CN106505627A - 光伏变流器***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种光伏变流器***及其控制方法。所述光伏变流器***包括：变流器，包括第一接触器(K1)、第二电容器(C2)、电抗器(L)、绝缘栅双极型晶体管IGBT模块(10)、第一电容器(C1)；控制器，包括模式控制模块，所述模式控制模块被配置为检测光伏阵列与第一接触器(K1)之间的直流电压(Udc1)，当直流电压(Udc1)大于第一阈值电压时，使第一接触器(K1)闭合并将所述变流器控制为在最大功率点跟踪MPPT模式下工作，当直流电压(Udc1)小于第二阈值电压时，所述模式控制模块使第一接触器(K1)断开并将所述变流器控制为在先进静止无功发生器ASVG模式下工作，其中，第一阈值电压大于第二阈值电压。

Description

光伏变流器***及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏(PV)变流器***及其控制方法，更具体地讲，设计一种基于检测到的直流侧电压来在最大功率点跟踪(MPPT)模式和先进静止无功发生器(ASVG)模式进行切换的光伏变流器***及其控制方法。

背景技术

随着社会的发展和新能源技术的进步，分布式光伏(PV)等间歇式能源发电在电力***中占有越来越重要的地位。而间歇式能源的随机性和间歇性对电网的安全稳定运行提出了新的挑战。目前，先进静止无功发生器(ASVG)则凭借其快速、可控的特点在补偿无功和谐波、提升电网的电能质量、运行稳定性及可靠性等方面发挥着重要作用，得到了广泛的应用，这对间歇式能源发电的弊端起到了重要的弥补作用。目前光伏变流器在分布式发电中的应用越来越广泛，电网稳定性和电能质量对用户更加重要。

然而，现有的光伏变流器***中仍存在不能自适应地进行切入和切出以及预充电电路无法对直流侧的电容器充电等问题。

发明内容

本发明的示例性实施例在于提供一种光伏变流器***及其控制方法，从而能够自适应地进行切入和切出的同时降低***的故障率。

根据本发明的示例性实施例的一方面，提供了一种光伏变流器***，包括：变流器，包括第一接触器K1、第二电容器C2、电抗器L、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块10、第一电容器C1，其中，第一接触器K1布置在第二电容器C2与光伏阵列之间；控制器，包括模式控制模块，其中，所述模式控制模块被配置为检测所述光伏阵列与第一接触器K1之间的直流电压Udc1，当直流电压Udc1大于第一阈值电压时，使第一接触器K1闭合并将所述变流器控制为在最大功率点跟踪MPPT模式下工作，当直流电压Udc1小于第二阈值电压时，所述模式控制模块使第一接触器K1断开并将所述变流器控制为在先进静止无功发生器ASVG模式下工作，其中，第一阈值电压大于第二阈值电压。

可选地，所述变流器还可包括电阻器、第二接触器K2和第三接触器K3，其中，第二接触器K2布置在电网与电抗器L之间，所述电阻器与第三接触器K3串联之后，与第二接触器K2并联。例如，所述模式控制模块还可被配置为当所述变流器停机之后再启动时，使第一接触器K1和第二接触器K2断开并使第三接触器K3闭合以对第二电容器C2和第一电容器C1进行充电，并且在完成第二电容器C2和第一电容器C1的充电之后，所述模式控制模块使第二接触器K2闭合，使第三接触器K3断开，并将所述变流器控制为在ASVG模式下工作。

可选地，所述模式控制模块还可被配置为在所述变流器在ASVG模式下工作的情况下，当直流电压Udc1大于第一阈值电压时，使第一接触器K1闭合并将所述变流器控制为在MPPT模式下工作。

可选地，所述模式控制模块还可被配置为检测直流功率，并基于检测到的直流功率确定启用的所述变流器的数量。

可选地，控制器还可包括：调制模块，被配置为检测IGBT模块10与电抗器L之间的三相电流Iabc以及第二接触器K2与所述电网之间的三相电压Uabc，基于三相电流Iabc和三相电压Uabc产生三相驱动控制信号，并将产生的三相驱动控制信号发送到IGBT模块10以进行调制。

