具有集群调节器的三相群微逆变器系统及控制方法

摘要

本发明公开了具有集群调节器的三相群微逆变器系统及控制方法，通过设置固定群和自由群微逆变器，实现对并网微逆变器的灵活控制，同时使成本降低；集群调节器采用粒子群算法作为功率算法，调节功率平衡，降低功率损耗；采用两级分布式控制，各微逆变器间通过本地通信网络交换信息，集群调节器不需要对每一个微逆变器投切进行控制，减小了长距离通信以及成本消耗，当各相输入功率变化时，投切自由群微逆变器子群可以保证微逆变器整体工作效率，该方法易于实现，有效的解决光伏电池阵列光照不平衡及个别损坏等问题对整体电流输出造成的不利影响。

说明书

技术领域

本发明涉及具有集群调节器的三相群微逆变器系统及控制方法。

背景技术

太阳能是干净无污染且取之不尽、用之不竭、随处可得的能源，在化石能源逐渐短缺的 今天，选择太阳能作为替代能源是解决能源危机的有效途径之一。光伏发电系统一般采用微 逆变器作为直流-交流的转换工具。

工程实践中，光伏电池不宜过多的串联或并联，所以大部分光伏系统采用多台微逆变器 并联，取代一台大型逆变器，且每台微逆变器连接一个光伏电池阵列可以改善光伏电池阵列 光照不均、个别故障等对整体电网的不利影响。三相并网时，传统的方法是每相均采用相同 数目、结构相同的微逆变器，较容易地实现功率平衡，但当各相外部条件不同时，容易导致 某相中的微逆变器闲置过多。

多微逆变器并网系统中，若微逆变器固定平均分配于电网三相中，虽然容易控制，但是 微逆变器的利用率受到限制，拓扑不够灵活；若微逆变器均可自由工作于电网任意相中，会 使得控制成本过高；因此急需提出一种新的太阳能三相微逆变器系统及其控制方法，降低功 率损耗，提高微逆变器的工作效率。

发明内容

本发明提出具有集群调节器的三相群微逆变器系统及控制方法，其目的在于，克服上述 现有技术的不足，通过设置固定群和自由群微逆变器，利用集群调节器进行控制，保证三相 功率平衡，降低功率损耗，提高微逆变器工作效率。

具有集群调节器的太阳能光伏三相群微逆变器系统，包括集群调节器、微逆变器群、通 信电路模块及检测电路模块，微逆变器群的直流输入端和交流输出端均与检测电路模块相连， 检测电路模块的输出端与集群调节器相连，集群调节器通过通信模块与自由群微逆变器群相 连；

所述微逆变器群包括4组单相微逆变器，分为固定群微逆变器和自由群微逆变器；其中 三组单相微逆变器即A相微逆变器组、B相微逆变器组和C相微逆变器组构成固定群微逆变 器，另一组为自由群微逆变器；微逆变器群中每个单相微逆变器的直流端与一个光伏电池阵 列输出端相连；

每个固定群微逆变器中单相微逆变器的数量相同，A相固定群中每个单相微逆变器的交 流端与电网A相相连，B相固定群中每个单相微逆变器的交流端与电网B相相连，C相固定 群中每个单相微逆变器的交流端与电网C相相连；

自由群微逆变器中每个单相微逆变器的交流端通过选择控制开关与电网任一项相连，自 由群微逆变器中每个单相微逆变器之间通过通信电路单元相连；

自由群微逆变器自行组成1～3个子群，子群群组拓扑具有动态性；自由群微逆变器根据 每相需要补充的功率数自行在A、B及C三相排队，每相子群中向集群调节器发送功率信息 并被读取的微逆变器作为节点，当队列中微逆变器的功率总数达到该相需求时，节点微逆变 器停止排队并向集群调节器发出组群完成信息，集群调节器确认组群。

