一种降低光伏并网逆变器中开关损耗的控制系统及方法

摘要

一种降低光伏并网逆变器中开关损耗的控制系统及方法，该系统包括光伏并网逆变器，光伏并网逆变器输入端和光伏组件的输出端连接，光伏并网逆变器的输出端通过LC滤波电路和电网连接，光伏并网逆变器的输出端同时连接有检测电路，用于检测光伏并网逆变器的输出功率值，检测电路的输出端与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端连接光伏并网逆变器；检测电路将检测到的输出功率值传送给控制单元，由其进行处理，然后输出控制信号来控制光伏并网逆变器中开关管的开关状态；本发明还提供了该系统的控制方法；通过对光伏逆变器输出功率的检测控制开关器件的开关频率，降低开关损耗提高电感利用率，以达到在提高整机效率和轻载时改善总谐波畸变率的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏并网逆变器技术领域，具体涉及一种降低光伏并网逆变 器中开关损耗的控制系统及方法。

背景技术

现有光伏逆变器的控制一般采用SPWM调制策略、SVPWM调制策略或 降低开关损耗的VSVPWM调制策略。其中SPWM调制策略和SVPWM调制 策略中逆变器在整个运行中的开关载波频率不发生变化，所以在逆变器轻载 时，这两种调制策略下逆变器轻载时开关损耗较大。逆变器中的电感一般使 用铁粉芯类，该类电感的电感量与所流经电流的大小成反比，即电感量会随 着电流的增大而减小，或随着电流的减小而增大。在进行逆变器设计时，为 了使逆变器的满载电流变化率达到标准要求，电感量的设计一般按照逆变器 满载的情况进行设计的。而在逆变器处于轻载时，电感设置值相对逆变器轻 载情况下的电感值较大，所以逆变器在非满载工况下的电感值较大，电感的 利用率较低。而降低开关损耗的VSVPWM调制策略，在逆变器整个运行过程 中，开关管只在一段时间段内开关保持不变，其它时间段内开关管的频率是 变化的，从而达到降低损耗的目的，但该调制策略使逆变器输出电流的低次 谐波量较大，输出总谐波畸变率变差。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种降低光伏并网逆变 器中开关损耗的控制系统及方法，通过对光伏逆变器输出功率的检测控制开 关器件的开关频率，降低开关损耗提高电感利用率，在不影响输出总谐波畸 变率的情况下，达到提高整机效率的目的。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种降低光伏并网逆变器中开关损耗的控制系统，包括光伏并网逆变器， 所述光伏并网逆变器的输入端和光伏组件的输出端连接，所述光伏并网逆变 器的输出端通过LC滤波电路和电网相连接，所述光伏并网逆变器的输出端同 时连接有检测电路，用于检测光伏并网逆变器的输出功率值，所述检测电路 的输出端与控制单元的输入端相连接，所述控制单元的输出端连接光伏并网 逆变器；所述检测电路将检测到的输出功率值传送给控制单元，由控制单元 进行处理，然后输出控制信号来控制光伏并网逆变器中开关管的开关状态。

上述所述控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据光伏并网逆变器效率及总谐波畸变率的要求将光伏并网逆变 器的输出功率划分为N个功率段，同时给各功率段设定相应的开关载波频率 值，制作输出功率和开关载波频率值相对应的配置表，如下表1所示；

表1

对表1的说明：

当光伏并网逆变器的输出功率划分为两个功率段，即(0,1/2P_N)和(1/2P_N， P_N)，则逆变器的开载波频率对应各功率段的频率分别为1/2f_N和f_N，即当逆变 器的输出功率0≤P<1/2P_N时，则光伏并网逆变器的开关载波频率为1/2f_N，当 逆变器的输出功率1/2P_N≤P<P_N时，逆变器的开关载波频率为f_N。

当光伏并网逆变器的输出功率划分为三个功率段，即(0,1/3P_N)， (1/3P_N,2/3P_N)(2/3P_N，P_N)时，则光伏并网逆变器的开载波频率对应各功率 段的频率分别为1/3f_N，2/3f_N，f_N，即当逆变器的输出功率0≤P<1/3P_N时，逆 变器的开关载波频率为1/3f_N，当逆变器的输出功率1/3P_N≤P<2/3P_N时，逆变 器的开关载波频率为2/3f_N，当逆变器的输出功率2/3P_N≤P<P_N时，逆变器的 开关载波频率为f_N。

当光伏并网逆变器输出功率划分为n个功率段，即(0,1/nP_N)， (1/nP_N,2/nP_N)……((n-1)/nP_N，P_N)，则逆变器的开载波频率对应各功率 段的频率分别为1/nf_N，2/nf_N，……，(n-1)/nf_N，f_N，即当逆变器的输出功 率0≤P<1/nP_N时，逆变器的开关载波频率为1/nf_N，当逆变器的输出功率 1/nP_N≤P<2/nP_N时，逆变器的开关载波频率为2/nf_N，后面各功率段的开关频 率依次类推，直到当逆变器的输出功率(n-1)/nP_N≤P<P_N时，逆变器的开关载 波频率为f_N。