根据本发明的示例性实施例的另一方面，提供了一种在包括变流器的光伏变流器***中控制变流器的方法，其中，变流器，包括第一接触器K1、第二电容器C2、电抗器L、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块10、第一电容器C1，其中，第一接触器K1布置在第二电容器C2与光伏阵列之间，所述方法包括：检测所述光伏阵列与第一接触器K1之间的直流电压Udc1；确定直流电压Udc1是否大于第一阈值电压；当直流电压Udc1大于第一阈值电压时，使第一接触器K1闭合并将所述变流器控制为在最大功率点跟踪MPPT模式下工作；如果直流电压Udc1小于或等于第一阈值电压，则确定直流电压Udc1是否小于第二阈值电压；当直流电压Udc1小于第二阈值电压时，使第一接触器K1断开并将所述变流器控制为在先进静止无功发生器ASVG模式下工作，其中，第一阈值电压大于第二阈值电压。

可选地，所述变流器还可包括电阻器、第二接触器K2和第三接触器K3，其中，第二接触器K2布置在电网与电抗器L之间，所述电阻器与第三接触器K3串联之后，与第二接触器K2并联。作为示例，所述方法还可包括：当所述变流器停机之后再启动时，使第一接触器K1和第二接触器K2断开并使第三接触器K3闭合以对第二电容器C2和第一电容器C1进行充电，并且在完成第二电容器C2和第一电容器C1的充电之后，使第二接触器K2闭合，使第三接触器K3断开，并将所述变流器控制为在ASVG模式下工作。

可选地，在所述变流器在ASVG模式下工作的情况下，当直流电压Udc1大于第一阈值电压时，可使第一接触器K1闭合并将所述变流器控制为在MPPT模式下工作。

可选地，所述方法还可包括：检测直流功率，并基于检测到的直流功率确定启用的所述变流器的数量。

可选地，所述方法还可包括：检测IGBT模块10与电抗器L之间的三相电流Iabc以及第二接触器K2与所述电网之间的三相电压Uabc；基于三相电流Iabc和三相电压Uabc产生三相驱动控制信号；将产生的三相驱动控制信号发送到IGBT模块10以进行调制。

通过使用根据本发明的示例性实施例的光伏变流器***及其控制方法，能够自适应地进行切入和切出的同时降低***的故障率。

将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出根据本发明的示例性实施例的光伏变流器***；

图2是包括在调制模块中的软件锁相环SPLL；

图3是包括在调制模块中的abc dq转换器；

图4是包括在调制模块中的快速傅里叶变换(FFT)模块；

图5是包括在调制模块中的三相驱动控制信号产生单元；

图6是示出根据本发明的示例性实施例的在光伏变流器***中控制变流器的方法的流程图。

具体实施方式

现在将具体参照在附图中示出其示例的示例性实施例，在附图中，相同的标号始终指示相似的元件。在这方面，本示例性实施例可具有不同形式，不应被解释为限于在此阐述的描述。相应地，仅在下面通过参照附图来描述示例性实施例以解释本说明书的各方面。

关于在此使用的术语，在考虑示例性实施例中的功能的情况下尽可能地选择最广泛使用的术语；然而，这些术语可根据本领域技术人员的意图、判例或新技术的出现而改变。在此使用的一些术语可由申请人任意选择。在这种情况下，这些术语将在下面被具体定义。相应地，应基于其独特含义和本构思的整体语境来理解在此使用的特定术语。

还将理解的是，当在此使用术语“包括”、“包含”和“具有”时，除非另有定义，否则所述术语说明所列举的元素的存在，但不排除其他元素的存在或添加。此外，在此使用的术语“单元”和“模块”表示用于处理至少一种功能或操作的单元，其中，所述单元可由硬件、软件或者硬件和软件的组合实现。

下面将参照附图来具体描述示例性实施例，使得本领域普通技术人员可容易地实现本发明构思。然而，本发明构思可以以许多不同方式实现，并不应被视为限于在此阐述的示例性实施例。此外，将在附图中省略与示例性实施例的描述无关的部分以清楚地描述示例性实施例，在整个说明书中相似的标号将表示相似的元件。