所述微逆变器群中的每个单相微逆变器均采用交错反激式结构。

所述微逆变器群中的每个单相微逆变器还包括控制单元、检测电路单元及通信电路单元；

自由群微逆变器中的单相微逆变器通过各自的通信电路单元进行基于令牌机制的电力载 波通信。

具有集群调节器的太阳能光伏三相群微逆变器系统的控制方法，采用所述的具有集群调 节器的太阳能光伏三相群微逆变器系统，采用两级分布式控制，通过集群调节器采用粒子群 算法作为功率优化算法计算得到的计算各相平衡时的输出功率及损耗功率，控制自由群微逆 变器群中各相子群微逆变器的输出功率，调节三相功率平衡，降低功率损耗；

所述两级分布式控制包括高层控制和底层控制，其中高层控制是指通过集群调节器依据 固定群微逆变器中各相固定群的输出功率选择自由群微逆变器中子群分别并入电网三相；

底层控制指各单相微逆变器内部的控制算法和单相微逆变器间组成的通信网络；单相微 逆变器内部的控制算法包括工作效率控制，还包括现有技术中的MPPT控制、均流控制、电 流环控制及锁相环（PLL）控制；单相微逆变器间组成的通信网络指自由群微逆变器中各单 相微逆变器通过各自的通信单元进行相互通信，获取各自的输出功率和工作状态，依据集群 调节器发出的各相固定群微逆变器的输出功率进行自由组合，构建自由群微逆变器子群。

各单相微逆变器的工作效率控制过程如下：

步骤1：各单相微逆变器采集与本身相连的光伏电池阵列的输出电压作为输入电压；

步骤2：通过计算各单相微逆变器输入电压与设定电压U_min的比值，判断各单相微逆变 器的工作效率；

步骤3：重新确定微逆变器投切情况。当单相微逆变器输入电压低于U_min时，若微逆变 器处于投入状态即已并入电网工作，则自行停止工作并切断与电网的连接，若微逆变器已处 于切断状态，则保持现状；当单相微逆变器输入电压高于U_min时，若微逆变器处于切断状态， 则自行开始工作并接入电网，若微逆变器已处于投入状态，则保持现状。

所述集群调节器采用粒子群算法作为功率优化算法，计算各相平衡时的输出功率及损耗 功率，其中，粒子群算法的目标函数，即适应值函数为T，以T达到最小值作为控制目标：

T=k₁P_cost+k₂ΔP_s

其中，P_cost为功率损耗：P_cost=(P_inA+P_inB+P_inC)-(P_outA+P_outB+P_outC)，ΔP_s为三相平衡表达 式：ΔP_s=(P_outA-P_outB)²+(P_outB-P_outC)²+(P_outC-P_outA)²，为A相微逆变器的输出 功率总和，为B相微逆变器的输出功率总和，为C相微逆变器 的输出功率总和，为A相微逆变器的输入功率总和，为B相微逆变 器的输入功率总和，为C相微逆变器的输入功率总和，k₁、k₂分别为P_cost和ΔP_s的系数，0<k₁<k₂<1；

粒子群算法模型如下：

v_i(t)=wv_i(t-1)+c₁r₁(p_i-x_i(t-1))+c₂r₂(p_g-x_i(t-1))    （1）

x_i(t)=v_i(t)+x_i(t-1)    （2）

式中，x_i为粒子位置；v_i为粒子飞行速度；w为惯性权重；c₁，c₂为加速度系数；r₁，r₂为在[0，1]范围变化的随机数；p_i为个体最优粒子的位置；p_g为全局最优粒子的位置；

以P_outA、P_outB、P_outC和P_inA、P_inB、P_inC构成的六维空间作为粒子的位置搜索空间，粒子 种群个数为N，迭代次数为M；

随机初始化种群粒子位置及飞行速度，令w=0.9、c₁=c₂=0.5；比较粒子当前位置和该粒子 所经历过最好位置p_i的适应值，若粒子当前位置的适应值小于个体最好位置p_i的适应值，则 以当前粒子位置替换p_i；比较个体最优粒子位置p_i和全局最优粒子位置p_g的适应值，若p_i的适应值小于p_g的适应值，则把p_i赋予p_g；依据公式（1）和公式（2）重新计算粒子位置和 速度，若达到迭代终止条件或者迭代次数，则停止迭代，当前解即为最优解迭代其中， 终止条件为：

$\frac{{|{\overrightarrow{x}}_i-{\overrightarrow{x}}_{i-1}|}_{\max }}{\left|{\overrightarrow{x}}_i\right|}<A$

