非隔離光伏并網逆變器、光伏并網發電系統及控制方法與流程
本發明涉及太陽能光伏發電技術領域，特別涉及一種單相單級非隔離電流源型的逆變器、光伏并網發電系統以及控制方法。
背景技術：
隨著環境、能源問題受到了越來越多的關注，光伏并網發電作為可再生能源利用技術得到了廣泛的重視。但是由于光伏并網發電系統的前期投資較大、發電成本較高等因素，嚴重阻礙了光伏并網發電系統的推廣普及。
光伏并網發電系統一般包括光伏電池板和并網逆變器，并網發電系統將光伏電池板接收的太陽能輻射能量經過高頻直流轉換成高壓直流，然后經過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流。其中，并網逆變器包括電壓型逆變器和電流型逆變器兩大類，電流型逆變器可以提高直流輸入電壓，具有短路保護能力。而且由于電流型逆變器沒有直流母線電容，因此提高了電流型逆變器的使用壽命。
但是，逆變器的成本和體積限制了逆變器的使用，目前的解決方法是采用非隔離型的逆變器，由于在光伏并網系統中省略了笨重的隔離變壓器，使得系統具有結構簡單、重量輕、成本低等優點。但是由于在無隔離變壓器的光伏并網系統中，光伏電池板與公共電網是不隔離的，這將導致光伏電池板和電網電壓連接，使得光伏電池板和大地之間存在這對地電容，因此會產生光伏電池板對地的漏電流，降低了逆變器的工作效率，增加了并網電流的畸變，降低了光伏并網的安全性。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種非隔離光伏并網逆變器、光伏并網發電系統及控制方法，以解決光伏電池板對地漏電流的問題。
為實現以上目的，本發明第一方面提供一種非隔離光伏并網逆變器，包括：與光伏電池板并聯的電容cpv，電容cpv的兩端分別通過單向功率開關vt1、單向功率開關vt2與電感lc的兩端連接，單向功率開關vt3、單向功率開關vt4串聯后并聯在電感lc的兩端。
其中，電容cpv為去耦電容。
其中，電容cpv的正極與單向功率開關vt1的集電極連接，單向功率開關vt1的發射極與所述電感lc的一端連接、基極接地；
電容cpv的負極與單向功率開關vt2的發射極連接，單向功率開關vt2的集電極與所述電感lc的另一端連接、基極接地；
單向功率開關vt3的發射極與單向功率開關vt4的集電極連接，單向功率開關vt4的發射極與所述電感lc的一端連接、基極接地，單向功率開關vt3的集電極與所述電感lc的另一端連接、基極接地。
第二方面，提供一種光伏并網發電系統，包括：
光伏電池板、濾波器以及上述的非隔離光伏并網逆變器，光伏電池板與所述的電容cpv并聯，濾波器的一個端口與非隔離光伏并網逆變器連接、另一端與電網連接。
其中，濾波器包括電容cf和電感lf，電容cf的一端與電感lf的一端連接后與單向功率開關vt3發射極與單向功率開關vt4集電極連接線連接，電容cf的另一端與所述的光伏電池板的負極連接，電容cf的另一端、電感lf的另一端分別與電網的兩端連接。
第三方面，提供一種對上述光伏并網發電系統的控制方法，包括：
控制所述單向功率開關vt1和單向功率開關vt2導通、單向功率開關vt3和單向功率開關vt4斷開，所述光伏電池板對所述電感lc充電，系統工作于電感lc充電模式；
控制所述單向功率開關vt1和單向功率開關vt3導通、單向功率開關vt2和單向功率開關vt4斷開，所述光伏電池板和所述電感lc放電，所述非隔離光伏并網逆變器輸出正向電流且與電感lc電流值相同，系統工作于逆變器輸出正向電流模式；
控制所述單向功率開關vt2和單向功率開關vt4導通、單向功率開關vt1和單向功率開關vt3關閉，所述非隔離光伏并網逆變器輸出反向電流且與電感lc電流值相同，系統工作于逆變器輸出反向電流模式；
控制所述單向功率開關vt3和單向功率開關vt4導通、單向功率開關vt1和單向功率開關vt2斷開，電感lc電流值保持不變，所述非隔離光伏并網逆變器輸出電流值為零，系統工作于電感lc續流模式。
其中，對上述非隔離光伏并網逆變器進行電流滯環控制，包括對并網電流正半周期的控制和對并網電流負半周期的控制。
其中，并網電流正半周期控制，具體包括：
采集t1時刻的電流ig，在ig＜imin時，控制所述單向功率開關vt1和單向功率開關vt3導通，系統工作于逆變器輸出正向電流模式，以控制ig增大來跟蹤并網電流給定值iref；
