非隔离光伏并网逆变器、光伏并网发电系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种非隔离光伏并网逆变器、光伏并网发电系统及控制方法，逆变器包括与光伏电池板并联的电容C

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，特别涉及一种单相单级非隔离电流源型的逆变器、光伏并网发电系统以及控制方法。

背景技术

随着环境、能源问题受到了越来越多的关注，光伏并网发电作为可再生能源利用技术得到了广泛的重视。但是由于光伏并网发电系统的前期投资较大、发电成本较高等因素，严重阻碍了光伏并网发电系统的推广普及。

光伏并网发电系统一般包括光伏电池板和并网逆变器，并网发电系统将光伏电池板接收的太阳能辐射能量经过高频直流转换成高压直流，然后经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。其中，并网逆变器包括电压型逆变器和电流型逆变器两大类，电流型逆变器可以提高直流输入电压，具有短路保护能力。而且由于电流型逆变器没有直流母线电容，因此提高了电流型逆变器的使用寿命。

但是，逆变器的成本和体积限制了逆变器的使用，目前的解决方法是采用非隔离型的逆变器，由于在光伏并网系统中省略了笨重的隔离变压器，使得系统具有结构简单、重量轻、成本低等优点。但是由于在无隔离变压器的光伏并网系统中，光伏电池板与公共电网是不隔离的，这将导致光伏电池板和电网电压连接，使得光伏电池板和大地之间存在这对地电容，因此会产生光伏电池板对地的漏电流，降低了逆变器的工作效率，增加了并网电流的畸变，降低了光伏并网的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非隔离光伏并网逆变器、光伏并网发电系统及控制方法，以解决光伏电池板对地漏电流的问题。

为实现以上目的，本发明第一方面提供一种非隔离光伏并网逆变器，包括：与光伏电池板并联的电容C_PV，电容C_PV的两端分别通过单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂与电感L_c的两端连接，单向功率开关VT₃、单向功率开关VT₄串联后并联在电感L_c的两端。

其中，电容C_PV为去耦电容。

其中，电容C_PV的正极与单向功率开关VT₁的集电极连接，单向功率开关VT₁的发射极与所述电感L_c的一端连接、基极接地；

电容C_PV的负极与单向功率开关VT₂的发射极连接，单向功率开关VT₂的集电极与所述电感L_c的另一端连接、基极接地；

单向功率开关VT₃的发射极与单向功率开关VT₄的集电极连接，单向功率开关VT₄的发射极与所述电感L_c的一端连接、基极接地，单向功率开关VT₃的集电极与所述电感L_c的另一端连接、基极接地。

第二方面，提供一种光伏并网发电系统，包括：

光伏电池板、滤波器以及上述的非隔离光伏并网逆变器，光伏电池板与所述的电容C_PV并联，滤波器的一个端口与非隔离光伏并网逆变器连接、另一端与电网连接。

其中，滤波器包括电容C_f和电感L_f，电容C_f的一端与电感L_f的一端连接后与单向功率开关VT₃发射极与单向功率开关VT₄集电极连接线连接，电容C_f的另一端与所述的光伏电池板的负极连接，电容C_f的另一端、电感L_f的另一端分别与电网的两端连接。

第三方面，提供一种对上述光伏并网发电系统的控制方法，包括：

控制所述单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₂导通、单向功率开关VT₃和单向功率开关VT₄断开，所述光伏电池板对所述电感L_c充电，系统工作于电感L_c充电模式；

控制所述单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₃导通、单向功率开关VT₂和单向功率开关VT₄断开，所述光伏电池板和所述电感L_c放电，所述非隔离光伏并网逆变器输出正向电流且与电感L_c电流值相同，系统工作于逆变器输出正向电流模式；

控制所述单向功率开关VT₂和单向功率开关VT₄导通、单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₃关闭，所述非隔离光伏并网逆变器输出反向电流且与电感L_c电流值相同，系统工作于逆变器输出反向电流模式；

控制所述单向功率开关VT₃和单向功率开关VT₄导通、单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₂断开，电感L_c电流值保持不变，所述非隔离光伏并网逆变器输出电流值为零，系统工作于电感L_c续流模式。

其中，对上述非隔离光伏并网逆变器进行电流滞环控制，包括对并网电流正半周期的控制和对并网电流负半周期的控制。

其中，并网电流正半周期控制，具体包括：

采集t₁时刻的电流i_g，在i_g＜i_min时，控制所述单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₃导通，系统工作于逆变器输出正向电流模式，以控制i_g增大来跟踪并网电流给定值i_ref；

