CN109818495B - 组串逆变器及其升压斩波电路控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的组串逆变器及其升压斩波电路控制方法，首先根据预设纹波电流条件，确定电流纹波大于阈值时所对应的第一PV电压区间；然后在该第一PV电压区间内，以第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；并在该第一PV电压区间以外的其他电压区间内，以低于所述第一开关频率的频率对所述升压斩波电路进行PWM控制。也即，本发明在对升压斩波电路进行PWM控制时，在电流纹波较大的PV电压区间内采用较高的开关频率进行控制，以减小电流纹波；而在电流纹波较小的PV电压区间内采用较低的开关频率进行控制，以降低开关损耗；进而能够兼容电流纹波和开关损耗这两个制约条件。

Description

组串逆变器及其升压斩波电路控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种组串逆变器及其升压斩波电路控制方法。

背景技术

由于光伏电池自身的特性，其最大功率点是介于开路和短路之间的；并且随着光照等环境的变化，其最大功率点也会不断变化；所以通常需要通过调节逆变器控制来进行最大功率点跟踪，使其工作在最大功率点。

然而实际应用中，由于逆变电路的特性决定，母线电压必须大于最小并网电压，所以母线电压不能无限制降低，因此，很多逆变器在逆变电路的前级增加了一级升压斩波电路；如图1所示组串逆变器中的各个Boost电路，其输入端连接相应的PV组件、输出端连接母线电容，可以在保证母线电压不变的情况下，控制PV组件工作在低于最小并网电压处，从而能够实现更大范围的最大功率点跟踪。

现有技术中通常采用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)方式来实现对于Boost电路的控制，并且在设计过程中要依据成本、器件、控制带宽等各种条件选择一个合适的开关频率，以在所有允许的工况下满足应力、温度等要求。但是在Boost电路输入输出电压不变的情况下，为减小其电抗的电流纹波，则需要提高开关频率；然而开关频率越高，单位时间内的开关次数也越多，相应的开关损耗变大，晶圆温度升高，效率变小；因此现有技术无法兼容电流纹波和开关损耗这两个制约条件。

发明内容

本发明提供一种组串逆变器及其升压斩波电路控制方法，以提供一种能够兼容电流纹波和开关损耗这两个制约条件的升压斩波电路控制方案。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

本发明一方面提供一种组串逆变器的升压斩波电路控制方法，包括：

根据预设纹波电流条件，确定电流纹波大于阈值时所对应的第一PV电压区间；

在所述第一PV电压区间内，以第一开关频率对升压斩波电路进行脉冲宽度调制PWM控制；并在所述第一PV电压区间以外的其他电压区间内，以低于所述第一开关频率的频率对所述升压斩波电路进行PWM控制。

优选的，所述第一开关频率为所述升压斩波电路常规运行时的开关频率。

优选的，低于所述第一开关频率的频率为：预设的固定频率，或者，随所述升压斩波电路占空比而变化的频率。

优选的，所述第一PV电压区间所对应的所述升压斩波电路占空比包括0.5。

优选的，所述第一PV电压区间为(Va，Vb)；

所述第一PV电压区间以外的其他电压区间包括：第二PV电压区间[0，Va]和第三PV电压区间[Vb，Vstart]；

其中，Va为所述第一PV电压区间的下限值，Vb为所述第一PV电压区间的上限值，Vstart为所述组串逆变器稳定状态下的母线电压。

优选的，在所述第一PV电压区间内，以第一开关频率对升压斩波电路进行脉冲宽度调制PWM控制；并在所述第一PV电压区间以外的其他电压区间内，以低于所述第一开关频率的频率对所述升压斩波电路进行PWM控制，包括：

在第三PV电压区间[Vb，Vstart]内，以所述第三开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第一PV电压区间(Va，Vb)内，以所述第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第二PV电压区间[0，Va]内，以第二开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；

其中，所述第二开关频率低于所述第一开关频率，所述第三开关频率低于或等于所述第一开关频率。

优选的，在第三PV电压区间[Vb，Vstart]内，以所述第三开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第一PV电压区间(Va，Vb)内，以所述第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第二PV电压区间[0，Va]内，以第二开关频率对升压斩波电路进行PWM控制，包括：