步骤2：检测电路检测光伏并网逆变器的输出功率；

步骤3：检测电路将检测到的输出功率值传送给控制单元，控制单元根据 步骤1中的配置表，根据功率值选择对应的开关载波频率值；

步骤4：控制单元根据选定的开关载波频率值给开关管发出相应的频率的 驱动信号来控制开关管的导通。

本发明主要利用电感量与负载、损耗与开关频率之间的关系，改变发波 调制策略。对光伏逆变器输出功率进行检测，根据逆变器输出功率值选择相 对应的开关载波频率值，使逆变器在不同的输出功率下，逆变器的开关载波 频率与之相匹配，最终达到减小开关管损耗的目的；另外，根据电感量与电 流的反比关系的特性，当逆变器的功率减小时，逆变器的开关载波频率相应 的跟着减小，这种调整使得电感上的电压保持不变，从而使电感在不 同的输出功率情况下均可得到充分利用。

附图说明

图1为本发明控制系统结构示意图。

图2为本发明控制方法流程图。

图3为实施例1逆变器在不同输出功率情况下开关管驱动波形及电感电 流的波形。

图4为实施例2逆变器在不同输出功率情况下开关管驱动波形及电感电 流的波形。

图5为实施例3逆变器在不同输出功率情况下开关管驱动波形及电感电 流的波形。

图6为逆变器电感量与输出电流的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种降低光伏并网逆变器中开关损耗的控制系统， 包括光伏并网逆变器，所述光伏并网逆变器的输入端和光伏组件的输出端连 接，所述光伏并网逆变器的输出端通过LC滤波电路和电网相连接，所述光伏 并网逆变器的输出端同时连接有检测电路，用于检测光伏并网逆变器的输出 功率值，所述检测电路的输出端与控制单元的输入端相连接，所述控制单元 的输出端连接光伏并网逆变器；所述检测电路将检测到的输出功率值传送给 控制单元，由控制单元进行处理，然后输出控制信号来控制光伏并网逆变器 中开关管的开关状态。

如图2所示为采用图1所示控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据光伏并网逆变器效率及总谐波畸变率的要求将光伏并网逆变 器的输出功率划分为N个功率段，同时给各功率段设定相应的开关载波频率 值，制作输出功率和开关载波频率值相对应的配置表，如下表1所示；

表1

步骤2：检测电路检测光伏并网逆变器的输出功率；

步骤3：检测电路将检测到的输出功率值传送给控制单元，控制单元根据 步骤1中的配置表，根据功率值选择对应的开关载波频率值；

步骤4：控制单元根据选定的开关载波频率值给开关管发出相应的频率的 驱动信号来控制开关管的导通。

逆变器输出功率与开关载波频率的关系：

当输出功率为P时，载波频率f_s与输出功率对应的关系为：

$f_s=\frac{P}{P_N}·f_N(P\le P_N)---\left(1\right)$

其中：P_N：输出额定功率，f_N额定功率时对应的载波开关频率；

上面(1)式描述了逆变器输出功率与逆变器开关管载波频率的线性关系， 在实际中，数字电路为了实现的方便可以采用分段的方法来实现，这样可以 使得控制简单便于实现；当开关管的载波频率划分为很多的频率段时，可以 近似的认为是线性变化的。例如：

载波频率分为两段：当逆变器的输出功率为1/2P_N≤P≤P_N时，开关管的载波频 率为f_N，当逆变器的输出功率为0≤P＜1/2P_N时，开关管的载波频率为1/2f_N；

逆变器的输出功率分为其它数量段时，各功率段对应的开关载波频率的 计算方法与两段时类似。

三段：(P_N 2/3P_N 1/3P_N)→(f_N 2/3f_N 1/3f_N)

四段：(P_N 3/4P_N 2/4P_N 1/4P_N)→(f_N 3/4f_N 2/4f_N 1/4f_N)

……

n段：$\left(\begin{array}{ccccc}{P}_N& \frac{n-1}{n}{P}_N& ···& \frac{2}{n}{P}_N& \frac{1}{2}{P}_N\end{array}\right)\to \left(\begin{array}{ccccc}{f}_N& \frac{n-1}{n}{f}_N& ···& \frac{2}{n}{f}_N& \frac{1}{2}{f}_N\end{array}\right)$

实施例1

逆变器的输出功率划分为两个功率段，即(0,1/2P_N)和(1/2P_N，P_N)， 则逆变器的开载波频率对应各功率段的频率分别为1/2f_N和f_N，即当逆变器的 输出功率0≤P<1/2P_N时，逆变器的开关载波频率为1/2f_N，当逆变器的输出功 率1/2P_N≤P<P_N时，逆变器的开关载波频率为f_N。