在imin＜ig＜imax時，若判斷所述電感lc電流值ilc＜ilc-ref，控制所述單向功率開關vt1、單向功率開關vt2導通，系統工作于電感lc充電模式；
在imin＜ig＜imax時，若判斷所述電感lc電流值ilc＞ilc-ref，控制所述單向功率開關vt3和單向功率開關vt4導通，系統工作于電感lc續流模式；
在ig＞imax時，若判斷ilc＞ilc-ref，控制所述單向功率開關vt2和單向功率開關vt4導通，系統工作于逆變器輸出反向電流模式以控制ig減小；
在ig＞imax時，若判斷ilc＜ilc-ref，所述單向功率開關vt1、單向功率開關vt2導通，系統工作于電感lc充電模式以控制ig減小，其中ilc-ref為電感電流ilc的參考值。
其中，并網電流負半周期控制，具體包括：
采集t1時刻的電流ig，在ig＞imax時，控制所述單向功率開關vt2和單向功率開關vt4導通，系統工作于逆變器輸出反向電流模式以控制ig減小；
在imin＜ig＜imax時，若判斷所述電感lc電流值ilc＜ilc-ref，控制所述單向功率開關vt1、單向功率開關vt2導通，系統工作于電感lc充電模式；
在imin＜ig＜imax時，若判斷所述電感lc電流值ilc＞ilc-ref，控制所述單向功率開關vt3和單向功率開關vt4導通，系統工作于電感lc續流模式；
在ig＜imin時，若判斷ilc＞ilc-ref，控制所述單向功率開關vt1和單向功率開關vt3導通，系統工作于逆變器輸出正向電流模式，以控制ig增大來跟蹤并網電流給定值iref；
在ig＞imax時，若判斷ilc＜ilc-ref，所述單向功率開關vt1、單向功率開關vt2導通，系統工作于電感lc充電模式以控制ig減小。
其中，控制ig增大來跟蹤并網電流給定值iref，具體包括：
利用電壓傳感器采集所述光伏電池板的輸出電壓、采集所述電網的電壓交流信號，以及利用電流傳感器采集所述光伏電池板的輸出電流；
根據最大功率跟蹤算法計算所述光伏電池板的最大功率；
根據所述光伏電池板的最大功率，計算并網電流給定的幅值；
將所述電網的電壓交流信號經低通濾波器濾波后，進入單相鎖相環得到相角信號；
根據相角信號和并網電流給定的幅值，計算并網電流給定值iref以實現控制ig增大跟蹤并網電流給定值iref。
與現有技術相比，本發明存在以下技術效果：本發明提出的非隔離光伏并網逆變器中采用了四個單向功率開關控制電流單向流動，無需在逆變器中增加反并聯二極管，與傳統的非隔離電流源型光伏并網逆變器相比，使用的組件較少、降低了逆變器的使用成本而且減少了逆變器的體積。同時，在光伏并網發電系統中，光伏電池板對地的電容被旁路，我國220v/380v的低壓配電系統廣泛采用中性點直接接地的運行方式，單向電網接地電阻近似于零，所以光伏電池板對地電容的兩端電壓是恒定的，因此流過光伏電池板對地電容的電流近似于零，消除了光伏并網逆變器的對地漏電現象。
附圖說明
下面結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細描述：
圖1是本發明中一種非隔離光伏并網逆變器的電路結構示意圖；
圖2是本發明中一種光伏并網發電系統的結構示意圖；
圖3是本發明中非隔離光伏并網逆變器對地漏電流路徑示意圖；
圖4是本發明中光伏并網發電系統工作在電感充電模式下的等效電路示意圖；
圖5本發明中光伏并網發電系統工作在逆變器輸出正向電流模式下的等效電路示意圖；
圖6是本發明中光伏并網發電系統工作在逆變器輸出反向電流模式下的等效電路示意圖；
圖7是本發明中光伏并網發電系統工作在電感續流模式下的電路示意圖；
圖8是本發明中采用電流滯環對非隔離光伏并網逆變器進行控制的等效示意圖；
圖9是本發明中對并網電流正半周期進行控制的流程示意圖；
圖10是本發明中對并網電流負半周期進行控制的流程示意圖；
圖11是本發明中實時計算并網電流給定值iref的流程示意圖。
具體實施方式
為了更進一步說明本發明的特征，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖。所附圖僅供參考與說明之用，并非用來對本發明的保護范圍加以限制。