为粒子间最大距离，A为给定粒子距离差百分比标准，取A=0.05。

所述单相微逆变器为200W。

有益效果

本发明提供了具有集群调节器的三相群微逆变器系统及控制方法，通过设置固定群和自 由群微逆变器，实现对并网微逆变器的灵活控制，同时使成本降低；利用集群调节器采用粒 子群算法作为功率算法，调节功率平衡，降低功率损耗；采用两级分布式控制，各微逆变器 间通过本地通信网络交换信息，集群调节器不需要对每一个微逆变器投切进行控制，减小了 长距离通信以及成本消耗，当各相输入功率变化时，投切自由群微逆变器子群可以保证微逆 变器整体工作效率，该方法易于实现，有效的解决光伏电池阵列光照不平衡及个别损坏等问 题对整体电流输出造成的不利影响。

附图说明

图1为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统结构示意图；

图2为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统自由群结构示意图；

图3为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统集群调节器对A、B、C三相的控制示意图；

图4为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统自由群微逆变器本地通信及动态组群示意 图；

图5为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统固定群和自由群工作示意图；

图6为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统控制流程图；

图7为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统交错反激式微逆变器结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统结构示意图。如图所示，一种具有集群调 节器的太阳能光伏三相群微逆变器系统（100），包括集群调节器（103）、微逆变器群、通信 电路模块及检测电路模块，微逆变器群的直流输入端和交流输出端均与检测电路模块相连， 检测信号输入集群调节器，集群调节器通过通信模块与自由群微逆变器群相连；

所述微逆变器群包括4组单相微逆变器，用于将光伏电池阵列105产生的直流电转换为 交流电，分为固定群微逆变器和自由群微逆变器；其中三组单相微逆变器其中三组单相微逆 变器即A相微逆变器组、B相微逆变器组和C相微逆变器组构成固定群微逆变器，另一组为 自由群微逆变器；微逆变器群中每个单相微逆变器的直流端与一个光伏电池阵列（105）输出 端相连；

每个固定群中单相微逆变器的数量相同，A相固定群中每个单相微逆变器的交流端与电 网（101）A相相连，B相固定群中每个单相微逆变器的交流端与电网（101）B相相连，C 相固定群中每个单相微逆变器的交流端与电网（101）C相相连；

自由群微逆变器中每个单相微逆变器的交流端通过选择开关与电网任一项相连，自由群 微逆变器中每个单相微逆变器之间通过通信电路相连。

每个单相微逆变器均采用交错反激式结构，如图7所示，交错反激变换电路进行直流-直 流变换，逆变桥进行直流-交流变换，交流电输入电网。

集群调节器（103），用于调节三相功率平衡，降低功率损耗。

固定群微逆变器（102）分为A相、B相及C相3个固定群102和自由群104，固定群中 的微逆变器数目较多，地理位置分布自由灵活，由用户自行决定安装位置，自由群中的微逆 变器数目较少，其地理位置集中，统一部署在光照条件良好的地方。固定群固定工作于A、B、 C三相，每个固定群所含的微逆变器数目相等，数目由用户需求决定，可从数十个到上千个 不等，而自由群中的微逆变器可自行组成1～3个子群，其交流端动态的与电网中的某一相相 连，并不固定，由集群调节器103决定自由群子群工作于哪一相。

例如：若每个微逆变器额定输出功率为200W，用户需求为每相4kW，固定群可设每相 20个微逆变器，考虑到不是每个微逆变器都工作在额定情况下，可另设自由群中有30个微 逆变器。

图2为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统自由群结构示意图。如图所示，每相中包 括多个自由微逆变器，不同时间每相自由群子群含有的微逆变器数目可能不同，它们的输出 端与固定群并联，其输出最终输入电网（101）。