在i_min＜i_g＜i_max时，若判断所述电感L_c电流值i_LC＜i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂导通，系统工作于电感L_c充电模式；

在i_min＜i_g＜i_max时，若判断所述电感L_c电流值i_LC＞i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₃和单向功率开关VT₄导通，系统工作于电感L_c续流模式；

在i_g＞i_max时，若判断i_LC＞i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₂和单向功率开关VT₄导通，系统工作于逆变器输出反向电流模式以控制i_g减小；

在i_g＞i_max时，若判断i_LC＜i_LC-ref，所述单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂导通，系统工作于电感L_c充电模式以控制i_g减小，其中i_LC-re^f为电感电流i_LC的参考值。

其中，并网电流负半周期控制，具体包括：

采集t₁时刻的电流i_g，在i_g＞i_max时，控制所述单向功率开关VT₂和单向功率开关VT₄导通，系统工作于逆变器输出反向电流模式以控制i_g减小；

在i_min＜i_g＜i_max时，若判断所述电感L_c电流值i_LC＜i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂导通，系统工作于电感L_c充电模式；

在i_min＜i_g＜i_max时，若判断所述电感L_c电流值i_LC＞i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₃和单向功率开关VT₄导通，系统工作于电感L_c续流模式；

在i_g＜i_min时，若判断i_LC＞i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₃导通，系统工作于逆变器输出正向电流模式，以控制i_g增大来跟踪并网电流给定值i_ref；

在i_g＞i_max时，若判断i_LC＜i_LC-ref，所述单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂导通，系统工作于电感L_c充电模式以控制i_g减小。

其中，控制i_g增大来跟踪并网电流给定值i_ref，具体包括：

利用电压传感器采集所述光伏电池板的输出电压、采集所述电网的电压交流信号，以及利用电流传感器采集所述光伏电池板的输出电流；

根据最大功率跟踪算法计算所述光伏电池板的最大功率；

根据所述光伏电池板的最大功率，计算并网电流给定的幅值；

将所述电网的电压交流信号经低通滤波器滤波后，进入单相锁相环得到相角信号；

根据相角信号和并网电流给定的幅值，计算并网电流给定值i_ref以实现控制i_g增大跟踪并网电流给定值i_ref。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明提出的非隔离光伏并网逆变器中采用了四个单向功率开关控制电流单向流动，无需在逆变器中增加反并联二极管，与传统的非隔离电流源型光伏并网逆变器相比，使用的组件较少、降低了逆变器的使用成本而且减少了逆变器的体积。同时，在光伏并网发电系统中，光伏电池板对地的电容被旁路，我国220V/380V的低压配电系统广泛采用中性点直接接地的运行方式，单向电网接地电阻近似于零，所以光伏电池板对地电容的两端电压是恒定的，因此流过光伏电池板对地电容的电流近似于零，消除了光伏并网逆变器的对地漏电现象。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是本发明中一种非隔离光伏并网逆变器的电路结构示意图；

图2是本发明中一种光伏并网发电系统的结构示意图；

图3是本发明中非隔离光伏并网逆变器对地漏电流路径示意图；

图4是本发明中光伏并网发电系统工作在电感充电模式下的等效电路示意图；

图5本发明中光伏并网发电系统工作在逆变器输出正向电流模式下的等效电路示意图；

图6是本发明中光伏并网发电系统工作在逆变器输出反向电流模式下的等效电路示意图；

图7是本发明中光伏并网发电系统工作在电感续流模式下的电路示意图；

图8是本发明中采用电流滞环对非隔离光伏并网逆变器进行控制的等效示意图；

图9是本发明中对并网电流正半周期进行控制的流程示意图；

图10是本发明中对并网电流负半周期进行控制的流程示意图；

图11是本发明中实时计算并网电流给定值i_ref的流程示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种非隔离光伏并网逆变器，包括：电容C_PV、电感L_c以及四个单向功率开关，电容C_PV的两端分别通过单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂与电感L_c的两端连接，单向功率开关VT₃、单向功率开关VT₄串联后并联在电感L_c的两端。