實施例一
如圖1所示，本實施例公開了一種非隔離光伏并網逆變器，包括：電容cpv、電感lc以及四個單向功率開關，電容cpv的兩端分別通過單向功率開關vt1、單向功率開關vt2與電感lc的兩端連接，單向功率開關vt3、單向功率開關vt4串聯后并聯在電感lc的兩端。
進一步地，上述的電容cpv為去耦電容。去耦電容安裝在電源的兩端，可以提供比較穩定的電源，使得輸入的直流電源不會因為開關器件的故障而短路。同時，由于本實施例中的逆變器為電流源型逆變器，可以提高輸入電壓，使得單個光伏電池板可以直接連接單相電網。
進一步地，電容cpv的正極與單向功率開關vt1的集電極連接，單向功率開關vt1的發射極與所述電感lc的一端連接、基極接地；
電容cpv的負極與單向功率開關vt2的發射極連接，單向功率開關vt2的集電極與所述電感lc的另一端連接、基極接地；
單向功率開關vt3的發射極與單向功率開關vt4的集電極連接，單向功率開關vt4的發射極與所述電感lc的一端連接、基極接地，單向功率開關vt3的集電極與所述電感lc的另一端連接、基極接地。
本實施例中并網逆變器采用的是電流源型逆變器，電容cpv的電流ipv從光伏電池板的正極進行單向流出，只需單向功率開關即可滿足要求，無需增加反并聯二極管，使得逆變器中的組件的數量減少了，降低了逆變器的成本和縮小了逆變器的體積。
實施例二
如圖2所示，本實施例公開了一種光伏并網發電系統，包括：光伏電池板10、濾波器20以及上述的非隔離光伏并網逆變器30，光伏電池板10與電容cpv并聯，濾波器20的一個端口與非隔離光伏并網逆變器30連接、另一端與電網40連接。
進一步地，濾波器20包括電容cf和電感lf，電容cf的一端與電感lf的一端連接后與單向功率開關vt3發射極與單向功率開關vt4集電極連接線連接，電容cf的另一端與所述的光伏電池板的負極連接，電容cf的另一端、電感lf的另一端分別與電網的兩端連接。
需要說明的是，非隔離光伏并網逆變器對地漏電流的路徑示意圖如圖3所示，其中，c地表示光伏電池板10對地的電容，r地表示單向電網40的接地電阻，
實施例三
如圖4至7所示，本實施例公開了一種對上述光伏并網發電系統的控制方法，在圖4至7中，虛線表示電路為斷開狀態，實線表示電路為通路狀態。該控制過程包括四種模式：
電感lc充電模式：如圖4所示，控制單向功率開關vt1和單向功率開關vt2導通、單向功率開關vt3和單向功率開關vt4斷開，光伏電池板10對電感lc充電，單相電網40和電感lf、電容cf構成閉合回路，非隔離光伏并網逆變器30的輸出電流iinv為零。
逆變器輸出正向電流模式：如圖5所示，控制單向功率開關vt1和單向功率開關vt3導通、單向功率開關vt2和單向功率開關vt4斷開，光伏電池板10和電感lc放電釋放能量，非隔離光伏并網逆變器30輸出正向電流iinv且與電感lc電流值相同即ilc＝iinv。
逆變器輸出反向電流模式：如圖6所示，控制單向功率開關vt2和單向功率開關vt4導通、單向功率開關vt1和單向功率開關vt3關閉，非隔離光伏并網逆變器30輸出反向電流iinv且與電感lc電流值ilc相同。
電感lc續流模式：如圖7所示，控制單向功率開關vt3和單向功率開關vt4導通、單向功率開關vt1和單向功率開關vt2斷開，電感lc電流值ilc保持不變，非隔離光伏并網逆變器30輸出電流值iinv為零。
進一步地，本實施例對非隔離光伏并網逆變器3采用電流滯環控制，包括對并網電流正半周期的控制和對并網電流負半周期的控制。
在實際應用中，為了操作方便，實際并網電流用ig表示，并網電流給定值用iref表示，電感lc電流的給定參考值用ilc-ref表示，由于本實施例中的逆變器為電流源型逆變器，所以參考電流值ilc-ref為直流量。
iref＝irefsin(ωt+θ)，
其中，iref為并網電流給定的幅值，ω為電網角頻率，θ為初相角。
由于非隔離光伏并網逆變器30輸出電流iinv為pwm電流，其值等于電感lc電流ilc，為了能量由光伏電池板10輸出至單相電網40，iinv應大于iref，即電感lc電流的給定參考值ilc-ref應大于iref，本實施例中設定ilc-ref＝3iref。為了保證單位功率因數并網，并網電流應與電網電壓同相位，因此電網40電壓表達式為：ug＝umsin(ωt+θ)，其中ug為電網電壓瞬時值，um為電網電壓幅值。
