單相單級電流型光伏併網逆變器及其控制方法
2023-05-29 04:45:06
專利名稱：單相單級電流型光伏併網逆變器及其控制方法
技術領域：
本發明屬於光伏併網發電領域，涉及一種單相單級電流型光伏併網逆變器及其控 制方法。
背景技術：
隨著我國城市化進程的加速推進，能源消費總量的增大和落後的能源消費結構， 導致城市化過程中能源供應和環境汙染問題日益嚴重。城市居住區作為能源消耗和環境汙 染的高密度區域，其能源和環境狀況直接關係到城市化建設的成敗。規模化發展綠色能源 是緩解城市能源危機、降低環境汙染的重要途徑。光伏併網發電技術是綠色能源領域近十 年來的重要發展方向，該技術利用併網逆變器將光伏電池直接與電網相連，省掉了體積大、 易損耗的蓄電池；在城市中應用，光伏陣列可以實現與建築的一體化，能夠節省安裝成本， 避免長距離輸配電損耗。因此，許多發達國家為實現能源可持續發展計劃，大力推廣屋頂和 外牆式併網光伏發電技術。我國太陽能資源豐富、城市化率穩步增加，可以借鑑發達國家屋 頂計劃的經驗，通過推廣光伏併網發電技術實現城市居住區的能源改造。在城市居住區光伏發電應用場合中，容量為2kW至5kW的光伏電池通過逆變器連 接至單相電網，在光伏電池確定的情況下，逆變器的性能、效率和成本是能否實現光伏技術 大規模應用的關鍵。現有單相光伏併網逆變器主要包括無變壓器電壓型併網逆變器、基於 升壓變壓器結構的單級電壓型逆變器和電流型逆變器方案，但這些方案在城市居住區光 伏系統中難以應用和推廣，其主要原因為1)無變壓器電壓型併網逆變器是光伏系統最常 用的拓撲結構，但由於只能工作在直流電壓恆定並高於電網電壓峰值的情況，光伏系統一 般採用兩級或多級電路拓撲結構，使得電路結構複雜、可靠性低、功率損耗增加；2)利用多 個光伏電池串聯獲取足夠大的直流電壓，能夠實現無變壓器單級功率變換結構，但系統存 在絕緣設計複雜、漏電流難以控制等安全方面問題；幻基於升壓變壓器的單級電壓型逆變 器，雖然夠實現電氣隔離，但變壓器的引入導致系統體積增大、成本升高、效率降低；4)基 於Z源網絡的電壓型逆變器具有單級升壓併網發電功能，但主電路包含無源元件較多，使 逆變器結構複雜、可靠性難以保證；5)傳統的電流型逆變器也能夠實現單級併網發電，且 短路保護能力強、容量擴展靈活，但直流側需要串聯較大的電感，導致系統效率、體積和成 本均難以滿足城市居住區光伏系統的要求。因而，適用於城市居住區光伏系統的併網逆變 器，至今仍未有理想成熟的解決方案。為實現城市居住區光伏系統的商業化推廣應用，研製 一種成本低、效率高、性能優、結構緊湊、擴展靈活的光伏併網逆變器勢在必行。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提出一種單相單級電流型光伏併網逆變器及其控 制方法，該單相單級電流型光伏併網逆變器以最少功率變換級數、最少元件個數，實現無變 壓器並具有升壓功能的單相單級光伏併網逆變器。本發明的技術解決方案如下
一種單相單級電流型光伏併網逆變器，其特徵在於，由直流側電容C、變流模塊和 輸出濾波器組成；直流側電容與光伏電池相接；變流模塊由1個直流電感L及5個反向阻斷型功率開關組成，所述的5個反向阻 斷型功率開關分別為SWp SWpl、Sffp2, Sffnl與SWn2 ；直流電感L的一端接光伏電池的正極即N點，直流電感L的另一端與SW^的c極即 M點相接，Sffpl的c極和SWnl的c極均接M點JWpl的e極作為變流模塊的一個輸出端即P 點；SWp2的e極和SWn2的e極均與N點相接；SWn2的c極接P點；SWnl的e極與SWp2的c極 相接作為變流模塊的另一個輸出端即Q點；輸出濾波器由電容Cf和電感Lf連接而成，電容Cf接變流模塊的2個輸出端，電感 Lf的一端接P點，Q點對應的變流模塊的輸出端與電感Lf的另一端共同作為併網電流輸出端。直流電感L、電容Cf、電感Lf以及直流側電容C分別按下列公式取值
