光伏逆变器及其Boost变换器的控制方法与流程

光伏逆变器及其boost变换器的控制方法
【技术领域】
1.本发明涉及光伏逆变器的boost电路控制领域，特别涉及一种光伏逆变器及其boost变换器的控制方法。


背景技术：

2.以风能与太阳能为代表的分布式发电系统作为可再生能源利用的主要方式之一，既能支配现有电网的经济运行，又清洁环保，在电力系统的应用比重日益增加。boost变换器作为一种结构简单，使用场合较广的升压型电路变换器，广泛应用于各种功率等级的光伏逆变器中，调节光伏阵列输出电压，并实现最大功率点追踪(mppt)。稳定的直流电压控制和良好的mppt追踪对逆变器安全稳定高效经济运行至关重要。因此，如何实现boost变换器直流电压的稳定控制，提高对光伏阵列输出电压、负荷变换的抗干扰能力和支持电网安全快速调度是提高boost变换器控制性能的关键。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于提供一种光伏逆变器及其boost变换器的控制方法，其具有较高的适应性，可以保障boost变换器的安全运行。
4.为了解决上述问题，根据本发明的第一个方面，本发明提供一种光伏逆变器的boost变换器的控制方法，其包括：获取光伏阵列输出电压反馈信号vpvfb、直流母线电压反馈信号vbusfb和电感电流反馈信号ilfb；将光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
减去所述光伏阵列输出电压反馈信号v
pvfb
后，经过第一电压调节器gcp，得到第一控制信号v
mp
；将最大电感电流i
lmax
减去所述电感电流反馈信号i
lfb
后，经过电流调节器gci，得到第二控制信号v
mi
；将直流母线电压参考信号v
busref
减去所述直流母线电压反馈信号v
busfb
后，经过第二电压调节器gcb，得到第三控制信号v
mb
；从所述第一控制信号v
mp
、第二控制信号v
mi
和第三控制信号v
mb
中选取最小值，作为调制信号vm；将所述调制信号vm送入pwm生成器，产生驱动所述boost变换器中的开关管sb的pwm信号。
5.进一步的，所述光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
是由mppt模块将光伏阵列输出电压v
pv
和电感电流i
l
，经过最大功率跟踪算法处理后得到的。
6.进一步的，当所述电感电流反馈信号i
lfb
小于最大电感电流i
lmax
，且所述直流母线电压反馈信号v
busfb
小于所述直流母线电压参考信号v
busref
时，所述第二电压调节器gcb和所述电流调节器gci丧失控制权，所述第一电压调节器gcp取得控制权，所述调制信号vm等于所述第一电压调节器gcp输出的所述第一控制信号v
mp
。
7.进一步的，当所述电感电流反馈信号i
lfb
大于所述最大电感电流i
lmax
时，所述第二电压调节器gcb和所述第一电压调节器gcp丧失控制权，所述电流调节器gci取得控制权，所述调制信号vm等于所述电流调节器gci输出的所述第二控制信号v
mi
。
8.进一步的，当所述直流母线电压反馈信号v
busfb
高于所述直流母线电压参考信号v
busref
时，所述第一电压调节器gcp和所述电流调节器gci丧失控制权，所述第二电压调节器
gcb取得控制权，所述调制信号vm等于所述第二电压调节器gcb输出的第三控制信号v
mb
。
9.根据本发明的另一个方面，本发明提供一种光伏逆变器，其采用了上述boost变换器的控制方法，其包括光伏阵列、boost变换器、直流母线电容c
bus
和boost控制器，所述boost变换器包括输入电容c
pv
、滤波电感l
pv
、开关管sb和续流二极管db。所述boost控制器包括：第一电压调节器gcp，其用于将所述光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
减去所述光伏阵列输出电压反馈信号v
pvfb
得到的差值，处理得到第一控制信号v
mp
；电流调节器gci，其用于将所述最大电感电流i
lmax
减去所述电感电流反馈信号i
lfb
得到的差值，处理得到第二控制信号v
mi
；第二电压调节器gcb，其用于将所述直流母线电压参考信号v
busref
减去所述直流母线电压反馈信号v
busfb
得到的差值，处理得到第三控制信号v
mb
；取小模块min，其用于从所述第一控制信号v
mp
、第二控制信号v
mi
和第三控制信号v
mb
中选取最小值，并将该最小值作为调制信号vm输出；pwm生成器，其用于基于所述调制信号vm产生驱动所述boost变换器的开关管sb的pwm信号。
10.进一步的，所述光伏逆变器还包括：并网逆变器，其连接于所述boost变换器的输出端，其用于将所述boost变换器输出的直流电转换为交流电。
11.进一步的，所述光伏逆变器还包括：第一采样电路h
vp
，其用于将光伏阵列输出电压v
pv
等效处理为所述光伏阵列输出电压反馈信号v
pvfb
