(wú)功補(bǔ)償基礎(chǔ)上，完善其低電壓穿越的能力。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明的逆變器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系圖；

圖4是本發(fā)明的光伏組件特性曲線圖；

圖5是本發(fā)明的控制流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示：本發(fā)明由MPPT、控制器、PV陣列、濾波器、電網(wǎng)、電壓電流檢測(cè)模塊和拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)組成，所述PV陣列通過(guò)電容與所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)連接，所述PV陣列的信號(hào)輸出端通過(guò)所述MPPT與所述控制器的信號(hào)輸入端連接，所述控制器的輸出端與所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)組成，所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)與所述濾波器連接，所述濾波器通過(guò)所述電網(wǎng)與所述電壓電流檢測(cè)電路的輸入端連接，所述電壓電流檢測(cè)的輸出端與所述控制器的信號(hào)輸入端連接。根據(jù)直流側(cè)輸入電源性質(zhì)的不同，可將光伏并網(wǎng)逆變器分為電流源式和電壓源式，考慮到電流源式逆變器為保證提供穩(wěn)定的電流需要在直流側(cè)串入一大電感，這勢(shì)必會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)前者常用于獨(dú)立發(fā)電模式，后者常用于并網(wǎng)發(fā)電模式，三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中主要包含MPPT，控制器，電壓電流檢測(cè)等模塊，其中控制器是實(shí)現(xiàn)三相光伏并網(wǎng)的核心。

進(jìn)一步，所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)由六個(gè)三極管、六個(gè)二極管、三個(gè)電感、三個(gè)電阻和三個(gè)模擬電網(wǎng)電源組成，所述三極管集電極與二極管的負(fù)極連接，所述三極管的發(fā)射極與所述二極管的正極連接，構(gòu)成三相橋臂上的開(kāi)關(guān)器件，所述電感、電阻和所述模擬電網(wǎng)串聯(lián)。

采用的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如2，該逆變器為單級(jí)式，PV為光伏陣列，輸出電流i_PV，C1為直流側(cè)穩(wěn)壓電容，T1～T6分別是三相橋臂上的開(kāi)關(guān)器件，L1、L2、L3為交流側(cè)的濾波電感，e_a、e_b、e_c為模擬電網(wǎng)電源。

如圖3所示：三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

并網(wǎng)逆變器的控制策略是光伏并網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵。光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的控制目標(biāo)是控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量正弦波，同時(shí)保證并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，典型的控制策略是通過(guò)控制逆變器輸出電流的相位和幅值實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率控制。按照并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式分類，輸出交流側(cè)穩(wěn)態(tài)的矢量關(guān)系如圖3所示。

考慮到穩(wěn)態(tài)時(shí)|I|不變，則|U_L|＝ωL|I|保持不變，此時(shí)并網(wǎng)系統(tǒng)交流側(cè)電壓矢量的端點(diǎn)形成一個(gè)以矢量E端點(diǎn)為圓心和以U_L為半徑的圓。故通過(guò)控制系統(tǒng)輸出電壓矢量的相位和幅值即可控制并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流矢量的相位和幅值。

由圖1中所的矢量圖分析可得相應(yīng)的矢量關(guān)系：

U＝U_L+E

并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)控制的基本原理可以概括為：首先根據(jù)并網(wǎng)控制給定的有功、無(wú)功功率指令以及電網(wǎng)電壓矢量，計(jì)算出所需的輸出電流矢量I；再由式(1)并結(jié)合U_L＝j(luò)ωLI計(jì)算出交流側(cè)的電壓指令U，得到U＝E+jωLI；最后通過(guò)PWM控制使并網(wǎng)逆變器交流側(cè)輸出所需電壓矢量，按上述方法進(jìn)行并網(wǎng)電流的控制。

光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏電池的輸出電壓與電流存在很強(qiáng)的非線性關(guān)系，而且輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載特性等的影響。圖4為光伏模塊在某光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載特性下輸出電壓u_PV、電流i_PV、功率P_PV的特性關(guān)系曲線，可以看出當(dāng)光伏模塊運(yùn)行在A點(diǎn)時(shí)輸出功率最大，A點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為光伏模塊運(yùn)行在最大功率點(diǎn)時(shí)的輸出電流i_m。為了最大限度地利用太陽(yáng)能，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需應(yīng)用最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum PowerPoint Tracking,MPPT)控制技術(shù)使其輸出特性位于最大功率點(diǎn)附近。

傳統(tǒng)的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法主要有恒定電壓法(Constant Voltage

Tracking，CVT)，擾動(dòng)觀察法(Perturbation and Observation method，P&O)，電導(dǎo)增量法(Incremental Conductance，INC)。近來(lái)，隨著模糊控制理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的不斷發(fā)展和完善，智能控制方法在最大功率點(diǎn)跟蹤控制領(lǐng)域也開(kāi)始起到一定作用，比如模糊邏輯控制算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和復(fù)合智能控制算法。