相邻的几个自由群微逆变器间形成本地通信网络，根据自身输出功率、三相输出功率差 异和功率损耗变化情况，A相自由群子群（1041）中自由微逆变器1、自由微逆变器2和自 由微逆变器3形成一个可以弥补A相功率不足的子群，通过集群调节器的子群分配，它们工 作于A相。若A相需要补偿800W功率，A相自由群子群（1041）中的自由微逆变器1、自 由微逆变器2和自由微逆变器3总输出只有600W，不足以补偿A相功率，而自由微逆变器 n输出功率为200W，安装位置靠近以上三个微逆变器，则微逆变器n也可与它们形成子群， 共同工作于A相。若A相不需要自由微逆变器n，而B相需要200W功率补偿，则它将与其 他微逆变器组成B相自由群子群（1042）后工作于B相。

每个自由微逆变器均可工作于A相，B相或C相，而实际每相中都可能有自由群子群在 工作，也可能某几相没有自由群子群在工作，且并不是每个自由微逆变器都工作，这取决于 输入功率的大小和功率是否平衡等因素。

不论是自由群还是固定群，每个微逆变器还应包括控制单元（1046）、检测电路单元（1045） 和通信电路单元（1044），控制单元（1046）并非集群调节器，而是各单相微逆变器孤岛效应、 均流控制等的控制中心，该控制单元控制各微逆变器工作效率，且自由群微逆变器的控制电 路单元接收来自集群调节器的控制指令，通过通信电路单元收集相邻微逆变器输入功率及输 出功率息，控制微逆变器间的本地通信。

图3为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统集群调节器对A、B及C三相的控制示意 图。如图所示，A相微逆变器群（301）、B相微逆变器群（302）、C相微逆变器群（303）均 为各相固定群和自由群子群的集合。集群调节器（103）通过通信模块采集各相输入电压、输 出电压、输入电流及输出电流，计算三相输入功率及输出功率，并在此基础上判断目前三相 的功率平衡状况和功率损耗状况，同时向电网中的自由群发出投切指令，由自由群补充固定 群的不足，最终平衡三相功率，减小功率损耗。

太阳能光伏三相群微逆变器系统采用两级分布式控制策略对微逆变器进行控制，底层控 制是各微逆变器内部的控制单元自由群微逆变器间的通讯实现，高层控制是集群调节器对微 逆变器的控制网络。自由群微逆变器间的通信网络含有很多全局节点，自由群每个微逆变器 均可作为节点，但每个自发形成的群组中只有一个最先向集群调节器发送功率信息并被读取 的微逆变器作为节点，集群调节器通过这些全局节点控制微逆变器子群。所以集群调节器不 需要获得微逆变器间的通信信息，也不需要对每一个微逆变器进行控制，只需要从节点获得 自由群微逆变器工作状态、输出功率等信息，对已经自动组群的微逆变器群组进行并网投切 控制即可。

集群调节器对三相群微逆变器系统的控制与调节采用的是粒子群算法。

整个系统还包括检测电路模块（1031）和通信电路模块（1032），检测电路模块用于向群 集调节器提供各相输入电压、输出电压、输入电流及输出电流，通信电路模块用于群集调节 器向外部发出控制指令。如图所示，检测电路和通信电路连接于微逆变器和集群调节器之间， 属于共用电路。

图4为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统自由群微逆变器本地通信及动态组群示意 图。如图所示，以4个微逆变器为例，为确保集群调节器的控制信息都到达每个微逆变器， 微逆变器之间的本地通信很重要，自由群微逆变器之间采用基于令牌机制的电力载波通信。 自由群微逆变器通过提供各自输出功率、运行信息和集群调节器输出的每相需补偿的功率值， 自动进行组群，由于微逆变器自由群拓扑随着上述条件的变化而变化，所以微逆变器之间的 通信网络随时间不同而变化，微逆变器之间的组群拓扑是动态的；其中运行信息是指单项微 逆变器工作与否。如图4（a）中微逆变器4正在向微逆变器3发送功率和运行信息，图4（b） 中微逆变器4正在向微逆变器2和微逆变器3发送功率和运行信息，图4（c）中微逆变器4 与微逆变器3互相发送功率和运行信息；图4（a）中微逆变器1和微逆变器2组合，图4（b） 中微逆变器2和微逆变器3组合，图4（c）中微逆变器1、微逆变器2和微逆变器3组合。

