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)，是指當光伏并網(wǎng)點電壓跌落時，光伏陣列能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。國家電網(wǎng)公司起草的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定(試行)》中明確對大中型光伏電站在電網(wǎng)故障時的LVRT能力作出了要求并制定了相關(guān)標準。

當前國內(nèi)由于投入運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，當電網(wǎng)發(fā)生故障使并網(wǎng)點電壓跌落，光伏電站退出運行時對系統(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，所以應當重視光伏電站低電壓穿越技術(shù)的研究。風力發(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)一個風電場單條饋線故障波及該地區(qū)11個風場并引發(fā)風電機群大規(guī)模脫網(wǎng)事故，事故的原因為風電機群不具備低電壓穿越能力、無功補償裝置的調(diào)節(jié)能力差、風電場運行管理有缺陷?？梢姷碗妷捍┰郊夹g(shù)對分布式新能源發(fā)電并入電網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響之大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：

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

進一步，所述拓補電路結(jié)構(gòu)由六個三極管、六個二極管、三個電感、三個電阻和三個模擬電網(wǎng)電源組成，所述三極管集電極與二極管的負極連接，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)明所述拓補電路結(jié)構(gòu)的電壓跌落期間的無功補償方法包括以下步驟：

(1)大功率光伏逆變器通常具有無功調(diào)節(jié)能力，特別是當電網(wǎng)電壓跌落時，需要對電網(wǎng)進行無功補償，設(shè)U為光伏并網(wǎng)點電壓(0.2≤U≤0.9pu)，逆變器輸出的額定電流為i_N，有功電流和無功電流分別為i_d和i_q。根據(jù)并網(wǎng)準則對電壓跌落與無功電流關(guān)系的要求，設(shè)光伏電站在電壓跌落到90％以下時，電壓每跌落1％，至少提供x％無功電流，即無功電流為：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，最大允許提供0.655％的無功電流，若要多提供無功電流，就要減少i_d；

(2)當逆變器額定運行時，可以發(fā)出的無功電流最大為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，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，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，當電壓跌落程度越大時，需要提供的無功電流就越多，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)學模型和不對稱電網(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改善光伏并網(wǎng)逆變器的性能，在合理的無功補償基礎(chǔ)上，完善其低電壓穿越的能力。

附圖說明

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)拓撲結(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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1所示：本發(fā)明由MPPT、控制器、PV陣列、濾波器、電網(wǎng)、電壓電流檢測模塊和拓補電路結(jié)構(gòu)組成，所述PV陣列通過電容與所述拓補電路結(jié)構(gòu)連接，所述PV陣列的信號輸出端通過所述MPPT與所述控制器的信號輸入端連接，所述控制器的輸出端與所述拓補電路結(jié)構(gòu)組成，所述拓補電路結(jié)構(gòu)與所述濾波器連接，所述濾波器通過所述電網(wǎng)與所述電壓電流檢測電路的輸入端連接，所述電壓電流檢測的輸出端與所述控制器的信號輸入端連接。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，這勢必會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應前者常用于獨立發(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，電壓電流檢測等模塊，其中控制器是實現(xiàn)三相光伏并網(wǎng)的核心。

進一步，所述拓補電路結(jié)構(gòu)由六個三極管、六個二極管、三個電感、三個電阻和三個模擬電網(wǎng)電源組成，所述三極管集電極與二極管的負極連接，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)拓撲結(jié)構(gòu)圖如2，該逆變器為單級式，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，同時保證并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，典型的控制策略是通過控制逆變器輸出電流的相位和幅值實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率控制。按照并網(wǎng)系統(tǒng)運行方式分類，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|I|不變，則|U_L|＝ωL|I|保持不變，此時并網(wǎng)系統(tǒng)交流側(cè)電壓矢量的端點形成一個以矢量E端點為圓心和以U_L為半徑的圓。故通過控制系統(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、無功功率指令以及電網(wǎng)電壓矢量，計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計算出交流側(cè)的電壓指令U，得到U＝E+jωLI；最后通過PWM控制使并網(wǎng)逆變器交流側(cè)輸出所需電壓矢量，按上述方法進行并網(wǎng)電流的控制。

光伏陣列的最大功率點跟蹤

光伏電池的輸出電壓與電流存在很強的非線性關(guān)系，而且輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載特性等的影響。圖4為光伏模塊在某光照強度、環(huán)境溫度和負載特性下輸出電壓u_PV、電流i_PV、功率P_PV的特性關(guān)系曲線，可以看出當光伏模塊運行在A點時輸出功率最大，A點即為最大功率點，B點對應的縱坐標即為光伏模塊運行在最大功率點時的輸出電流i_m。為了最大限度地利用太陽能，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需應用最大功率點跟蹤(Maximum PowerPoint Tracking,MPPT)控制技術(shù)使其輸出特性位于最大功率點附近。

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

Tracking，CVT)，擾動觀察法(Perturbation and Observation method，P&O)，電導增量法(Incremental Conductance，INC)。近來，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跟蹤控制領(lǐng)域也開始起到一定作用，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化整個控制系統(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，

但溫度變化較大時精確度較差。

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

下一步動作，控制原理簡單且易于硬件實現(xiàn)，對傳感器精度和響應速度的要求不高，比較適用于工況變化緩慢的場合。在穩(wěn)態(tài)情況下，擾動觀察法由于沒有判穩(wěn)條件，可能會導致光伏電池工作點的小幅振蕩，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，并造成功率損失。

變步長擾動觀察法是對擾動觀察法的改進方案，當檢測到相鄰采樣周期的功率變化幅度較大時增大擾動步長進行跟蹤，功率變化幅度較小時減小擾動步長，通過對擾動步長大小的控制實現(xiàn)快速平穩(wěn)跟蹤。

電導增量法是通過比較光伏陣列的電導增量和瞬時電導來改變控制信號的，它基于電路理論中最大功率傳輸定理，計算最大功率點的理論值，這種方法精度高，擾動小，而且控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性，它可以結(jié)合許多先進控制理論進行應用，但是算法復雜，計算量較大，對硬件的要求尤其是對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，所以用電導增量法實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制的前景比較樂觀。

控制器的設(shè)計：

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

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

(1)大功率光伏逆變器通常具有無功調(diào)節(jié)能力，特別是當電網(wǎng)電壓跌落時，需要對電網(wǎng)進行無功補償，設(shè)U為光伏并網(wǎng)點電壓(0.2≤U≤0.9pu)，逆變器輸出的額定電流為i_N，有功電流和無功電流分別為i_d和i_q。根據(jù)并網(wǎng)準則對電壓跌落與無功電流關(guān)系的要求，設(shè)光伏電站在電壓跌落到90％以下時，電壓每跌落1％，至少提供x％無功電流，即無功電流為：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，最大允許提供0.655％的無功電流，若要多提供無功電流，就要減少i_d；

(2)當逆變器額定運行時，可以發(fā)出的無功電流最大為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，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，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，當電壓跌落程度越大時，需要提供的無功電流就越多，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。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(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)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。