进一步地，上述的电容C_PV为去耦电容。去耦电容安装在电源的两端，可以提供比较稳定的电源，使得输入的直流电源不会因为开关器件的故障而短路。同时，由于本实施例中的逆变器为电流源型逆变器，可以提高输入电压，使得单个光伏电池板可以直接连接单相电网。

进一步地，电容C_PV的正极与单向功率开关VT₁的集电极连接，单向功率开关VT₁的发射极与所述电感L_c的一端连接、基极接地；

电容C_PV的负极与单向功率开关VT₂的发射极连接，单向功率开关VT₂的集电极与所述电感L_c的另一端连接、基极接地；

单向功率开关VT₃的发射极与单向功率开关VT₄的集电极连接，单向功率开关VT₄的发射极与所述电感L_c的一端连接、基极接地，单向功率开关VT₃的集电极与所述电感L_c的另一端连接、基极接地。

本实施例中并网逆变器采用的是电流源型逆变器，电容C_PV的电流i_PV从光伏电池板的正极进行单向流出，只需单向功率开关即可满足要求，无需增加反并联二极管，使得逆变器中的组件的数量减少了，降低了逆变器的成本和缩小了逆变器的体积。

实施例二

如图2所示，本实施例公开了一种光伏并网发电系统，包括：光伏电池板10、滤波器20以及上述的非隔离光伏并网逆变器30，光伏电池板10与电容C_PV并联，滤波器20的一个端口与非隔离光伏并网逆变器30连接、另一端与电网40连接。

进一步地，滤波器20包括电容C_f和电感L_f，电容C_f的一端与电感L_f的一端连接后与单向功率开关VT₃发射极与单向功率开关VT₄集电极连接线连接，电容C_f的另一端与所述的光伏电池板的负极连接，电容C_f的另一端、电感L_f的另一端分别与电网的两端连接。

需要说明的是，非隔离光伏并网逆变器对地漏电流的路径示意图如图3所示，其中，C_地表示光伏电池板10对地的电容，R_地表示单向电网40的接地电阻，表示流过C_地的电流即漏电流：由于C_地被旁路，而且我国是220V/380V的低配电压系统，广泛采用中性点直接接地的运行方式，所以R_地≈0，C_地两端的电压恒定。因此故本实施例中公开的非隔离光伏并网逆变器30消除了对地漏电流现象，提高了逆变器的效率。

实施例三

如图4至7所示，本实施例公开了一种对上述光伏并网发电系统的控制方法，在图4至7中，虚线表示电路为断开状态，实线表示电路为通路状态。该控制过程包括四种模式：

电感L_c充电模式：如图4所示，控制单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₂导通、单向功率开关VT₃和单向功率开关VT₄断开，光伏电池板10对电感L_c充电，单相电网40和电感L_f、电容C_f构成闭合回路，非隔离光伏并网逆变器30的输出电流i_inv为零。

逆变器输出正向电流模式：如图5所示，控制单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₃导通、单向功率开关VT₂和单向功率开关VT₄断开，光伏电池板10和电感L_c放电释放能量，非隔离光伏并网逆变器30输出正向电流i_inv且与电感L_c电流值相同即i_LC＝i_inv。

逆变器输出反向电流模式：如图6所示，控制单向功率开关VT₂和单向功率开关VT₄导通、单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₃关闭，非隔离光伏并网逆变器30输出反向电流i_inv且与电感L_c电流值i_LC相同。

电感L_c续流模式：如图7所示，控制单向功率开关VT₃和单向功率开关VT₄导通、单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₂断开，电感L_c电流值i_LC保持不变，非隔离光伏并网逆变器30输出电流值i_inv为零。

进一步地，本实施例对非隔离光伏并网逆变器3采用电流滞环控制，包括对并网电流正半周期的控制和对并网电流负半周期的控制。

在实际应用中，为了操作方便，实际并网电流用i_g表示，并网电流给定值用i_ref表示，电感L_c电流的给定参考值用i_LC-ref表示，由于本实施例中的逆变器为电流源型逆变器，所以参考电流值i_LC-ref为直流量。

i_ref＝I_refsin(ωt+θ)，

其中，I_ref为并网电流给定的幅值，ω为电网角频率，θ为初相角。

由于非隔离光伏并网逆变器30输出电流i_inv为PWM电流，其值等于电感L_c电流i_LC，为了能量由光伏电池板10输出至单相电网40，i_inv应大于I_ref，即电感L_c电流的给定参考值i_LC-ref应大于I_ref，本实施例中设定i_LC-ref＝3I_ref。为了保证单位功率因数并网，并网电流应与电网电压同相位，因此电网40电压表达式为：u_g＝U_msin(ωt+θ)，其中u_g为电网电压瞬时值，U_m为电网电压幅值。

