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CN104158208A - 一种单级光伏并网逆变器及其控制方法和应用 - Google Patents

一种单级光伏并网逆变器及其控制方法和应用 Download PDF

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CN104158208A
CN104158208A CN201410335465.2A CN201410335465A CN104158208A CN 104158208 A CN104158208 A CN 104158208A CN 201410335465 A CN201410335465 A CN 201410335465A CN 104158208 A CN104158208 A CN 104158208A
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China
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photovoltaic array
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孙维
郑群
汪昌友
李浩源
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Sungrow Power Supply Co Ltd
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Sungrow Power Supply Co Ltd
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Abstract

一种单级光伏并网逆变器，包括输出连接至交流电网的DC-AC逆变电路，还包括串联连接在光伏阵列和DC-AC逆变电路之间的DC-DC升压电路和旁路元件的并联电路；所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于所述DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac。相对于传统单级光伏并网逆变器，本申请提供的一种单级光伏并网逆变器，通过控制使得白天等辐照度较好的大时间段，DC-DC升压电路不工作，效率高；而在早晚或阴雨等辐照度较差的情况下，DC-DC升压电路工作，使得满足并网条件，光伏并网逆变器可以并网发电，增加了发电量。并且由于DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于和DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac，投资成本大大降低。

Description

一种单级光伏并网逆变器及其控制方法和应用
技术领域
本申请涉及一种单级光伏并网逆变器，具体为一种包括DC-AC逆变电路的单级光伏并网逆变器及其控制方法和应用。
背景技术
光伏并网逆变器正常并网发电都需要满足一定的并网条件，即光伏并网逆变器的直流母线电压不低于电网电压峰值。为了提高光伏并网逆变器的工作效率，逆变器厂商通常配置较多的太阳能电池板来提升光伏阵列的开路电压或者在DC-AC逆变电路前级接入与其功率容量匹配的DC-DC升压电路来满足并网条件。
对于采用在DC-AC逆变电路前级接入与其功率容量匹配的DC-DC升压电路的情况，常规的设计思路是前级的DC-DC升压电路完成光伏阵列输出电压的升压功能，这样的话，光伏阵列配置的太阳能电池板不需要很多。但是存在以下缺点：由于DC-DC升压电路与DC-AC逆变电路功率容量匹配，成本较高；并且由于DC-DC升压电路需要长时间和DC-AC逆变电路一起工作，因而开关损耗比较大，逆变器整机效率低。做为一种改进，在DC-DC升压电路上并联一接触器，当某些特殊情况下日照特别好、满足并网条件时，接触器接通，DC-DC升压电路可以短时间不工作。这种改进虽然降低了开关损耗，转换效率得到改善，但是仍然存在成本高的问题。
对传统采用包括单级DC-AC逆变电路的光伏并网逆变器的情况，逆变器厂商通常考虑配置较多数量的光伏电池板以提升光伏阵列的开路电压。这种单级光伏并网逆变器具有电路简单、输出功率可达兆瓦级、单位发电成本低等优点，在大型光伏电站得到广泛应用。但是尽管光伏电池板配置适量，在早晚或阴雨天气等辐照较低的情况下，仍然不满足并网条件，光伏并网逆变器无法并网发电，导致发电量损失。
发明内容
有鉴于此，本申请要解决的技术问题是提供一种相对于传统单级光伏并网逆变器，能够增加发电量的单级光伏并网逆变器。
本申请提供的一种单级光伏并网逆变器，包括DC-AC逆变电路，所述DC-AC逆变电路的输出连接至交流电网，还包括串联连接在光伏阵列和所述DC-AC逆变电路之间的DC-DC升压电路，以及旁路元件；所述旁路元件与所述DC-DC升压电路并联；所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于所述DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac。
进一步地，所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于所述DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac 具体为：Pdc≤0.5Pac。