图1示出根据本发明的示例性实施例的光伏变流器***1。

参照图1，光伏变流器***1可包括变流器100和控制器200。以下，为便于描述，以单个变流器为示例描述本发明的各个实施例。然而，对于本领域技术人员而言显然的是，光伏变流器***1可根据光伏(PV)阵列的功率而启用多个变流器。

根据本发明的示例性实施例，变流器100可包括接触器K1、电容器C2、电抗器L、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块10、电容器C1。变流器100还可包括交流开关F1。接触器K1可被称为直流接触器。电容器C2可被称为直流支撑电容，电容器C1可被称为交流滤波电容。接触器K1可布置在电容器C2与光伏阵列之间。

根据本发明的另一示例性实施例，变流器100还可包括电阻器、接触器K2和接触器K3。接触器K2可被称为交流主接触器，并且接触器K2可布置在电网与电抗器L之间。电阻器与第三接触器K3串联之后，与第二接触器K2并联。电阻器可包括电阻R1、R2和R3。电阻R1、R2和R3以及接触器K3可组成预充电电路。因此，也可将电阻R1、R2和R3称为充电电阻R1、R2和R3。此外，变流器100还可包括传感器S1、S2、S3、S4和S5，以分别检测接触器K1与光伏阵列之间的直流电压Udc1、接触器K1与电容器C2之间的直流电压Udc2、接触器K1与电容器C2之间的直流电流Idc、三相电流Iabc和三相电压Uabc。

根据本发明的示例性实施例，控制器200可包括模式控制模块201和调制模块203。模式控制模块201可基于经由传感器S1检测到的接触器K1与光伏阵列之间的直流电压Udc1切换变流器100的工作模式，即，在最大功率点跟踪(MPPT)模式和先进静止无功发生器(ASVG)进行切换。

作为示例，当直流电压Udc1大于第一阈值电压时，模式控制模块201可使接触器K1闭合并将变流器100控制为在MPPT模式下工作。以下，为了便于解释，将“第一阈值电压”称为“启动电压Udcrun”。作为示例，模式控制模块201可产生控制信号Vcon1来闭合或断开接触器K1。当因早晨光照逐渐增强而导致直流电压Udc1大于启动电压Udcrun时，模式控制模块201可使接触器K1闭合并将变流器100控制为在MPPT模式下工作同时在视在功率允许的情况下发出无功，此时，启动电压Udcrun<Udc1＝Udc2。

作为另一示例，当直流电压Udc1小于第二阈值电压时，模式控制模块201可使接触器K1断开并将变流器100控制为在ASVG模式下工作。以下，为了便于解释，将“第二阈值电压”称为“停止电压Udcstop”。此外，在断开接触器K1之后，模式控制模块201可根据无功容量控制直流电压Udc2。例如，当晚上光照逐渐减弱而导致直流电压Udc1小于停止电压Udcstop时，模式控制模块201可使接触器K1断开并将变流器100控制为在ASVG模式下工作，此时，Udc1<Udcstop<Udc2。另外，停止电压Udcstop小于启动电压Udcrun。

此外，模式控制模块201可将接触器K3闭合并将接触器K2断开预定时间段以对充电电阻R1、R2、R3进行充电，随后，断开接触器K3并闭合接触器K2，从而在预定时间之后不经过充电电阻的情况下直接向电网供电。由于交流侧电阻及时在***中切出，因此可有效地提高***效率和发电量。

根据本发明的另一示例性实施例，如果变流器100在停机之后再启动，则模式控制模块201还可被配置为使接触器K1和接触器K2断开，并使接触器K3闭合以对电容器C2和电容器C1进行充电。在完成电容器C2和电容器C1的充电之后，模式控制模块201可使接触器K2闭合，使接触器K3断开，并将变流器100控制为在ASVG模式下工作。作为示例，模式控制模块201可产生开关控制信号Vcon2来闭合或打开接触器K2和接触器K3。这里，模式控制模块201可根据无功指令要求来控制直流电压Udc2。在变流器100停机之后再启动时，通过对电容器进行充电之后在ASVG模式工作，可有效降低变流器100的故障率。