如图8所示，在滞环控制过程中，根据电流跟踪偏差来控制四个单向功率开关的开/关状态，其中滞环环宽用H表示，实际并网电流i_g的控制结果应满足i_min＜i_g＜i_max，其中：

i_max＝i_ref+H＝I_refsin(ωt+θ)+H,

i_min＝i_ref-H＝I_refsin(ωt+θ)-H。

进一步地，如图9所示，对并网电流正半周期的控制过程具体包括：

采集t₁时刻的电流i_g，在i_g＜i_min时，控制所述单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₃导通，系统工作于逆变器输出正向电流模式，以控制i_g增大来跟踪并网电流给定值i_ref；

在i_min＜i_g＜i_max时，若判断所述电感L_c电流值i_LC＜i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂导通，系统工作于电感L_c充电模式；

在i_min＜i_g＜i_max时，若判断所述电感L_c电流值i_LC＞i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₃和单向功率开关VT₄导通，系统工作于电感L_c续流模式；

在i_g＞i_max时，若判断i_LC＞i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₂和单向功率开关VT₄导通，系统工作于逆变器输出反向电流模式以控制i_g减小；

在i_g＞i_max时，若判断i_LC＜i_LC-ref，所述单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂导通，系统工作于电感L_c充电模式以控制i_g减小，其中i_LC-re^f为电感电流i_LC的参考值。

进一步地，如图10所示，对并网电流负半周期的控制过程包括：

采集t₁时刻的电流i_g，在i_g＞i_max时，控制所述单向功率开关VT₂和单向功率开关VT₄导通，系统工作于逆变器输出反向电流模式以控制i_g减小；

在i_min＜i_g＜i_max时，若判断所述电感L_c电流值i_LC＜i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂导通，系统工作于电感L_c充电模式；

在i_min＜i_g＜i_max时，若判断所述电感L_c电流值i_LC＞i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₃和单向功率开关VT₄导通，系统工作于电感L_c续流模式；

在i_g＜i_min时，若判断i_LC＞i_LC-ref，控制所述单向功率开关VT₁和单向功率开关VT₃导通，系统工作于逆变器输出正向电流模式，以控制i_g增大来跟踪并网电流给定值i_ref；

在i_g＞i_max时，若判断i_LC＜i_LC-ref，所述单向功率开关VT₁、单向功率开关VT₂导通，系统工作于电感L_c充电模式以控制i_g减小。如下：

需要说明的是，电压型光伏并网逆变器中逆变器的直流侧电压必须大于单相交流电网电压的峰值，一般要在350V以上，才能实现并网运行，而单个光伏组件的输出电压达不到，为了满足电压匹配，一般光伏并网逆变器前级都有一个DC-DC变换器而上述实施例公开的非隔离光伏并网逆变器采用的是电流源型逆变器，本身具有升压的能力，因此不需要额外的DC-DC变换器。

根据光伏电池板10的最大功率P_mpp来计算得到并网电流给定值i_ref，通过对该电流给定值的跟踪实现光伏电池板最大功率的跟踪。因此，光伏电池板最大功率的跟踪靠逆变器本身即可实现。

P_grid＝ηP_mpp，

其中，P_grid表示非隔离光伏并网逆变器30输出到单相电网40的功率，η为非隔离光伏并网逆变器30的效率。

如图11所示，控制i_g增大来跟踪并网电流给定值i_ref，具体包括：

利用电压传感器采集光伏电池板10的输出电压U_PV、采集电网40的电压瞬时值u_g，以及利用电流传感器采集光伏电池板10的输出电流I_PV；

根据最大功率跟踪算法计算光伏电池板10的最大功率；

需要说明的是，这里的最大功率跟踪算法包括但不限于扰动观察法、电导调制法等方法。

根据光伏电池板10的最大功率，计算并网电流给定的幅值I_ref；

将电网40的电压交流信号经低通滤波器滤波后，进入单相锁相环得到相角信号sin(ωt+θ)；

根据相角信号和并网电流给定的幅值，计算并网电流给定值i_ref以实现控制i_g增大跟踪并网电流给定值i_ref。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。