[發明專利]單相光伏并網發電系統功率解耦電路及其控制方法

有效

• 申請號: 201210142055.7
• 申請日: 2012-05-07
• 公開（公告）號: CN102638059A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 葛蘆生;陳宗祥;何勝方;王喆
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 蔣海軍

1.單相光伏并網發電系統功率解耦電路，它包括從左至右依次并聯的光伏電源（1）、BOOST升壓單元（2）、全橋逆變單元（3）、LC濾波單元（5）和電網（6），其特征在于:它還包括功率解耦單元（4），所述的功率解耦單元（4）連接在全橋逆變單元（3）與LC濾波單元（5）之間，所述的功率解耦單元（4）由MOSFET開關管S_c1、MOSFET開關管S_c2和電感L_c組成，所述的MOSFET開關管S_c1與MOSFET開關管S_c2串聯后與全橋逆變單元（3）的輸入端并聯，所述的電感L_c的一端接在MOSFET開關管S_c1與MOSFET開關管S_c2之間，電感L_c另一端接入全橋逆變單元（3）的左半橋MOSFET開關管S₁和MOSFET開關管S₂之間。

2.根據權利要求1所述的單相光伏并網發電系統功率解耦電路，其特征在于，所述的光伏電源（1）包括輸入電容C_PV和光伏電池陣列PV，所述的輸入電容C_PV和光伏電池陣列PV并聯。

3.根據權利要求2所述的單相光伏并網發電系統功率解耦電路，其特征在于，所述的BOOST升壓單元（2）由電感L_main、MOSFET開關管Q、二極管D_S和輸出電容C_bus組成，電感L_main一端與二極管D_S的正極連接、二極管D_S的負極與輸出電容C_bus一端連接，輸出電容C_bus另一端接地，所述的電感L_main、二極管D_S和輸出電容C_bus依次串聯后與光伏電源（1）并聯，所述的MOSFET開關管Q的漏極接在電感L_main與二極管D_S之間，MOSFET開關管Q的源極接地。

4.根據權利要求3所述的單相光伏并網發電系統功率解耦電路，其特征在于，所述的全橋逆變單元（3）由MOSFET開關管S₁、MOSFET開關管S₂、MOSFET開關管S₃和MOSFET開關管S₄組成，MOSFET開關管S₁與MOSFET開關管S₂，MOSFET開關管S₃與MOSFET開關管S₄串聯后分別與輸出電容C_bus并聯。

5.根據權利要求1或4所述的單相光伏并網發電系統功率解耦電路，其特征在于，所述的LC濾波單元（5）是由電感L和電容C組成，電感L的一端與電感L_c的一端連接，所述的電容C的正極與電感L的另一端連接，電容C的負極接入MOSFET開關管S₃和MOSFET開關管S₄之間。

6.單相光伏并網發電系統功率解耦電路的控制方法，其步驟為：

1）光伏電源（1）的電壓經BOOST升壓單元（2）進行升壓；

2）經步驟1）升壓后的直流電壓通過全橋逆變單元（3）逆變成交流電壓，全橋逆變單元（3）的控制方法采用的是直流電壓外環和并網電流內環的雙閉環控制；全橋逆變單元（3）具體工作過程為：MOSFET開關管S₁和MOSFET開關管S₄在同一個時序開通關斷，MOSFET開關管S₂和MOSFET開關管S₃在同一個時序開通關斷，通過控制MOSFET開關管S₁、S₂、S₃和S₄在一個周期內交替通斷來實現逆變的功能，四個MOSFET開關管S₁、S₂、S₃和S₄的驅動信號產生方法如下：從輸出電容C_bus上提取電壓V_bus（t）與給定的電壓信號V_bus(t)^＊相比較,得到的差值進行PI調節后，與電網（6）上采的電網電壓相位P_grid相乘得到電流信號i_grid^＊，其中電網電壓相位P_grid由電網（6）上采的電壓信號經過鎖相環得到的，得到的電流信號i_grid^＊再與從電網（6）上提取的電流i_grid進行比較得出的差值信號經過PI調節后送入PWM產生器，產生四個MOSFET開關管S₁、S₂、S₃和S₄的驅動信號；