根据本发明的示例性实施例，模式控制模块201还可被配置为当在变流器100在ASVG模式下工作的情况下电压Udc1大于启动电压时，使接触器K1闭合并将变流器100控制为在MPPT模式下工作。通常，在夜间，由于Udc1小于停止电压Udcstop而变流器在ASVG模式下工作。在凌晨，因光照逐渐增强而Udc1可能会大于停止电压。然而，在这种情况下，模式控制模块201也不会将变流器100切换到MPPT模式。当电压Udc1大于启动电压时，模式控制模块201才会将变流器100切换到MPPT模式。

根据本发明的另一示例性实施例，模式控制模块201还可被配置为基于电压Udc1和电流Idc来检测直流功率，并基于检测到的直流功率确定启用的变流器100的数量，从而使得启用的各个变流器100能够按照最大功率工作。

作为另一示例，当变流器100发生故障时，模式控制模块201也可将该变流器100从***中切出，从而有效减小故障所造成的发电损失，提高变流器的可利用率及发电效率。

根据本发明的示例性实施例，调制模块203可被配置为检测IGBT模块10与电抗器L之间的三相电流Iabc以及接触器K2与电网之间的三相电压Uabc，基于三相电流Iabc和三相电压Uabc产生三相驱动控制信号PWM1、PWM2和PWM3，并将产生的三相驱动控制信号PWM1、PWM2和PWM3发送到IGBT模块10以进行调制。

以下，将参照图2至图5详细描述调制处理。

图2是包括在调制模块203中的软件锁相环SPLL。

参照图2，检测的三相电压Uabc输入到软件锁相环SPLL，随后软件锁相环SPLL输出相位θ、并将三相坐标系下的电压转换为dp轴坐标系下的有功电压分量Ud和无功电压分量Uq。

图3是包括在调制模块203中的abc dq转换器。其进行克拉克(CLARKE)和帕克(PARK)坐标变换。

参照图3，软件锁相环输出的相位θ和检测的三相电流Iabc被输入到abc dq转换器，随后adc dq转换器输出dq坐标系下的有功电流Id和无功电流Iq。

图4是包括在调制模块203中的快速傅里叶变换(FFT)模块。

参照图4，三相电流Iabc被输入到FFT模块，随后FFT模块输出各次谐波分量，即，Iα2,Iα3,Iα4^IαN和Iβ2,Iβ3,Iβ4^IβN。

图5是包括在调制模块203中的三相驱动控制信号产生单元500。

参照图5，在对直流电压参考值Udcref和电压Udc2进行差分运算之后，差分信号输入到PI控制器，随后PI控制器输出有功电流参考值Idref。这里，直流电压参考值Udcref是根据光伏的最大功率跟踪得到的直流电压参考值。作为非限制性示例，可使用扰动观察法或电导增量法来获得直流电压参考值Udcref。

随后，三相驱动控制信号产生单元500可对有功电流参考值Idref与有功电流Id进行差分运算，将差分信号输入到PI控制器。之后，三相驱动控制信号产生单元500对PI控制器的输出信号与有功电压分量Ud进行差分运算，并将差分信号输入到dqαβ转换器进行坐标变换。

类似地，三相驱动控制信号产生单元可对无功电流参考值Iqref与无功电流电流Iq进行差分运算，将差分信号输入到PI控制器。之后，三相驱动控制信号产生单元500对PI控制器的输出信号与无功电压分量Uq进行差分运算，并将差分信号输入到dqαβ转换器。

这里，无功电流参考值Iqref可基于无功电流的参考指令Iqin、设备允许的最大电流Imax和有功电流Id来确定。具体来说，当Iqin为正向无功(即容性无功)时，如果Iqin>sqrt(Imax*Imax–Id*Id)，无功电流参考值Iqref＝sqrt(Imax*Imax–Id*Id)，否则无功电流参考值Iqref＝Iqin。当Iqin为负向无功(即感性无功)时，如果Iqin<-sqrt(Imax*Imax–Id*Id)，Iqref＝-sqrt(Imax*Imax–Id*Id)，否则Iqref＝Iqin。