如图3所示，为逆变器在不同输出功率情况下开关管驱动波形及电感电 流的波形。图中：

I₁：为逆变器的输出功率为1/2P_N≤P<P_N时，电感电流波形

I₂：为逆变器的输出功率为0≤P<1/2P_N时，电感电流波形

D₁：为逆变器的输出功率为1/2P_N≤P<P_N时，逆变器中开关管的驱动波 形

D₂：为逆变器的输出功率为0≤P<1/2P_N时，逆变器中开关管的驱动波形

从图3可以看出，当逆变器的输出功率大于1/2P_N时，开关管的驱动波形 为D₁,当逆变器的输出功率小于1/2P_N时，开关管的驱动波形为D₂，其中D2 波形的频率是D₁波形频率的一半，所以逆变器在轻载时的开关损耗是满载时 的一半，根据逆变器的输出功率的不同改变开关管的载波频率，可有效减小 开关损耗。I₁和I₂为不同功率下的电感电流的波形，电感电流I₂的频率是电 感电流I₁频率的一半，但是两个电流波形中电流的变化量相同，所以最终逆 变器的输出纹波电压是相同的，从而使电感在轻载时得到了充分利用。

实施例2

逆变器输出功率划分为三个功率段，即(0,1/3P_N)，(1/3P_N,2/3P_N)(2/3P_N， P_N)时，则光伏并网逆变器的开载波频率对应各功率段的频率分别为1/3f_N， 2/3f_N，f_N，即当逆变器的输出功率0≤P<1/3P_N时，逆变器的开关载波频率为 1/3f_N，当逆变器的输出功率1/3P_N≤P<2/3P_N时，逆变器的开关载波频率为2/3 f_N，当逆变器的输出功率2/3P_N≤P<P_N时，逆变器的开关载波频率为f_N。

如图4所示，为逆变器在不同输出功率情况下开关管驱动波形及电感电 流的波形。图中：

I₁：为逆变器的输出功率为2/3P_N≤P<P_N时，电感电流波形

I₂：为逆变器的输出功率为1/3P_N≤P<2/3P_N时，电感电流波形

I₃：为逆变器的输出功率为0≤P<1/3P_N时，电感电流波形

D₁：为逆变器的输出功率为2/3P_N≤P<P_N时，逆变器中开关管的驱动波 形

D₂：为逆变器的输出功率为1/3P_N≤P<2/3P_N时，逆变器中开关管的驱动 波形

D₂：为逆变器的输出功率为0≤P<1/3P_N时，逆变器中开关管的驱动波形

实施例3

逆变器输出功率划分为n个功率段，即(0,1/nP_N)，(1/nP_N,2/nP_N)…… ((n-1)/nP_N，P_N)，则逆变器的开载波频率对应各功率段的频率分别为1/nf_N， 2/nf_N，……，(n-1)/nf_N，f_N，即当逆变器的输出功率0≤P<1/nP_N时，逆变 器的开关载波频率为1/nf_N，当逆变器的输出功率1/nP_N≤P<2/nP_N时，逆变器 的开关载波频率为2/nf_N，后面各功率段的开关频率依次类推，直到当逆变器 的输出功率(n-1)/nP_N≤P<P_N时，逆变器的开关载波频率为f_N。

如图5所示，为逆变器在不同输出功率情况下开关管驱动波形及电感电 流的波形。图中：

I₁：为逆变器的输出功率为(n-1)/nP_N≤P<P_N时，电感电流波形

I₂：为逆变器的输出功率为(n-2)/nP_N≤P<(n-1)/nP_N时，电感电流波形

.................

I_N：为逆变器的输出功率为0≤P<1/nP_N时，电感电流波形

D₁：为逆变器的输出功率为(n-1)/nP_N≤P<P_N时，逆变器中开关管的驱动 波形

D₂：为逆变器的输出功率为(n-2)/nP_N≤P<(n-1)/nP_N时，逆变器中开关管 的驱动波形

...................

Dn：为逆变器的输出功率为0≤P<1/nP_N时，逆变器中开关管的驱动波形

如图6所示，为逆变器电感量与输出电流的关系曲线图。电感量随着输 出电流的增大而减小。因此，在输出电流较小的情况下，电抗器感量较大， 在保证纹波电流不变的条件下，可以降低开关频率，提高电感利用率，降低 开关损耗，提高效率。

Ex1.将功率分为两段进行控制，如满载功率为20kW，当输出功率 10kW≤P<20kW时，设置开关频率为额定工作频率16kHz，当输出功率 0kW≤P<10kW时，设置开关频率为8kHz。

Ex2.将功率分为四段进行控制，如果满载功率为20kW，当输入功率大于 15kW小于20kW时，设置开关频率为额定工作频率16kHz，当输入功率大于 10kW小于15kW时，设置开关频率为12kHz，当输入功率大于5kW小于10kW 时，设置开关频率为8kHz，当输入功率大于0kW小于5kW时，设置开关频 率为4kHz，

Ex3线性调整，如果满载功率为20kW，额定工作频率16kHz，开关频率 设置与输出功率的关系为当输出功率发生变化时，对应不同 开关频率。