專利名稱：三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器及其控制方法。
技術(shù)背景
隨著人們生活水平的提高和社會(huì)的技術(shù)進(jìn)步，電能成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜仨氁蕾?的能源。然而煤、石油等一次能源日漸減少，而且人們在應(yīng)用他們的同時(shí)，也對環(huán)境造成巨 大的污染。解決能源問題的根本辦法是開發(fā)環(huán)保型的可再生能源，其中太陽能發(fā)電就是其 中重要的發(fā)展方向。
可再生能源可以分為兩大應(yīng)用領(lǐng)域一是大型并網(wǎng)發(fā)電站，另一是小型用戶側(cè)自 發(fā)電自用場合。針對這兩大應(yīng)用場合，目前大部分商業(yè)化光伏逆變器產(chǎn)品主要分為兩種類 型一種是大功率光伏并網(wǎng)逆變器，應(yīng)用于大型光伏發(fā)電站，主要帶三相電機(jī)等平衡負(fù)載， 因此采用三相三線制接線方式即可；另一種是小型單相光伏逆變器，給小型家庭用戶使用， 帶電燈、家用電器等單相負(fù)載。除此以外，太陽能還有一類應(yīng)用場合，功率在10-30kW之間， 比如一個(gè)小區(qū)內(nèi)3-5個(gè)家庭用戶共同出資建設(shè)使用的小型光伏發(fā)電站，既需要帶電機(jī)、水 泵類三相平衡負(fù)載，同時(shí)也需要帶照明、加熱、家用電器等單相負(fù)載，從負(fù)載的角度來說，需 要采取三相四線制接線方式。
太陽能發(fā)電領(lǐng)域，光伏并網(wǎng)逆變器是核心設(shè)備，它在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)將太陽能板發(fā)出 的直流電能逆變成與電網(wǎng)一致的交流電能并入電網(wǎng)中。它一方面是發(fā)電設(shè)備，同時(shí)也是電 氣系統(tǒng)中非常重要的用電電氣設(shè)備。出于安全的考慮，目前供電系統(tǒng)大都是TN-S型電氣系 統(tǒng)，要求在用戶側(cè)的零線與地線是分立的兩根線，電氣設(shè)備外殼等不帶電部分必須可靠接 地，同時(shí)避免隱形電氣事故。從電氣安全的角度來說，逆變器也需要采取三相四線制接線方 式。
目前常用的三相逆變器總體來說有兩大類兩電平和多電平(以三電平常見)。而 二電平逆變器要實(shí)現(xiàn)三相四線制接線有兩種方式一是三橋臂、由母線電容電壓分裂引出 中性線；二是采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)，多用二個(gè)開關(guān)管構(gòu)建第四個(gè)橋臂，由它引出中性線，并 模擬中性點(diǎn)電壓輸出。第一種方法使得直流母線電壓利用率降低，第二種方法多用兩只開 關(guān)管成本提高，且控制方法較復(fù)雜。
近年來，二極管箝位式電壓型三電平逆變器應(yīng)用越來越廣泛，與二電平相比，有以 下優(yōu)勢1、輸出電平數(shù)多一個(gè)，在相同開關(guān)頻率條件下，較傳統(tǒng)二電平諧波含量大大減少，改善 了輸出電壓波形，進(jìn)而可以使用較小數(shù)值的輸出濾波器，體積減小、成本降低；2、開關(guān)管較二電平逆變器承受一半的直流母線電壓，開關(guān)應(yīng)力減小，因此可以選用額 定電壓為一半的開關(guān)管，比如600V的IGBT較1200V具有更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通壓降；3、據(jù)kmikon研究報(bào)告，三電平逆變器單個(gè)橋臂總損耗較二電平低60%；損耗低、散熱 器體積小、成本下降，單個(gè)橋臂較二電平低25%。
4、最為關(guān)鍵的一點(diǎn)是三電平結(jié)構(gòu)逆變器較二電平逆變器在三相四線制應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因?yàn)樗旧砭蛶в蟹至训哪妇€電容和中性點(diǎn)，可以直接引出做為中性線。
目前的技術(shù)研究和專利對三相三線制和單相光伏逆變器研究的很多，而對三相四 線制光伏并網(wǎng)逆變器研究的很少。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的一種三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器及其控制方法，區(qū)別于傳統(tǒng) 三相三線三電平逆變器在于多了一條中性線，構(gòu)成三相四線制供電系統(tǒng)，該逆變器既可以 接對稱平衡三相負(fù)載，也可以接單相負(fù)載。在提高供電系統(tǒng)安全性的同時(shí)，也拓寬了光伏逆 變器的應(yīng)用領(lǐng)域。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器，該逆變 器的正負(fù)極連接作為輸入源的太陽能板，該逆變器包含電路連接的濾波電容、升壓電路、三 相四線逆變電路、濾波電路、控制器。