每个群组工作于三相电网中的哪一相由集群调节器根据三相功率平衡状况和功率损耗状 况综合控制。微逆变器间的通信属于二级分布式控制的底层控制，底层通信不受高层控制影 响。微逆变器不需要与其它每一个微逆变器或高层控制网络都进行通信，只需通过与其临近 的微逆变器进行运行状况比较即可。

微逆变器i是否能收到集群调节器的控制信号或者其他微逆变器的功率和运行信息，取决 于微逆变器i所处群组通信网络的当前拓扑，所以每个自发形成的群组中均有一个最先向集 群调节器发送功率信息并被读取的微逆变器作为全局节点，直接收集群调节器的控制信号。

图5为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统固定群和自由群工作示意图。如图所示， 假设A相固定群（1021）中的四个光伏电池阵列（灰色部分）由于光照不均或故障等原因导 致该相输出功率减小，从而有可能造成三相功率不平衡，此时自由群（104）中子群A的四 个微逆变器在集群调节器的控制下投入A相电网，弥补A相输出的不足。同时，B相固定群 （1022）和C相固定群（1023）的不足也由自由群（104）中的子群B和子群C来弥补。当 下一个控制周期到来时，这些分别用于补充A、B、C三相固定群的微逆变器可能转向工作于 其他两相，或者不工作。

图6（a）为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统各微逆变器工作效率的控制流程图。 如图所示，该方法包括：

执行步骤a601，各单相微逆变器采集与本身相连的光伏电池阵列的输出电压作为输入电 压；；

执行步骤a602，通过计算各单相微逆变器输入电压与设定电压U_min的比值，判断各单相 微逆变器的工作效率，U_min=20V；

执行步骤a603，重新确定微逆变器投切情况。当单相微逆变器输入电压低于U_min时，若 微逆变器处于投入状态即已并入电网工作，则自行停止工作并切断与电网的连接，若微逆变 器已处于切断状态，则保持现状；当单相微逆变器输入电压高于U_min时，若微逆变器处于切 断状态，则自行开始工作并接入电网，若微逆变器已处于投入状态，则保持现状。

图6（b）为本发明太阳能光伏三相群微逆变器系统功率调节控制及并网流程图。如图所 示，该方法包括：

执行步骤b601，微逆变器转换电路将光伏电池阵列产生的直流电转换为交流电；

执行步骤b602，集群调节器根据粒子群算法计算结果和自由群自组群情况确认每相自由 群子群的微逆变器数目；

执行步骤b603，集群调节器将自由群的子群分别投入电网三相；

执行步骤b604，将多个微逆变器输出的交流电合并后输入各相电网。

图6（b）中，集群调节器采用粒子群算法作为功率优化算法，计算三相平衡时，各相的 最低损耗功率，实现三相功率平衡和功率损耗最低的目标。

在确定目标函数T=k₁P_cost+k₂ΔP_s，k₁=0.4，k₂=0.6的前提下，首先设置群数量N=30， 迭代次数M=60，惯性权重w=0.9、加速系数c₁=c₂=0.5，然后根据适应值函数

v_i(t)=wv_i(t-1)+c₁r₁(p_i-x_i(t-1))+c₂r₂(p_g-x_i(t-1))

x_i(t)=v_i(t)+x_i(t-1)

读取粒子速度v_i和位置x_i，比较个体最优粒子的位置p_i和全局最优粒子的位置p_g的值并 进行迭代，最后按（取A=0.05）判断是否找到最优解若是，则输出最优解，否则继续 迭代计算直到达到最大迭代次数。

迭代获得最优输入输出功率后，集群调节器把系 统当前输入输出功率与进行比较，得到差值然后结合自由群微逆变器反馈的功率信 息，确定需要投入每相的自由群子群，并向子群中的全局节点微逆变器发出指令，指令通过 本地通信网络传向其他微逆变器，各群组中其余的微逆变器相应动作，投入对应A、B、C相 电网，配合完成三相功率平衡、功率损耗最低的控制目标。例如：若A相固定群输出功率减 小600W，导致三相功率不平衡，集群调节器向自由群发送该信息后，自由群中有3个输出 功率为200W的微逆变器组成一个子群并反馈给集群调节器，集群调节器确认并把这三个自 由群微逆变器投入A相电网，从而弥补了A相不足。