CN103312140B - 多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法 - Google Patents

多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法，属于光伏并网逆变器控制的技术领域。所述启动方法中，与启动电源相连接的变换器开环变占空比缓启动，利用恒压跟踪法找到最大功率点后再用扰动观察法跟踪最大功率点；其余变换器以及逆变器在直流母线电压大于逆变器启动电压时开始缓启动。本发明能够抑制Boost变换器启动和逆变器并网瞬间的冲击电流；能够改善启动时最大功率点跟踪的动态特性；能够保证直流母线电压的稳定，防止母线电压过高或欠压。

Description

多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法
技术领域
本发明公开了多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法，属于光伏并网逆变器控制的技术领域。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题日益严重，新能源的开发与利用越来越受到人们的重视。太阳能作为一种无污染、可再生、分布广泛的绿色能源，光伏并网发电是其主要利用形式之一。光伏并网发电的应用形式主要有三种：光伏电站、光伏建筑***和微型逆变器式。本专利的应用场合即是光伏建筑***，该***通常采用多块太阳能电池板串联成光伏组串支路，每串光伏组串分别通过一台DC/DC变换器升压后并联至直流母线，最后经过一台逆变器与电网连接，称之为多支路两级式光伏并网逆变器。这种多支路式的架构提高了光伏电池板安装的灵活性。DC/DC变换器通常采用结构简单、具有升压特点、输入为电流源型的Boost变换器。功率在5kW以下时，逆变器通常采用控制策略成熟、结构简单的全桥拓扑(单相机)；功率在6～20kW时，逆变器则采用适用于高压场合、输出电流谐波小的三电平拓扑(三相机)。
多支路两级式三相并网逆变器开机启动时存在以下问题：1、由于直流母线电压尚未建立，Boost变换器的储能电感磁芯无法去磁，造成电感磁芯饱和，产生冲击电流；2、由于逆变器尚未启动，光伏电池板开机时输出电压为开路电压，并不工作在最大功率点，若直接采用精确度较高的扰动观察法实现最大功率点跟踪，则难以保证最大功率点跟踪的快速性；3、Boost变换器启动后，如果不及时启动逆变器，释放积聚在直流母线电容的能量，则会造成直流母线电压过高而损坏器件；4、由于电网电压与逆变器输出电压的相位和幅值差异，逆变器在并网瞬间，会产生冲击电流。
现有的双支路两级式三相并网逆变器的启动方法是：前级1号Boost变换器采用较小的定占空比开环运行的启动方式建立母线电压，在检测到直流母线电压VBus>2VLine后，所有Boost变换器都采用扰动观察法跟踪光伏电池板最大功率点，同时后级逆变器闭合网侧继电器，在某相电压过零时同时使能三相并网逆变器的驱动信号，三相并网逆变器同时开始缓启动。该方法的不足之处在于：1、1号Boost变换器采用较小的定占空比开环运行，在开机后定占空比运行阶段Boost变换器不会出现冲击电流，母线电压也可以建立，但是1号Boost变换器在开环运行模态向扰动观察法运行模态切换时，存在占空比跃变，同样会造成冲击电流；2、直接采用扰动观察法运行不能保证光伏电池板快速工作在最大功率点；3、三相并网逆变器同时缓启动，只能保证一相逆变器在电压过零点缓启动，其他两相并网逆变器都不是在电压过零点缓启动，造成冲击电流。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法，包括如下步骤：
步骤1，开机自检：网侧继电器断开，所有开关管驱动信号关闭；
步骤2，检测各路光伏电池板开路电压，将开路电压最大的一路光伏电池板作为启动电源，与启动电源相连接的Boost变换器缓启动；
步骤3，检测直流母线电压，
当直流母线电压大于逆变器启动电压时，其余每个Boost变换器以及逆变器同时开始缓启动；否则，返回步骤2；
所述多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法，步骤2中与启动电源相连接的Boost变换器采用如下方法缓启动：