进一步地，所述单级光伏并网逆变器还包括控制电路，所述控制电路用来控制所述旁路元件的断开和接通；当所述光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt小于所述交流电网电压峰值时，或者，当所述光伏阵列输出功率Ppv小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，所述控制电路控制所述旁路元件断开，所述DC-DC升压电路工作；当所述光伏阵列的最大功率点电压Upv_mppt不小于所述交流电网电压峰值时，或者，当所述光伏阵列的输出功率Ppv不小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，所述控制电路控制所述旁路元件的接通，所述DC-DC升压电路不工作。
进一步地，所述旁路元件为电动开关或高压直流继电器或高压MOSFET或高压IGBT。
进一步地，所述DC-AC逆变电路采用两电平拓扑或多电平拓扑。
进一步地，所述DC-AC逆变电路为三相或单相逆变电路。
本申请还提供了一种应用于上述单级光伏并网逆变器中的DC-DC升压电路。
本申请还提供了一种光伏发电系统，包括光伏阵列以及上述单级光伏并网逆变器。
本申请还提供了一种应用于上述单级光伏并网逆变器的控制方法，所述控制方法包括：
获得所述光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt；
获得所述光伏阵列的输出功率Ppv；
比较所述光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt与所述交流电网电压峰值的大小；
比较所述光伏阵列的输出功率Ppv与所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc的大小；
根据比较结果控制所述旁路元件的接通和断开以及所述DC-DC升压电路是否工作。
进一步地，根据比较结果控制所述旁路元件的接通和断开以及所述DC-DC升压电路是否工作包括：
当所述光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt小于所述交流电网电压峰值时，或者，当所述光伏阵列输出功率Ppv小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，控制所述旁路元件断开，所述DC-DC升压电路工作；
当所述光伏阵列的最大功率点电压Upv_mppt不小于所述交流电网电压峰值时，或者，当所述光伏阵列的输出功率Ppv不小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，控制所述旁路元件接通，所述DC-DC升压电路不工作。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
相对于传统单级光伏并网逆变器，本申请提供的一种单级光伏并网逆变器，在光伏阵列和DC-AC逆变电路之间串联连接DC-DC升压电路和旁路元件的并联电路，DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于和DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac，通过控制使得白天等辐照度较好的大时间段，DC-DC升压电路不工作，效率高；而在早晚或阴雨等辐照度较差的情况下，DC-DC升压电路工作，提升光伏并网逆变器的直流母线电压使之满足并网条件，可以并网发电，增加了发电量。并且由于DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于和DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac，投资成本大大降低。
 
附图说明
图1是本申请提供的单级光伏并网逆变器实施例一示意图；
图2是本申请提供的单级光伏并网逆变器实施例二示意图；
图3是本申请提供的DC-DC升压电路实施例示意图；
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。
相对比现有技术的单级光伏并网逆变器，本申请提供了一种能够提高发电量的单级光伏并网逆变器。
请参见图1，为本申请提供的单级光伏并网逆变器实施例一示意图，单级光伏并网逆变器10包括DC-AC逆变电路200，DC-AC逆变电路200的输出连接至交流电网，还包括串联连接在光伏阵列PV和DC-AC逆变电路200之间的DC-DC升压电路100，以及与DC-DC升压电路100并联的旁路元件300； DC-DC升压电路100的功率容量Pdc小于和DC-AC逆变电路200的功率容量Pac。
本申请实施例提供的单级光伏并网逆变器，在常规单级光伏并网逆变器的DC-AC逆变电路的前级连接DC-DC升压电路和旁路元件的并联电路，扩大了光伏并网逆变器的直流输入电压工作范围，在早晚或阴雨等辐照度较差的情况下，DC-DC升压电路工作，提升光伏并网逆变器的直流母线电压使之满足并网条件，可以并网发电，增加发电量；并且DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac，降低了投资成本。尤其是在需要用多个光伏并网逆变器的大型电站，投资成本回收效益显著。
具体地，DC-DC升压电路与DC-AC逆变电路的额定功率容量的配置关系可以为：Pdc≤0.5Pac，具体根据安装地的辐照度、历史天气情况等因素来决定。以额定功率容量为100KW的DC-AC逆变电路为例，解决早晚或阴雨等辐照度较差的情况不能并网发电的技术问题的传统思路是配置功率匹配的DC-DC升压电路，而本申请中，配置DC-DC升压电路额定功率容量范围在0-50KW, 可以为10KW，相对于配置功率匹配的DC-DC升压电路的解决方案，在提高发电量的同时，大大降低了投资成本。