经由dqαβ转换器输出的Uα和Uβ以及FFT模块的各次谐波的分量Iα2,Iα3,Iα4^IαN和Iβ2,Iβ3,Iβ4^IβN被输入到谐波补偿计算单元。作为示例，谐波补偿计算单元可使用对信号进行FFT分析之后乘以电抗的补偿方式来进行谐波补偿。随后，经由空间矢量计算单元对谐波补偿计算单元输出的Uα′和Uβ′进行空间矢量运算，以产生三相驱动控制信号PWM1、PWM2和PWM3，并将其传输到IGBT模块10以进行调制。

图6是示出根据本发明的示例性实施例的在光伏变流器***1中控制变流器100的方法的流程图。

参照图6，在步骤S601，光伏变流器***1可检测光伏阵列与接触器K1之间的电压Udc1。在步骤S603，光伏变流器***1可确定电压是否大于启动电压Udcrun。如果电压Udc1大于启动电压Udcrun，则在步骤S605，光伏变流器***1可使接触器K1闭合并将变流器100控制为在最大功率点跟踪(MPPT)模式下工作。

如果电压Udc1小于或等于启动电压Udcrun，则在步骤S607，光伏变流器***1可确定电压Udc1是否小于停止电压。当电压Udc1小于第二阈值电压时，光伏变流器***1可使接触器K1断开并将变流器100控制为在先进静止无功发生器(ASVG)模式下工作。

根据本发明的另一示例性实施例，当变流器100停机之后再启动时，光伏变流器***1可使接触器K1和接触器K2断开并使接触器K3闭合以对电容器C2和电容器C1进行充电，并且在完成电容器C2和电容器C1的充电之后，使接触器K2闭合，使接触器K3断开，并将变流器100控制为在ASVG模式下工作。

根据本发明的另一示例性实施例，在变流器100在ASVG模式下工作的情况下，当检测到的电压Udc1大于启动电压Udcrun时，光伏变流器***1可使接触器K1闭合并将变流器100控制为在MPPT模式下工作。

根据本发明的另一示例性实施例，光伏变流器***1可检测直流功率，并基于检测到的直流功率确定启用的变流器的数量。

根据本发明的另一示例性实施例，光伏变流器***1可检测三相电压Uabc和三相电流Iabc，基于三相电压Uabc和三相电流Iabc产生三相驱动控制信号，并将产生的三相驱动控制信号发送到IGBT模块10以进行调制。

如上所述，通过使用根据本发明的示例性实施例的光伏变流器***及其控制方法，能够自适应地自适应地进行切入和切出的同时降低***的故障率。

应理解的是，在此描述的示例性实施例应仅以描述性含义被考虑，而不是为了限制的目的。对于每个示例性实施例中的特征和方面的描述通常应被考虑为可用于其他示例性实施例中的其他类似特征或方面。虽然已参照附图描述了一个或更多个示例性实施例，但本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求限定的精神和范围的情况下，可做出形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种光伏变流器***，包括：

变流器，包括第一接触器(K1)、第二电容器(C2)、电抗器(L)、绝缘栅双极型晶体管IGBT模块(10)、第一电容器(C1)，其中，第一接触器(K1)布置在第二电容器(C2)与光伏阵列之间；

控制器，包括模式控制模块，其中，所述模式控制模块被配置为检测所述光伏阵列与第一接触器(K1)之间的直流电压(Udc1)，当直流电压(Udc1)大于第一阈值电压时，使第一接触器(K1)闭合并将所述变流器控制为在最大功率点跟踪MPPT模式下工作，当直流电压(Udc1)小于第二阈值电压时，所述模式控制模块使第一接触器(K1)断开并将所述变流器控制为在先进静止无功发生器ASVG模式下工作，其中，第一阈值电压大于第二阈值电压。