步骤2-1，采集启动电源的开路电压；
步骤2-2，以占空比为Dy1的驱动信号使能开环运行的变换器，采集启动电源输出电压；
步骤2-3，比较占空比Dy1、与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的占空比Dy2：
当占空比Dy1大于与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的占空比Dy2时，以与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的占空比Dy2使能与启动电源相连接的Boost变换器，进入步骤2-4；
否则，占空比Dy1取值增加一个步长△Dy，返回步骤2-2；
步骤2-4，比较与启动电源输出电压与恒定电压参考值：
当与启动电源输出电压与恒定电压参考值的差值满足与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的条件时：采用扰动观察法跟踪与启动电源相连接的Boost变换器最大功率点；
否则，以与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的占空比Dy2使能与启动电源相连接的Boost变换器，直至启动电源输出电压与恒定电压参考值的差值满足与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的条件时，改用扰动观察法跟踪与启动电源相连接的Boost变换器最大功率点。
所述多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法，步骤3中其余每个Boost变换器采用如下方法缓启动：由恒压跟踪法确定Boost变换器中开关管的驱动信号占空比，在与Boost变换器连接的光伏电池板输出电压与恒定电压参考值的差值满足Boost变换器恒压输出的条件时，改用扰动观察法跟踪Boost变换器最大功率点。
所述多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法，步骤3中逆变器在直流母线电压大于逆变器启动电压时按照如下方法缓启动：网侧继电器闭合，检测电网相电压，过零的单相电压对应的单相光伏逆变器缓启动。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）能够抑制Boost变换器启动和逆变器并网瞬间的冲击电流；
（2）能够改善启动时最大功率点跟踪的动态特性；
（3）能够保证直流母线电压的稳定，防止母线电压过高或欠压。
附图说明
图1为简化的双支路两级式三相光伏并网逆变器的电路图。图中标号说明：PV1为第一光伏电池板，PV2为第二光伏电池板。
图2为本发明提出的多支路两级式三相光伏并网逆变器启动的流程总图。
图3为与启动电源相连接的Boost变换器缓启动流程图。
图4为其他各路Boost变换器缓启动流程图。
图5为逆变器缓启动流程图。
图6为逆变器缓启动过程中电流环流程图。
图7(a)为前级Boost变换器采用现有启动方法的实验波形。
图7(b)为前级Boost变换器采用本发明专利启动方法的实验波形。
图8(a)为采用传统启动方法三相逆变器并网缓启动实验波形。
图8(b)为采用本发明专利后三相逆变器并网缓启动实验波形。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
多支路两级式三相光伏并网逆变器，包括N路光伏电池板，每个光伏电池板都经过一个Boost变换器后与直流母线连接，N为大于1的正整数，以其中开路电压最大的一路光伏电池板作为启动电源。两支路两级式三相光伏并网逆变器控制框图如图1所示：前级Boost变换器通过采样输入电压和电流经过最大功率点跟踪算法处理后，得到控制Boost变换器的驱动信号；后级逆变器采用直流母线电压外环电流内环的双环控制方式。
现在以两支路两级式三相光伏并网逆变器为例阐述本发明的启动方法，如图1所示，两支路两级式三相光伏并网逆变器包括第一光伏电池板PV1、第二光伏电池板PV2，第一光伏电池板PV1经1号Boost变换器后与直流母线连接，第二光伏板PV2经2号Boost变换器后与直流母线连接。启动方法如图2所示包括如下步骤。