如圖8所示，在滯環控制過程中，根據電流跟蹤偏差來控制四個單向功率開關的開/關狀態，其中滯環環寬用h表示，實際并網電流ig的控制結果應滿足imin＜ig＜imax，其中：
imax＝iref+h＝irefsin(ωt+θ)+h,
imin＝iref-h＝irefsin(ωt+θ)-h。
進一步地，如圖9所示，對并網電流正半周期的控制過程具體包括：
采集t1時刻的電流ig，在ig＜imin時，控制所述單向功率開關vt1和單向功率開關vt3導通，系統工作于逆變器輸出正向電流模式，以控制ig增大來跟蹤并網電流給定值iref；
在imin＜ig＜imax時，若判斷所述電感lc電流值ilc＜ilc-ref，控制所述單向功率開關vt1、單向功率開關vt2導通，系統工作于電感lc充電模式；
在imin＜ig＜imax時，若判斷所述電感lc電流值ilc＞ilc-ref，控制所述單向功率開關vt3和單向功率開關vt4導通，系統工作于電感lc續流模式；
在ig＞imax時，若判斷ilc＞ilc-ref，控制所述單向功率開關vt2和單向功率開關vt4導通，系統工作于逆變器輸出反向電流模式以控制ig減小；
在ig＞imax時，若判斷ilc＜ilc-ref，所述單向功率開關vt1、單向功率開關vt2導通，系統工作于電感lc充電模式以控制ig減小，其中ilc-ref為電感電流ilc的參考值。
進一步地，如圖10所示，對并網電流負半周期的控制過程包括：
采集t1時刻的電流ig，在ig＞imax時，控制所述單向功率開關vt2和單向功率開關vt4導通，系統工作于逆變器輸出反向電流模式以控制ig減小；
在imin＜ig＜imax時，若判斷所述電感lc電流值ilc＜ilc-ref，控制所述單向功率開關vt1、單向功率開關vt2導通，系統工作于電感lc充電模式；
在imin＜ig＜imax時，若判斷所述電感lc電流值ilc＞ilc-ref，控制所述單向功率開關vt3和單向功率開關vt4導通，系統工作于電感lc續流模式；
在ig＜imin時，若判斷ilc＞ilc-ref，控制所述單向功率開關vt1和單向功率開關vt3導通，系統工作于逆變器輸出正向電流模式，以控制ig增大來跟蹤并網電流給定值iref；
在ig＞imax時，若判斷ilc＜ilc-ref，所述單向功率開關vt1、單向功率開關vt2導通，系統工作于電感lc充電模式以控制ig減小。如下：
需要說明的是，電壓型光伏并網逆變器中逆變器的直流側電壓必須大于單相交流電網電壓的峰值，一般要在350v以上，才能實現并網運行，而單個光伏組件的輸出電壓達不到，為了滿足電壓匹配，一般光伏并網逆變器前級都有一個dc-dc變換器而上述實施例公開的非隔離光伏并網逆變器采用的是電流源型逆變器，本身具有升壓的能力，因此不需要額外的dc-dc變換器。
根據光伏電池板10的最大功率pmpp來計算得到并網電流給定值iref，通過對該電流給定值的跟蹤實現光伏電池板最大功率的跟蹤。因此，光伏電池板最大功率的跟蹤靠逆變器本身即可實現。
pgrid＝ηpmpp，
其中，pgrid表示非隔離光伏并網逆變器30輸出到單相電網40的功率，η為非隔離光伏并網逆變器30的效率。
如圖11所示，控制ig增大來跟蹤并網電流給定值iref，具體包括：
利用電壓傳感器采集光伏電池板10的輸出電壓upv、采集電網40的電壓瞬時值ug，以及利用電流傳感器采集光伏電池板10的輸出電流ipv；
根據最大功率跟蹤算法計算光伏電池板10的最大功率；
需要說明的是，這里的最大功率跟蹤算法包括但不限于擾動觀察法、電導調制法等方法。
根據光伏電池板10的最大功率，計算并網電流給定的幅值iref；
將電網40的電壓交流信號經低通濾波器濾波后，進入單相鎖相環得到相角信號sin(ωt+θ)；
根據相角信號和并網電流給定的幅值，計算并網電流給定值iref以實現控制ig增大跟蹤并網電流給定值iref。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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