请参见图2，为本申请提供的单级光伏并网逆变器实施例二，相比于实施例一，单级光伏并网逆变器20还包括控制电路400，用来控制旁路元件300的断开和接通。
当光伏阵列PV的最大功率点电压值Upv_mppt小于交流电网电压峰值时，或者，当光伏阵列PV输出功率Ppv小于DC-DC升压电路100的额定功率容量Pdc时，控制电路400控制旁路元件300断开，DC-DC升压电路100工作；当最大功率点电压Upv_mppt不小于交流电网电压峰值时或者当光伏阵列的输出功率Ppv不小于DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，控制电路400控制旁路元件300的接通，DC-DC升压电路100不工作。
请参见图3，为本申请提供的DC-DC升压电路实施例一示意图，DC-DC升压电路100A和DC-AC逆变电路200之间连接有直流母线电容C，DC-DC升压电路100A包括电感L、二极管D、第一开关S；电感L的第一端和旁路元件300的第一端相连做为DC-DC升压电路100A的输入正极203，DC-DC升压电路100A的输入正极203与光伏阵列PV的正极相连，电感L的第二端连接二极管D的阳极，二极管D的阴极和旁路元件300的第二端相连做为DC-DC升压电路100A的输出正极，DC-DC升压电路100A的输出正极与DC-AC逆变电路200的直流母线正极201相连，第一开关S的第一端连接电感L和二极管D的公共连接点，第一开关S的第二端连接DC-DC升压电路100A的负极， DC-DC升压电路100A的负极与光伏阵列PV的负极、DC-AC逆变电路200的直流母线负极202相连。
做为替代，DC-DC升压电路还可以为非隔离正激、非隔离反激、非隔离推挽电路等可以完成升压功能的一切电路结构，本申请对此不做限定。
    本申请所有实施例中，旁路元件300可以选择电动开关，或高压直流继电器，或高压MOSFET，或高压IGBT等能够实现电路连接和断开功能的所有电气元件，也可以是所有能实现相同功能的电路。
本申请所有实施例的DC-AC逆变电路可以采用一切实现将直流电转换为交流电的电路拓扑，既可以采用两电平拓扑，也可以采用多电平拓扑，例如三电平拓扑和五电平拓扑，本申请不做任何限定。
进一步地，本申请所有实施例的DC-AC逆变电路可以为单相逆变电路，也可以为三相逆变电路，本申请不做任何限定。
本申请实施例还提供了应用于上述单级光伏并网逆变器的DC-DC升压电路，详细描述请参见上文。
本申请实施例还提供了上述单级光伏并网逆变器的控制方法，包括如下步骤：
S11：获得光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt；
S12：获得光伏阵列的输出功率Ppv；
S13：比较光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt与交流电网电压峰值的大小；
S14：比较光伏阵列的输出功率Ppv与DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc的大小；
S15：根据比较结果控制旁路元件300的接通和断开以及DC-DC升压电路是否工作。
进一步地，S15：根据比较结果控制旁路元件300的接通和断开以及DC-DC升压电路是否工作包括：
若光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt小于所述交流电网电压峰值或者光伏阵列输出功率Ppv小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc，控制旁路元件300断开，DC-DC升压电路工作；
若光伏阵列的最大功率点电压Upv_mppt不小于交流电网电压峰值时，或者，当光伏阵列的输出功率Ppv不小于DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，控制旁路元件300接通，DC-DC升压电路不工作。
本申请实施例还提供了一种光伏发电系统，包括光伏阵列以及上述实施例中的单级光伏并网逆变器。
下面以100KW的光伏发电系统为例来阐述本申请的有益效果：
100KW的光伏发电系统，配置相同的光伏阵列，一台传统单级光伏并网逆变器（简称单INV），则逆变电路的额定功率容量至少100KW；若配置一台传统功率匹配的升压电路（DC-DC）和逆变电路（INV）的两级光伏并网逆变器（简称对称式DC-DC+INV），则升压电路和逆变电路的额定功率容量必须匹配且至少100KW；本申请实施例提供的单级光伏并网逆变器（简称不对称式DC-DC+INV），逆变电路的额定功率容量至少100KW，升压电路的额定功率容量假定为8KW。升压电路的成本为0.1元/瓦，逆变电路的成本为0.2元/瓦。
假定在早晚或阴雨等辐照度较差的情况下，光伏阵列的输出功率可达到8KW，但是由于不满足并网条件，光伏并网逆变器无法并网发电。假定一年365天，每天光伏发电系统的辐照情况相同，平均下来，每天这种光伏阵列输出功率不可忽略、但不满足并网条件的总时长为1小时，以当前度电补贴为1.5元/瓦来计算，单INV、对称式DC-DC+INV，不对称式DC-DC+INV的设计参数和发电量分别如下：
  单INV 对称式DC-DC+INV 不对称DC-DC+INV
DC-DC的功率 0 100KW 8KW
INV的功率 100KW 100KW 100KW
DC-DC的成本 0 10000元 800元
INV的成本 20000元 20000元 20000元