步骤1，开机自检：网侧继电器断开，所有开关管驱动信号关闭。
步骤2，检测第一光伏电池板PV1、第二光伏电池板PV2开路电压，选取开路电压最大的一路光伏电池板作为启动电源，此处以第一光伏电池板PV1为启动电源，1号Boost变换器缓启动；
步骤3，检测直流母线电压VBus，
当VBus>2VLine（直流母线电压大于逆变器启动电压）时，VLine为电网侧线电压，2号Boost变换器以及逆变器同时开始缓启动；否则，返回步骤2。
1号Boost变换器缓启动流程如图3所示，包括如下步骤：
步骤2-1，采集第一光伏电池板开路电压Vpv1_oc；
步骤2-2，以占空比为Dy1的驱动信号使能开环运行的变换器，采集第一光伏电池板输出电压Vpv1；
步骤2-3，由恒压跟踪法计算1号Boost变换器恒压输出的占空比Dy2，比较占空比Dy1、1号Boost变换器恒压输出的占空比Dy2：
当Dy1>Dy2时，以1号Boost变换器恒压输出的占空比Dy2使能1号Boost变换器，进入步骤2-4；
否则，占空比Dy1取值增加一个步长△Dy，返回步骤2-2；
步骤2-4，比较第一光伏电池板输出电压Vpv1与恒定电压参考值：
当第一光伏电池板输出电压Vpv1与恒定电压参考值的差值满足1号Boost变换器恒压输出的条件时：采用扰动观察法跟踪1号Boost变换器最大功率点；
否则，以1号Boost变换器恒压输出的占空比Dy2使能1号Boost变换器，直至第一光伏电池板输出电压Vpv1与恒定电压参考值的差值满足1号Boost变换器恒压输出的条件时，改用扰动观察法跟踪1号Boost变换器最大功率点。
可见，1号Boost变换器按照步长△Dy递增开环启动，步长△Dy可取值为0.01，以恒定电压参考值，将作为判断1号Boost变换器恒压输出的条件，在满足时，恒压跟踪法找到最大功率点，此时换用扰动观察法跟踪1号Boost变换器最大功率点。
2号Boost变换器缓启动流程如图4所示：由恒压跟踪法确定2号Boost变换器中开关管的驱动信号占空比，在第二光伏电池板输出电压Vpv2与恒定电压参考值的差值满足2号Boost变换器恒压输出的条件时，改用扰动观察法跟踪2号Boost变换器最大功率点。逆变器在直流母线电压大于逆变器启动电压时按照如下方法缓启动：网侧继电器闭合，检测电网电压，过零的单相电压对应的单相光伏逆变器缓启动。
逆变器缓启动流程如图5所示：在直流母线电压升至两倍的相电压峰值时，闭合网侧继电器，由于继电器吸合需要一定的机械延时时间，必须检测继电器两端电压以确认继电器是否吸合；分别检测三相电网电压，利用锁相环控制逆变器输出电流与电网电压同相位，主控芯片TMS320F28335的事件管理器PWM使能单元可以独立使能各PWM输出口的信号，因而可在每相电网电压过零点使能该相驱动信号，进网电流指令开始缓增。
逆变器缓启动过程中电流环流程如图6所示，进网电流指令Igr由零按照步长ΔIg在每个电网电压过零点处增加一次，在5～10个工频周期内增加至直流母线电压外环计算出的电流给定值，逆变器缓启动过程结束。
图7(a)给出了前级Boost变换器采用现有启动方法的实验波形。图中从上到下实验波形依次是1号Boost变换器的占空比Dy1,直流母线电压VBus（200伏特/格）,1号光伏电池板输出电压VPV1（200伏特/格）,1号Boost变换器输入电流ILB（10安培/格），横坐标为时间t（50毫秒/格）。由图可以看出，在定占空比开环运行向扰动观察法运行切换时，占空比出现突变，1号Boost变换器输入电流ILB存在较大的电流尖峰。图7(b)给出了前级Boost变换器采用本发明专利启动方法的实验波形。图中从上到下实验波形依次是1号Boost变换器输入电流ILB（10安培/格），A相电流Iga（20安培/格）,1号光伏电池板输出电压VPV1（500伏特/格）,直流母线电压VBus（500伏特/格），横坐标为时间t（50毫秒/格）。由图可以看出，启动过程中，1号Boost变换器输入电流ILB不存在冲击电流，直流母线电压过冲很小，1号光伏电池板在后级逆变器并网后80ms左右即可工作在最大功率点，说明本发明专利实现了Boost变换器的平滑快速启动。