；第二采样电路hi，其用于将电感电流i
l
等效处理为所述电感电流反馈信号i
lfb
；第三采样电路h
vb
，其用于将直流母线电压v
bus
等效处理为所述直流母线电压反馈信号v
busfb
。
12.进一步的，所述第一采样电路h
vp
、第二采样电路hi和第三采样电路h
vb
为一阶或多阶低通滤波器。
13.进一步的，所述光伏逆变器还包括：mppt模块，其用于将光伏阵列输出电压v
pv
和电感电流i
l
，经过最大功率跟踪算法处理后，产生所述光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
。
14.相对于现有技术，本发明通过交换boost控制器的三个调节器的控制权，实现了boost变换器的不同控制目标和功能，从而增强了boost变换器120的适应范围保障了boost变换器的安全运行。
15.关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。
【附图说明】
16.结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：
17.图1为现有技术中的一种传统光伏逆变器的结构示意图；
18.图2为本发明在一个实施例中的光伏逆变器的结构示意图；
19.图3为本发明在一个实施例中如图2所示的boost变换器的控制方法的流程图；
20.图4为本发明在另一个实施例中的光伏逆变器的结构示意图；
21.图5为本发明在一个实施例中的boost控制器的mppt工作状态示意图；
22.图6为本发明在一个实施例中的boost控制器的限流工作状态示意图；
23.图7为本发明在一个实施例中的boost控制器的bus限压工作状态示意图。
【具体实施方式】
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。本发明中的“多个”、“若干”表示两个或两个以上。本发明中的“和/或”表示“和”或者“或”。
26.图1展示出了现有技术中的一种传统光伏逆变器的结构示意图，该传统光伏逆变器包括光伏阵列110、boost变换器120、直流母线电容cbus、并网逆变器130、公共电网vg和boost控制器140。其中，boost变换器120由输入电容c
pv
、滤波电感l
pv
、开关管sb和续流二极管db组成；h
vp
、h
vb
和hi分别为光伏阵列输出电压v
pv
，直流母线电压v
bus
和电感电流i
l
硬件采样处理电路等效传递函数，一般为一阶低通滤波器，根据h
vp
，h
vb
和hi可以分别得到光伏阵列输出电压反馈信号v
pvfb
，直流母线电压反馈信号v
busfb
和电感电流反馈信号i
lfb
，这些信号的物理意义为信号v
pv
、v
bus
和i
l
的开关周期平均值；gcp和gci分别为电压调节器和电流调节器。
27.光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
减去电压反馈信号v
pvfb
得到电压误差信号，该误差信号经过调节器gcp，得到电感电流参考信号i
lref
；电感电流参考信号i
lref
减去电流反馈信号i
lfb
得到电流误差信号，该误差信号经过调节器gci，并除以直流母线电压反馈信号v
busfb
，得到调制信号vm，该调制信号经过pwm发生器后，得到boost开关管驱动信号，通过调节开关管sb开通和关断时间，使得电感电流i
l
跟踪电感电流参信号考i
lref
，进而使得光伏阵列输出电压v
pv
可以跟踪电压参考信号v
pvref
。
28.从图1中可以看出，由于boost控制器140并未对直流母线电压v
bus
进行闭环控制，在面板光照和电网负荷快速变化以及电网快速调度中将会导致母线电压剧烈波动，甚至过压，造成系统不稳定。
29.针对上述技术问题，本发明提供一种光伏逆变器及其boost变换器的控制方法。
30.请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中的光伏逆变器的结构示意图。图2所示的光伏逆变器包括光伏阵列110、boost变换器(或升压变换器)120、直流母线电容c
bus
、并网逆变器130和boost控制器240。
31.光伏阵列110用于将太阳能转化为电能。
32.boost变换器120的输入端与光伏阵列110的输出端相连，boost变换器120为一种升压型dc-dc变换器。在图2所示的实施例中，boost变换器120包括输入电容c
pv
、滤波电感l
pv
、开关管sb和续流二极管db，其中，输入电容c
pv
连接于光伏阵列110的输出正极和输出负极之间；滤波电感l
pv
的一端与光伏阵列110的输出正极相连，其另一端与续流二极管db的正极相连，续流二极管db的负极与boost变换器120的输出正极相连；开关管sb的一端与滤波电感l
pv
和续流二极管db之间的连接节点相连，其另一端与光伏阵列110的输出负极和boost变换器120的输出负极相连。