濾波電容對太陽能板輸入的電壓進(jìn)行濾波，升壓電路將輸入電壓升壓為直流母線 電壓作為后級(jí)逆變電路的輸入電壓，三相四線逆變電路將母線電壓逆變?yōu)槿嚯妷?，濾波 電路對三相電壓進(jìn)行濾波后，輸出到電網(wǎng)，控制器檢測太陽能板的電壓及輸出電流、電網(wǎng)三 相電壓及三相四線逆變電路輸出的三相電流，控制器內(nèi)部的升壓變換器和逆變控制器分別 生成升壓電路和三相四線逆變電路的驅(qū)動(dòng)脈沖，控制整個(gè)逆變器的工作。
所述的濾波電容并接于太陽能板PV兩端。
所述的升壓電路包含電路連接的電感、二極管、開關(guān)管，還包含反向并聯(lián)在開關(guān)管 兩端的二極管。
所述的三相四線逆變電路包含并聯(lián)在直流母線兩端的電容電路和三相橋臂。
所述的電容電路包含串聯(lián)的第一電解電容和第二電解電容。
所述的三相橋臂中的每相橋臂分別包含若干串聯(lián)的開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管的兩端都 反相并聯(lián)一個(gè)二極管，每相橋臂還包含若干箝位二極管，所述的箝位二極管串聯(lián)后并聯(lián)在 上半部分開關(guān)管和下半部分開關(guān)管之間。
由每相橋臂的中點(diǎn)引出三個(gè)相線，每相橋臂的中點(diǎn)與電容電路的中點(diǎn)相連，引出 中性線。
所述的濾波電路包含三路濾波分路，每路濾波分路都包含電路連接的電阻R和電 感L。
由三相四線逆變電路輸出的三個(gè)相線分別經(jīng)過濾波電路的三路濾波分路進(jìn)行濾 波后，接入三相電網(wǎng)，三相四線逆變電路輸出的中性線接入電網(wǎng)的中性點(diǎn)。
本發(fā)明還提供一種三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，該控制方法包 含以下步驟步驟1、控制器測量得到太陽能板的輸入電壓Vpv、電流IPV，采用最大功率追蹤方法，得 到太陽能板應(yīng)工作的輸出電壓點(diǎn)，以此作為升壓變換器的輸入。
步驟2、控制器101中的升壓變換器根據(jù)輸入的直流電壓Vpv及要輸出的直流母線 參考電壓 ,計(jì)算占空比D，控制 器101輸出占空比為D的PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)升壓電路工作；占空比D與輸入電壓Vpv和輸出電壓的關(guān)系為-Jic =Vpv/ (I-D)。
步驟3、計(jì)算d軸參考電流& ；步驟3. 1、直流母線參考電壓與返回的實(shí)時(shí)母線電壓Vdc作差，得到誤差eVDC
權(quán)利要求
1.一種三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器，該逆變器的正負(fù)極連接作為輸入源的太陽 能板(PV)，其特征在于，該逆變器包含電路連接的濾波電容、升壓電路、三相四線逆變電路、 濾波電路、控制器(101);所述的三相四線逆變電路包含并聯(lián)在直流母線兩端的電容電路和三相橋臂；所述的三相四線逆變電路中的電容電路包含串聯(lián)的第一電解電容(C1)和第二電解電 容(C2),兩端電壓分別為(Vdc;1、Vd。2)，流過第一電解電容(C1)和第二電解電容(C2)的電流分 別為(id。i、idc2)；所述的三相四線逆變電路中的三相橋臂中的每相橋臂分別包含若干串聯(lián)的開關(guān)管，每 個(gè)開關(guān)管的兩端都反相并聯(lián)一個(gè)二極管，每相橋臂還包含若干箝位二極管，所述的箝位二 極管串聯(lián)后并聯(lián)在上半部分開關(guān)管和下半部分開關(guān)管之間；由每相橋臂的中點(diǎn)引出(A、B、C)三個(gè)相線，每相橋臂的中點(diǎn)與電容電路的中點(diǎn)相連，引 出中性線，由三相四線逆變電路輸出的(A、B、C)三個(gè)相線分別經(jīng)過濾波電路的三路濾波分 路進(jìn)行濾波后，接入三相電網(wǎng)(e^e^e。)，三相四線逆變電路輸出的中性線接入電網(wǎng)的中性 點(diǎn)ο
2.如權(quán)利要求1所述的三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述的濾波 電容并接于太陽能板(PV)兩端，采用電解電容(Cb)。
3.如權(quán)利要求1所述的三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述的升壓 電路包含電路連接的電感(Lb)、二極管(Db)、開關(guān)管(Tb)，還包含反向并聯(lián)在開關(guān)管(Tb)兩 端的二極管(Db。)。
4.如權(quán)利要求1所述的三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述的濾波 電路包含三路濾波分路，每路濾波分路都包含電路連接的電阻(R)和電感(L)。