图8(a)给出了采用传统启动方法三相逆变器并网缓启动实验波形。图中至上而下依次是A相电流Iga（20安培/格），B相电流Igb（20安培/格），C相电流Igc（20安培/格），横坐标为时间t（100毫秒/格）。由图可以看出，在A相电流过零点三相逆变器同时并网时，A相没有出现冲击电流，B相和C相都存在冲击电流。图8(b)给出了采用本发明专利后三相逆变器并网缓启动实验波形。图中至上而下依次是A相电流Iga（20安培/格），B相电流Igb（20安培/格），C相电流Igc（20安培/格），横坐标为时间t（100毫秒/格）。由图可以看出，三相并网逆变器分别在该相电流过零点时并网，都不存在冲击电流，电流幅值从小到大缓慢增加至稳定值，说明本发明专利实现了三相逆变器并网的安全启动。
上述实施例仅为两支路两级式三相光伏并网逆变器为例阐述本发明的启动方法，但本发明所述启动方法不仅仅适用于两支路两级式三相光伏并网逆变器，还适用于任意多支路两级式三相光伏并网逆变器。
综上所述，利用本发明的启动方法启动多支路两级式三相光伏并网逆变器，具有以下优点：
（1）与启动电源相连接的Boost变换器依次采用变占空比开环运行、恒定电压法运行和扰动观察法运行的复合启动方式，三段运行方式的切换不存在占空比突变，能够抑制Boost变换器启动；后级逆变器采用三相并网逆变器分别在对应相电压过零点并网的方法，逆变器并网瞬间的冲击电流。
（2）能够改善启动时最大功率点跟踪的动态特性。
（3）能够保证直流母线电压的稳定，防止母线电压过高或欠压。

Claims (2)

1.多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，开机自检：网侧继电器断开，所有开关管驱动信号关闭；
步骤2，检测各路光伏电池板开路电压，将开路电压最大的一路光伏电池板作为启动电源，与启动电源相连接的Boost变换器缓启动，其中，与启动电源相连接的Boost变换器采用如下方法缓启动：
步骤2-1，采集启动电源的开路电压；
步骤2-2，以占空比为Dy1的驱动信号使能开环运行的变换器，采集启动电源输出电压；
步骤2-3，比较占空比Dy1、与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的占空比Dy2：
当占空比Dy1大于与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的占空比Dy2时，以与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的占空比Dy2使能与启动电源相连接的Boost变换器，进入步骤2-4；
否则，占空比Dy1取值增加一个步长ΔDy，返回步骤2-2；
步骤2-4，比较启动电源输出电压与恒定电压参考值：
当启动电源输出电压与恒定电压参考值的差值满足与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的条件时：采用扰动观察法跟踪与启动电源相连接的Boost变换器最大功率点；
否则，以与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的占空比Dy2使能与启动电源相连接的Boost变换器，直至启动电源输出电压与恒定电压参考值的差值满足与启动电源相连接的Boost变换器恒压输出的条件时，改用扰动观察法跟踪与启动电源相连接的Boost变换器最大功率点；
步骤3，检测直流母线电压，
当直流母线电压大于逆变器启动电压时，其余每个Boost变换器以及逆变器同时开始缓启动；否则，返回步骤2，逆变器在直流母线电压大于逆变器启动电压时按照如下方法缓启动：网侧继电器闭合，检测电网相电压，过零的单相电压 对应的单相光伏逆变器缓启动。
2.根据权利要求1所述的多支路两级式三相光伏并网逆变器的启动方法，其特征在于，步骤3中其余每个Boost变换器采用如下方法缓启动：由恒压跟踪法确定Boost变换器中开关管的驱动信号占空比，在与Boost变换器连接的光伏电池板输出电压与恒定电压参考值的差值满足Boost变换器恒压输出的条件时，改用扰动观察法跟踪Boost变换器最大功率点。
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