33.boost控制器240的输入端与光伏阵列110的输出端和boost变换器120的输出端相连，其输出端产生pwm(pulse width modulation，即脉冲宽度调制)信号，该pwm信号作用在
boost变换器120中的开关管sb上，通过控制开关管sb的开关时间达到控制boost变换器120输出的目的。
34.直流母线电容c
bus
连接于boost变换器120的输出正极和输出负极之间。并网逆变器130连接于boost变换器120的输出端，其用于将boost变换器120输出的直流电转换为交流电，并将该交流电提供给公共电网vg。
35.在图2所示的具体实施例中，boost控制器240包括第一采样电路h
vp
、第二采样电路hi、第三采样电路h
vb
、电流调节器gci、第一电压调节器gcp、第二电压调节器gcb、取小模块min和pwm发生器(或脉冲宽度调制信号发生器)。
36.请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中如图2所示的boost变换器120的控制方法的流程图。图3所示的光伏逆变器的boost变换器的控制方法包括如下步骤。
37.步骤310、获取光伏阵列输出电压反馈信号v
pvfb
、直流母线电压反馈信号v
busfb
和电感电流反馈信号i
lfb
。其中，第一采样电路h
vp
用于将光伏阵列输出电压v
pv
等效处理为光伏阵列输出电压反馈信号v
pvfb
；第二采样电路hi用于将电感电流i
l
等效处理为电感电流反馈信号i
lfb
；第三采样电路h
vb
用于将直流母线电压v
bus
等效处理为直流母线电压反馈信号v
busfb
。在一个实施例中，第一采样电路h
vp
、第二采样电路hi和第三采样电路h
vb
为一阶或多阶低通滤波器。
38.步骤320、将光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
减去光伏阵列输出电压反馈信号v
pvfb
后，经过第一电压调节器gcp，得到第一控制信号v
mp
；将最大电感电流i
lmax
减去电感电流反馈信号i
lfb
后，经过电流调节器gci，得到第二控制信号v
mi
；将直流母线电压参考信号v
busref
减去直流母线电压反馈信号v
busfb
后，经过第二电压调节器gcb，得到第三控制信号v
mb
。其中，第一电压调节器gcp用于将光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
减去光伏阵列输出电压反馈信号v
pvfb
得到的差值，处理得到第一控制信号v
mp
；电流调节器gci用于将最大电感电流i
lmax
减去电感电流反馈信号i
lfb
得到的差值，处理得到得到第二控制信号v
mi
；第二电压调节器gcb用于将直流母线电压参考信号v
busref
减去直流母线电压反馈信号v
busfb
得到的差值，处理得到第三控制信号v
mb
。
39.步骤330、从第一控制信号v
mp
、第二控制信号v
mi
和第三控制信号v
mb
中选取最小值，作为调制信号vm。其中，取小模块min用于从第一控制信号v
mp
、第二控制信号v
mi
和第三控制信号v
mb
中选取最小值，并将该最小值作为调制信号vm输出。
40.步骤340、将调制信号vm送入pwm生成器，产生驱动boost变换器120的开关管sb的pwm信号，通过调节开关管sb开通和关断时间，控制boost变换器120即可以使光伏阵列输出电压v
pv
跟踪光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
，使逆变器顺利并网发电；又可以在电网负荷快速变化或者电网快速调度时保障直流母线电压v
bus
的稳定。其中，pwm生成器用于基于调制信号vm产生驱动boost变换器120的开关管sb的pwm信号。
41.请参考图4所示，其为本发明在另一个实施例中的光伏逆变器的结构示意图。图4所示的光伏逆变器包括光伏阵列110、boost变换器120、直流母线电容c
bus
、并网逆变器130、boost控制器240和mppt(maximum power point tracking，即最大功率点跟踪)模块250。
42.其中，图4所示的光伏阵列110、boost变换器120、直流母线电容c
bus
、并网逆变器130和boost控制器240与图3所示的相应部分结构一致，在此不再赘述。mppt模块250用于将光伏阵列输出电压v
pv
和电感电流i
l
，经过最大功率跟踪算法处理后，产生光伏阵列输出电
压参考信号v
pvref
。mppt模块250可以采用现有技术中的最大功率跟踪算法，在此不再赘述。
43.下面结合图2和图4对图3所示的boost变换器的控制过程进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。
44.通常光伏逆变器利用mppt模块250计算得到光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
，经过boost控制器240调节后，得到高压直流母线电压v