2.如权利要求1所述的光伏变流器***，其中，所述变流器还包括电阻器、第二接触器(K2)和第三接触器(K3)，其中，第二接触器(K2)布置在电网与电抗器(L)之间，所述电阻器与第三接触器(K3)串联之后，与第二接触器(K2)并联，

其中，所述模式控制模块还被配置为当所述变流器停机之后再启动时，使第一接触器(K1)和第二接触器(K2)断开并使第三接触器(K3)闭合以对第二电容器(C2)和第一电容器(C1)进行充电，并且在完成第二电容器(C2)和第一电容器(C1)的充电之后，所述模式控制模块使第二接触器(K2)闭合，使第三接触器(K3)断开，并将所述变流器控制为在ASVG模式下工作。

3.如权利要求1所述的光伏变流器***，其中，所述模式控制模块还被配置为在所述变流器在ASVG模式下工作的情况下，当直流电压(Udc1)大于第一阈值电压时，使第一接触器(K1)闭合并将所述变流器控制为在MPPT模式下工作。

4.如权利要求1所述的光伏变流器***，其中，所述模式控制模块还被配置为检测直流功率，并基于检测到的直流功率确定启用的所述变流器的数量。

5.如权利要求2所述的光伏变流器***，其中，控制器还包括：调制模块，被配置为检测IGBT模块(10)与电抗器(L)之间的三相电流(Iabc)以及第二接触器(K2)与所述电网之间的三相电压(Uabc)，基于三相电流(Iabc)和三相电压(Uabc)产生三相驱动控制信号，并将产生的三相驱动控制信号发送到IGBT模块(10)以进行调制。

6.一种在包括变流器的光伏变流器***中控制变流器的方法，其中，变流器，包括第一接触器(K1)、第二电容器(C2)、电抗器(L)、绝缘栅双极型晶体管IGBT模块(10)、第一电容器(C1)，其中，第一接触器(K1)布置在第二电容器(C2)与光伏阵列之间，所述方法包括：

检测所述光伏阵列与第一接触器(K1)之间的直流电压(Udc1)；

确定直流电压(Udc1)是否大于第一阈值电压；

当直流电压(Udc1)大于第一阈值电压时，使第一接触器(K1)闭合并将所述变流器控制为在最大功率点跟踪MPPT模式下工作；

如果直流电压(Udc1)小于或等于第一阈值电压，则确定直流电压(Udc1)是否小于第二阈值电压；

当直流电压(Udc1)小于第二阈值电压时，使第一接触器(K1)断开并将所述变流器控制为在先进静止无功发生器ASVG模式下工作，

其中，第一阈值电压大于第二阈值电压。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述变流器还包括电阻器、第二接触器(K2)和第三接触器(K3)，第二接触器(K2)布置在电网与电抗器(L)之间，所述电阻器与第三接触器(K3)串联之后，与第二接触器(K2)并联，

所述方法还包括：

当所述变流器停机之后再启动时，使第一接触器(K1)和第二接触器(K2)断开并使第三接触器(K3)闭合以对第二电容器(C2)和第一电容器(C1)进行充电，并且在完成第二电容器(C2)和第一电容器(C1)的充电之后，使第二接触器(K2)闭合，使第三接触器(K3)断开，并将所述变流器控制为在ASVG模式下工作。

8.如权利要求6所述的方法，其中，使第一接触器(K1)闭合并将所述变流器控制为在最大功率点跟踪MPPT模式下工作的步骤还包括：在所述变流器在ASVG模式下工作的情况下，当直流电压(Udc1)大于第一阈值电压时，使第一接触器(K1)闭合并将所述变流器控制为在MPPT模式下工作。

9.如权利要求6所述的方法，其中，所述方法还包括：检测直流功率，并基于检测到的直流功率确定启用的所述变流器的数量。

10.如权利要求7所述的方法，其中，所述方法还包括：

检测IGBT模块(10)与电抗器(L)之间的三相电流(Iabc)以及第二接触器(K2)与所述电网之间的三相电压(Uabc)；

基于三相电流(Iabc)和三相电压(Uabc)产生三相驱动控制信号；

将产生的三相驱动控制信号发送到IGBT模块(10)以进行调制。