5.一種三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于，該控制方法包含 以下步驟步驟1、控制器(101)測量得到太陽能板(PV)的輸入電壓(vPV)、電流(IPV)，采用最大功 率追蹤MPPT方法，得到太陽能板(PV)應(yīng)工作的輸出電壓點(diǎn)，以此作為升壓變換器的輸入；步驟2、控制器(101)中的升壓變換器根據(jù)輸入的直流電壓(Vpv)及要輸出的直流母線參考電壓(^；)，計(jì)算占空比(D)，控制器(101)輸出占空比為(D)的PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)升壓電路工作；占空比(D)與輸入電壓(Vpv)和輸出電壓(V0c )的關(guān)系為 ; =Vpv/ (I-D)；步驟3、計(jì)算d軸參考電流q ；步驟4、計(jì)算q軸電流參考值^ ；步驟5、采用母線電壓平衡控制方法，產(chǎn)生0軸電流參考值Q步驟6、控制器(101)返回電網(wǎng)三相電壓(ea、eb、e。)、三相四線逆變電路輸出的電流三
6.如權(quán)利要求5所述的三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于， 所述的步驟1中，MPPT方法采用爬山法步驟1. 1、得到前一步中太陽能板的參數(shù)工作電壓Vpvi，輸出功率Ppvi，步長AV ； 步驟1.2、得到當(dāng)前太陽能板的參數(shù)工作電壓Vpv2= VPV1± AV，輸出功率Ppv2; 步驟1.3、判斷PPV2> Ppvi是否成立，若是，則下一步的太陽能板工作電壓Vpv3=VPV2± Δ V，若否，則下一步的太陽能板工作電壓Vpv3= Vpv2iAV ；步驟1. 4、返回步驟1. 1，下一步重復(fù)前一步的動(dòng)作。
7.如權(quán)利要求8所述的三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于， 所述的步驟3包含以下步驟步驟3. 1、直流母線參考電壓^^與返回的實(shí)時(shí)母線電壓Vdc作差，得到誤差eVDC:
8.如權(quán)利要求5所述的三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于， 所述的步驟4包含以下步驟步驟4. 1、若根據(jù)逆變器電路給定的要發(fā)出的無功功率Q計(jì)算，則跳轉(zhuǎn)到步驟4. 2，若根 據(jù)功率因數(shù)cos Φ計(jì)算，則跳轉(zhuǎn)到步驟4. 3 ；步驟4. 2、根據(jù)dq軸系電路瞬時(shí)無功功率定義
9.如權(quán)利要求5所述的三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于， 所述的步驟5包含以下步驟步驟5. 1、根據(jù)逆變器電路中的平衡點(diǎn)N，列電流平衡方程
10.如權(quán)利要求5所述的三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于， 所述的步驟9包含以下步驟步驟9. 1、根據(jù)三電平三橋臂各開關(guān)狀態(tài)，得到空間電壓矢量； 步驟9. 2、應(yīng)用“矢量遷移法”將原點(diǎn)0發(fā)出的矢量遷移為其他選定點(diǎn)始發(fā)的矢量； 步驟9. ·3、采用全部由負(fù)小矢量首發(fā)的PWM脈沖產(chǎn)生方式，確定矢量發(fā)送順序，計(jì)算各 脈沖作用時(shí)間；步驟9. 4、計(jì)算各矢量作用時(shí)間；步驟9. 5、控制器(101)根據(jù)要發(fā)的矢量順序以及計(jì)算所得的各矢量作用時(shí)間輸出所 需的三電平PWM脈沖。
全文摘要
一種三相四線制三電平光伏并網(wǎng)逆變器及其控制方法，濾波電容對太陽能板輸入的電壓進(jìn)行濾波，升壓電路將輸入電壓升壓為直流母線電壓作為后級(jí)逆變電路的輸入電壓，三相四線逆變電路將母線電壓逆變?yōu)槿嚯妷海瑸V波電路對三相電壓進(jìn)行濾波后，輸出到電網(wǎng)，控制器檢測太陽能板的電壓及輸出電流、電網(wǎng)三相電壓及三相四線逆變電路輸出的三相電流，控制器101內(nèi)部的升壓變換器和逆變控制器分別生成升壓電路和三相四線逆變電路的驅(qū)動(dòng)脈沖，控制整個(gè)逆變器的工作。本發(fā)明在于多了一條中性線，構(gòu)成三相四線制供電系統(tǒng)，該逆變器既可以接對稱平衡三相負(fù)載，也可以接單相負(fù)載。在提高供電系統(tǒng)安全性的同時(shí)，也拓寬了光伏逆變器的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102035423SQ201010537638
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者卞松江, 鄭洪濤 申請人:上海兆能電力電子技術(shù)有限公司