3）通過控制功率解耦單元（4）中MOSFET開關管S_c1和MOSFET開關管S_c2的開通關斷時序，在電感L_c上產生一個大小與并網功率中的二倍頻功率向量相等、方向相反的功率向量，抵消并網功率中的二倍頻功率向量；功率解耦單元（4）具體工作過程為：從全橋逆變單元（3）輸入端提取電壓V_bus（t）與給定的電壓信號V_bus（t）^＊相比較，得到的差值進行PI調節后乘以比例常數K進行放大，K取0.3，再與電感L_c的相位Phase相乘得到電流信號i_c^＊，電流信號i_c^＊與從電感L_c上采來的電流i_c進行比較，得到的差值經過PI調節后送入PWM信號發生器，產生MOSFET開關管S_c1和MOSFET開關管S_c2驅動信號；其中，電感L_c上的相位Phase計算方法如下：

設電網（6）電壓v_g和LC濾波單元（5）中的電感L上電流i_g分別為：

vg=Vgridsinωtig=Igridsin(ωt+α)---(1)]]>

其中：ω＝2πf,ω為電網的角頻率，f為電網頻率，α為并網電流滯后電網電壓角度,v_g為電網電壓，i_g為并網電流，V_grid為電網電壓有效值，I_grid為并網電流的有效值；

根據式（1），整個單相光伏并網發電系統向電網（6）輸出功率則有：

P=vg·ig=Vgridsinωt·Igridsin(ωt+α)]]>

=12IgridVgridcosα-12IgridVgridcosαcos2ωt+12IgridVgridsinαsin2ωt---(2)]]>

=P1+P2]]>

其中：

P1=12IgridVgridcosα]]>

P2=-12IgridVgridcosαcos2ωt+12IgridVgridsinαsin2ωt;]]>

式（2）中P為電網輸入功率，v_g為電網電壓，i_g為并網電流，ω為電網的角頻率，α為并網電流滯后電網電壓角度，V_grid為電網電壓有效值，I_grid為并網電流的有效值；

設電感L_c上的電流i_c＝I_Csin(ωt+β)，則L_c上電壓為：

vc=Lc·dicdt=LcLCωcos(ωt+β)---(3)]]>

其中，v_c為電感L_c上的電壓，L_c為電感L_c的值，i_c為電感L_c上的電流，I_c為電感L_c上的電流的有效值，ω為電網的角頻率，β為電感L_c上的電流的相位角；

因此，得到電感L_c上的功率向量：

Pc=Vc·ic=LcIcωcos(ωt+β)·Icsin(ωt+β)]]>

=12IC2Lcω(sin2βcos2ωt+cos2βsin2ωt)---(4)]]>

其中，P_c為電感L_c上的功率向量，v_c為電感L_c上的電壓，L_c為電感L_c的值，i_c為電感L_c上的電流，I_c為電感L_c上的電流的有效值，ω為電網的角頻率，β為電感L_c上的電流的相位角；

若電感L_c上的功率向量P_c和向量P₂大小相等、方向相反，控制目標即可實現，因此，存在：

IC=VgridLcωIgridIgrid---(5)]]>

β=12(α+π2)---(6)]]>

式中，I_c為電感L_c上的電流的有效值，L_c為電感L_c的值，ω為電網的角頻率，β為電感L_c上的電流的相位角，V_grid為電網電壓有效值，I_grid為并網電流的有效值，α為并網電流滯后電網（6）電壓角度；

在光伏并網系統中，并網電流的功率因數為1，此時α＝0，所以所以電感L_c上的電流為：

ic=Icsin(ωt+π4)---(7)]]>

則電感L_c上的相位Phase為：

sin(ωt+π4)---(8)]]>

4）從步驟3）輸出的交流并網電壓信號由LC濾波單元（5）濾波后接入電網（6）。