逆变器总成本 20000元 30000元 20800元
多发电量 0 8KWh 8KWh
年多发电收益 0 4380元 4380元
由此可见，采用不对称DC-DC+INV的光伏发电系统，投资成本回收速度最快。
相对于传统单级光伏并网逆变器，本申请提供的一种单级光伏并网逆变器，在光伏阵列和DC-AC逆变电路之间串联连接DC-DC升压电路和旁路元件的并联电路，DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于和DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac，通过控制使得白天等辐照度较好的大时间段，DC-DC升压电路不工作，效率高；而在早晚或阴雨等辐照度较差的情况下，DC-DC升压电路工作，提升光伏并网逆变器的直流母线电压使之满足并网条件，可以并网发电，增加了发电量。并且由于DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于和DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac，投资成本大大降低，并且提高了回收速度。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种单级光伏并网逆变器，包括DC-AC逆变电路，所述DC-AC逆变电路的输出连接至交流电网，其特征在于，还包括串联连接在光伏阵列和所述DC-AC逆变电路之间的DC-DC升压电路，以及旁路元件；
所述旁路元件与所述DC-DC升压电路并联；
所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于所述DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac。
2.根据权利要求1所述的单级光伏并网逆变器，其特征在于， 
所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc小于所述DC-AC逆变电路的额定功率容量Pac 具体为：Pdc≤0.5Pac。
3.根据权利要求1所述的单级光伏并网逆变器，其特征在于，
所述单级光伏并网逆变器还包括控制电路，所述控制电路用来控制所述旁路元件的断开和接通；
当所述光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt小于所述交流电网电压峰值时，或者，当所述光伏阵列输出功率Ppv小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，所述控制电路控制所述旁路元件断开，所述DC-DC升压电路工作；
当所述光伏阵列的最大功率点电压Upv_mppt不小于所述交流电网电压峰值时，或者，当所述光伏阵列的输出功率Ppv不小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，所述控制电路控制所述旁路元件的接通，所述DC-DC升压电路不工作。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的单级光伏并网逆变器，其特征在于， 所述旁路元件为电动开关或高压直流继电器或高压MOSFET或高压IGBT。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的单级光伏并网逆变器，其特征在于，所述DC-AC逆变电路采用两电平拓扑或多电平拓扑。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的单级光伏并网逆变器，其特征在于，所述DC-AC逆变电路为三相或单相逆变电路。
7.一种应用于权利要求1至6中任一项所述的单级光伏并网逆变器中的DC-DC升压电路。
8.一种光伏发电系统，包括光伏阵列以及权利要求1至6中任一项所述的单级光伏并网逆变器。
9.一种应用于权利要求1或2所述的单级光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
获得所述光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt；
获得所述光伏阵列的输出功率Ppv；
比较所述光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt与所述交流电网电压峰值的大小；
比较所述光伏阵列的输出功率Ppv与所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc的大小；
根据比较结果控制所述旁路元件的接通和断开以及所述DC-DC升压电路是否工作。
10.根据权利要求9所述的单级光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，根据比较结果控制所述旁路元件的接通和断开以及所述DC-DC升压电路是否工作包括：
当所述光伏阵列的最大功率点电压值Upv_mppt小于所述交流电网电压峰值时，或者，当所述光伏阵列输出功率Ppv小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，控制所述旁路元件断开，所述DC-DC升压电路工作；
当所述光伏阵列的最大功率点电压Upv_mppt不小于所述交流电网电压峰值时，或者，当所述光伏阵列的输出功率Ppv不小于所述DC-DC升压电路的额定功率容量Pdc时，控制所述旁路元件接通，所述DC-DC升压电路不工作。
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