權利要求
1.一種單相單級電流型光伏併網逆變器，其特徵在於，由直流側電容C、變流模塊和輸 出濾波器組成；直流側電容與光伏電池相接；變流模塊由1個直流電感L及5個反向阻斷型功率開關組成，所述的5個反向阻斷型 功率開關分別為Si、SWpl、Sffp2, Sffnl與SWn2 ；直流電感L的一端接光伏電池的正極即N點，直流電感L的另一端與SW^的c極即M點 相接，Sffpl的c極和SWnl的c極均接M點JWpl的e極作為變流模塊的一個輸出端即P點； Sffp2的e極和SWn2的e極均與N點相接；SWn2的c極接P點；SWnl的e極與SWp2的c極相接 作為變流模塊的另一個輸出端即Q點；輸出濾波器由電容Cf和電感Lf連接而成，電容Cf接變流模塊的2個輸出端，電感Lf的 一端接P點，Q點對應的變流模塊的輸出端與電感Lf的另一端共同作為併網電流輸出端。
2.根據權利要求1所述的單相單級電流型光伏併網逆變器，其特徵在於，直流電感L、 電容Cf、電感Lf以及直流側電容C分別按下列公式取值L ^+，其中八為控制周期，Vp為電網電壓 (t) = VpSin ω t的峰值，，
3.一種單相單級電流型光伏併網逆變器的控制方法，其特徵在於，採用權利要求1或2 所述的單相單級電流型光伏併網逆變器；控制方法為當功率開關SW^導通，電感從直流側吸收能量，電容Cf向電網提供併網電流；功率開關 SWl斷開時，電感L向電容Cf放電，同時若參考電流ig,處於正半周期，Sffpl與^Vp2導通且 Sffnl與SWnl關斷，逆變器輸出正向併網電流；若參考電流ig,處於負半周期，SWnl與SWnl導通 且SWnl與SWnl關斷，逆變器輸出負向併網電流；參考電流ig,與電網電壓 相位相同。
4.根據權利要求1所述的單相單級電流型光伏併網逆變器的控制方法，其特徵在於， 功率開關SWL的調製機制如下\2LI(k)V調製波信號吵)=」τ ^ // Sin(紐)，其中k為基波周期序號，η為控制周期序號式中， V TsUpv(H)Vp為電網電壓峰值，Ip(k)為光伏併網逆變器在第k個基波周期輸出交流電流峰值，ω為電 網基波角頻率，uPV為光伏電池在第η個控制周期的輸出電壓，Ts為控制周期；以Ht)信號為調製波、以控制周期Ts的等腰三角波為載波，調製出
5.根據權利要求3所述的單相單級電流型光伏併網逆變器的控制方法，其特徵在於， 根據以下方法跟蹤單相單級電流型光伏併網逆變器的最大功率點步驟1 根據每個控制周期檢測的光伏電池輸出電壓和電流，計算光伏電池輸出功率 瞬時值；步驟2 由一個基波周期內的光伏電池輸出功率瞬時值，計算該基波周期的光伏電池 輸出功率平均值；步驟3 採用擾動觀察法，確定光伏電池輸出電壓的變化方向與步長，從而得到下個基 波周期內光伏電池輸出電壓的參考值Upv (k+Ι)，且 Upv (k+1) = Upv (k) +
全文摘要
本發明公開了一種單相單級電流型光伏併網逆變器及其控制方法，單相單級電流型光伏併網逆變器由直流側電容C、變流模塊和輸出濾波器組成；直流側電容與光伏電池相接；變流模塊由1個直流電感L及5個反向阻斷型功率開關組成，所述的5個反向阻斷型功率開關分別為SWL、SWp1、SWp2、SWn1與SWn2；輸出濾波器由電容Cf和電感Lf連接而成，電容Cf接變流模塊的2個輸出端。該單相單級電流型光伏併網逆變器以最少功率變換級數、最小無源元件參數，實現無變壓器並具有升壓功能的單相單級光伏併網逆變器。
文檔編號H02J3/38GK102088192SQ20111005018
公開日2011年6月8日 申請日期2011年3月2日 優先權日2011年3月2日
發明者於晶榮, 孫堯, 桂衛華, 潘攀, 王一軍, 王海龍, 王輝, 粟梅, 鄒勇軍, 韓華 申請人:中南大學