恒定電壓控制策略就是一種近似最大功率點(diǎn)跟蹤控制，恒定電壓法利用一定的穩(wěn)壓手段，控制光伏電池的輸出電壓穩(wěn)定在V_m附近，使系統(tǒng)始終工作在V_m下，這種控制方式可以簡(jiǎn)化整個(gè)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有非常好的穩(wěn)態(tài)特性，適用于光照變化較大溫度變化不大的情況下，

但溫度變化較大時(shí)精確度較差。

擾動(dòng)觀察法也是目前實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的常用方法，擾動(dòng)觀察法原理是主動(dòng)調(diào)整光伏電池的輸出電壓，對(duì)比調(diào)整輸出電壓之后的電池功率變化情況決定控制器

下一步動(dòng)作，控制原理簡(jiǎn)單且易于硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)傳感器精度和響應(yīng)速度的要求不高，比較適用于工況變化緩慢的場(chǎng)合。在穩(wěn)態(tài)情況下，擾動(dòng)觀察法由于沒(méi)有判穩(wěn)條件，可能會(huì)導(dǎo)致光伏電池工作點(diǎn)的小幅振蕩，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，并造成功率損失。

變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法是對(duì)擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)方案，當(dāng)檢測(cè)到相鄰采樣周期的功率變化幅度較大時(shí)增大擾動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)行跟蹤，功率變化幅度較小時(shí)減小擾動(dòng)步長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)擾動(dòng)步長(zhǎng)大小的控制實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)跟蹤。

電導(dǎo)增量法是通過(guò)比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬時(shí)電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)的，它基于電路理論中最大功率傳輸定理，計(jì)算最大功率點(diǎn)的理論值，這種方法精度高，擾動(dòng)小，而且控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，它可以結(jié)合許多先進(jìn)控制理論進(jìn)行應(yīng)用，但是算法復(fù)雜，計(jì)算量較大，對(duì)硬件的要求尤其是對(duì)傳感器精度要求比較高?；谀壳皞鞲衅骱臀⑻幚砥黝l繁更新，性能不斷增強(qiáng)，所以用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的前景比較樂(lè)觀。

控制器的設(shè)計(jì)：

采用基于電流閉環(huán)的矢量控制策略時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器輸出交流的無(wú)靜差控制，根據(jù)參考坐標(biāo)系選擇的不同，其控制設(shè)計(jì)主要分為基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以及基于靜止坐標(biāo)系的兩種結(jié)構(gòu)的控制設(shè)計(jì)。對(duì)于基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制設(shè)計(jì)而言，主要是利用坐標(biāo)變換將靜止坐標(biāo)系中的交流量變換成同步坐標(biāo)系下的直流量，可采用PI調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)交流電流的無(wú)靜差控制。而對(duì)于基于靜止坐標(biāo)系的控制設(shè)計(jì)而言，PI調(diào)節(jié)器已不能實(shí)現(xiàn)交流電流的無(wú)靜差控制，這時(shí)可采用那個(gè)PR調(diào)節(jié)器。

如圖5所示：本發(fā)明所述拓補(bǔ)電路結(jié)構(gòu)的電壓跌落期間的無(wú)功補(bǔ)償方法包括以下步驟：

(1)大功率光伏逆變器通常具有無(wú)功調(diào)節(jié)能力，特別是當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，設(shè)U為光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓(0.2≤U≤0.9pu)，逆變器輸出的額定電流為i_N，有功電流和無(wú)功電流分別為i_d和i_q。根據(jù)并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)電壓跌落與無(wú)功電流關(guān)系的要求，設(shè)光伏電站在電壓跌落到90％以下時(shí)，電壓每跌落1％，至少提供x％無(wú)功電流，即無(wú)功電流為：i_q≥x(0.9-U)i_N

根據(jù)網(wǎng)側(cè)電流不能超過(guò)額定電流的1.1倍的規(guī)定，則有：

因此有：

又由于x＞0，0.2≤U≤0.9,因此有x≤1.571，

若i_d＝1，則x≤0.655，即i_d＝1時(shí)，最大允許提供0.655％的無(wú)功電流，若要多提供無(wú)功電流，就要減少i_d；

(2)當(dāng)逆變器額定運(yùn)行時(shí)，可以發(fā)出的無(wú)功電流最大為i_q＝0.46pu，若規(guī)定每1％的電壓跌落提供1.5％的無(wú)功電流，在不降低i_d的情況下，最大可以允許跌落的程度為(0.9-0.46/1.5)≈0.593pu，即跌落到59.3％以下時(shí)，若要滿足并網(wǎng)要求，就必須降低有功電流的輸出i_d，跌落程度在59.3％以上時(shí)，可以不降低有功電流輸出，輸出電流的1.1倍裕度可以保證其滿足并網(wǎng)要求，當(dāng)電壓跌落程度越大時(shí)，需要提供的無(wú)功電流就越多，則有功電流需要降低程度就越大。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。