bus
，然后并网逆变器130便可将光伏阵列110输出的直流功率转换成交流功率馈入电网vg中，此为光伏逆变器的基本工作原理，如图4所示。在此过程中，由于电感电流反馈信号i
lfb
相较于boost变换器120的最大电感电流i
lmax
小，经过电流调节器gci后，第二控制信号v
mi
达到饱和值v
m_max
；直流母线电压v
bus
由于后级并网逆变器130调节缘故，导致直流母线电压反馈信号v
busfb
持续小于直流母线电压参考信号v
busref
，经过第二电压调节器gcb后，第三控制信号v
mb
也达到饱和值vm_max，因此，第二电压调节器gcb和电流调节器gci丧失控制权(如图5阴影部分)，第一电压调节器gcp取得控制权，调制信号vm满足vm＝v
mp
，即调制信号vm等于第一电压调节器gcp输出的第一控制信号v
mp
，经过pwm发生器后，得到驱动boost变换器120的开关管sb的pwm信号，进而使得boost变换器120可以顺利追踪光伏阵列输出曲线，最终在输出曲线的最大功率点稳定运行，此状态也被称为boost变换器120的mppt工作状态，其中，图5为本发明在一个实施例中的boost控制器的mppt工作状态示意图。也就是说，当电感电流反馈信号i
lfb
小于最大电感电流i
lmax
，且直流母线电压反馈信号v
busfb
小于直流母线电压参考信号v
busref
时，第二电压调节器gcb和电流调节器gci丧失控制权，第一电压调节器gcp取得控制权，调制信号vm等于第一电压调节器gcp输出的第一控制信号v
mp
。
45.若光伏逆变器在mppt追踪过程中可能遇到电感电流反馈信号i
lfb
高于boost变换器120的最大电感电流i
lmax
时，经过电流控制器gci第二控制信号v
mi
将降低；同时，第一控制信号v
mp
因第一电压调节器gcp调节而趋于并最终达到饱和值v
m_max
。因此，第二电压调节器gcb和第一电压调节器gcp丧失控制权(如图6阴影部分所示)，电流调节器gci取得控制权，调制信号vm满足vm＝v
mi
，即调制信号vm等于电流调节器gci输出的第二控制信号v
mi
，经过pwm发生器后，得到驱动boost变换器120的开关管sb的pwm信号，进而使得boost变换器120限制了输入电流，保障其安全运行，此状态也被称为boost变换器120的限流工作状态。其中，图6为本发明在一个实施例中的boost控制器的限流工作状态示意图。也就是说，当电感电流反馈信号i
lfb
大于最大电感电流i
lmax
，时，第二电压调节器gcb和第一电压调节器gcp丧失控制权，电流调节器gci取得控制权，调制信号vm等于电流调节器gci输出的第二控制信号v
mi
。
46.光伏逆变器正常运行时，不可避免的会遇到电网负荷快速变化和电网调度，此时光伏逆变器将降低其输出功率，由图4可知，此时光伏阵列输出电压v
pv
升高，持续高于光伏阵列输出电压参考信号v
pvref
，经过第一电压调节器gcp后，第一控制信号v
mp
达到饱和值v
m_max
；与此同时，由于输出功率的降低，直流母线电压反馈信号v
busfb
将高于直流母线电压参考信号v
busref
，经过第二电压调节器gcb后，第三控制信号v
mb
将快速降低。因此第一电压调节器gcp和电流调节器gci丧失控制权(如图7阴影部分)，第二电压调节器gcb取得控制权，调制信号vm满足vm＝v
mb
，即调制信号vm等于第二电压调节器gcb输出的第三控制信号v
mb
，经过pwm发生器后，得到驱动boost变换器120的开关管sb的pwm信号，进而使得直流母线电压v
bus
稳定在直流母线电压参考信号v
busref
处，保障其安全运行，此状态也被称为boost变换器
120的bus限压工作状态。其中，图7为本发明在一个实施例中的boost控制器的bus限压工作状态示意图。也就是说，当直流母线电压反馈信号v
busfb
高于直流母线电压参考信号v
busref
时，第一电压调节器gcp和电流调节器gci丧失控制权，第二电压调节器gcb取得控制权，调制信号vm等于第二电压调节器gcb输出的第三控制信号v
mb
。
47.通过上述控制过程分析可知，通过交换boost控制器240的三个调节器gci、gcb和gcp的控制权，实现了boost变换器120的不同控制目标和功能，增强了boost变换器120的适应范围，无论是对光伏阵列输出功率的追踪，输入电流的限制还是对电网负荷变化与调度，本发明的控制方法都体现出了较高的适应性，保障了boost变换器120的安全运行。
48.在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
49.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
50.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
51.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。