先以所述第三开关频率下的PWM控制，控制所述升压斩波电路的输入电压从Vstart逐渐变化至Vb；

再以所述第一开关频率下的PWM控制，控制所述升压斩波电路的输入电压从Vb逐渐变化至Va；

最后以所述第二开关频率下的PWM控制，控制所述升压斩波电路的输入电压从Va逐渐变化至0。

本发明另一方面还提供了一种组串逆变器，包括：控制器，母线电容支路，逆变电路，滤波电路以及至少一个升压斩波电路；其中：

所述升压斩波电路的输入端与对应PV组串相连；

所述升压斩波电路的输出端与母线电容支路的两端以及所述逆变电路的直流侧相连；

所述母线电容支路的中点与所述逆变电路的中点相连；

所述逆变电路的交流侧通过所述滤波电路与电网相连；

所述控制器用于执行如上述任一所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法。

本发明提供的组串逆变器的升压斩波电路控制方法，首先根据预设纹波电流条件，确定电流纹波大于阈值时所对应的第一PV电压区间；然后在该第一PV电压区间内，以第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；并在该第一PV电压区间以外的其他电压区间内，以低于所述第一开关频率的频率对所述升压斩波电路进行PWM控制。也即，本发明在对升压斩波电路进行PWM控制时，在电流纹波较大的PV电压区间内采用较高的开关频率进行控制，以减小电流纹波；而在电流纹波较小的PV电压区间内采用较低的开关频率进行控制，以降低开关损耗；进而能够兼容电流纹波和开关损耗这两个制约条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的组串逆变器的结构示意图；

图2是本发明申请实施例提供的组串逆变器的升压斩波电路控制方法的流程图；

图3是本发明申请另一实施例提供的组串逆变器的升压斩波电路控制方法的具体流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种组串逆变器的升压斩波电路控制方法，以提供一种能够兼容电流纹波和开关损耗这两个制约条件的升压斩波电路控制方案。

该组串逆变器的结构如图1所示，包括：控制器(图中未展示)，母线电容支路(C1和C2)，逆变电路，滤波电路以及至少一个升压斩波电路(即Boost电路，图1以三个升压斩波电路Boost1、Boost2及Boost3为例进行展示)；其中，升压斩波电路的输入端与对应PV组串(或者PV组件)相连；升压斩波电路的输出端与母线电容支路的两端以及逆变电路的直流侧相连；母线电容支路的中点(C1和C2的连接点)与逆变电路的中点相连；逆变电路的交流侧通过滤波电路与电网相连。实际应用中，还可以设置有开关模块，用于实现各个升压斩波电路与相应PV组串之间的受控连接。

现有技术在对升压斩波电路的硬件参数和开关频率进行设计时，通常是按照所允许的最恶劣的工作条件来设计的，但实际情况是升压斩波电路并非一直工作在最恶劣的工况下，所以其对开关频率的设计并不是十分合适的。

因此，本实施例中组串逆变器的控制器，在保持其原有的检测功能和逆变控制功能的基础之上，其在对升压斩波电路进行控制时，主要是通过执行如图2所示的组串逆变器的升压斩波电路控制方法；具体的，该组串逆变器的升压斩波电路控制方法包括：

S101、根据预设纹波电流条件，确定电流纹波大于阈值时所对应的第一PV电压区间；

一般情况下，升压斩波电路工作后，逆变电路会控制母线电压在一个固定值，设为Vbus，升压斩波电路可控制PV组串电压工作在(0，Vbus)范围内。设电流连续，升压斩波电路PWM信号的开关频率为fs，开关周期为Ts，占空比为D,则升压斩波电路的纹波电流计算公式如下：

ΔI对D求微分，可知极点为D＝0.5,也即D＝0.5时，电流纹波最大。

实际应用中，可以设置一个电流纹波的阈值ΔI’，当电流纹波超过该阈值ΔI’时，判定对应开关频率下的PWM控制是不满足预设纹波电流条件的；此时占空比为D∈(d1，d2)；其中，d1是随着占空比D的增大，电流纹波逐渐增大到超过该阈值ΔI’时所对应的占空比；d2是随着占空比D的增大，电流纹波达到极点后又逐渐减小到将低于该阈值ΔI’时所对应的占空比；并且，若占空比与电流纹波之间的对应关系是关于极点对称的，则0.5-d1＝d2-0.5。而当电流纹波低于该阈值时，判定对应开关频率下的PWM控制是满足预设纹波电流条件的；此时占空比是属于(d1，d2)以外的区间的。

由于升压斩波电路的工作过程中，逆变电路稳定其母线电压，若升压斩波电路以一个固定开关频率的PWM控制来实现其开关管的通断控制，则随着占空比的增加，PV组串的电压会逐渐降低。也即，同一开关频率下，升压斩波电路PWM信号的占空比与PV组串的电压之间存在一定的对应关系。

因此，根据该预设纹波电流条件，可以确定出电流纹波超过该阈值ΔI’时的占空比D属于区间(d1，d2)，再根据占空比与PV组串的电压之间的对应关系，可以确定出电流纹波超过该阈值ΔI’时，PV组串的电压属于与区间(d1，d2)相对应的第一PV电压区间。也即，该第一PV电压区间所对应的升压斩波电路占空比包括0.5；若占空比与电流纹波之间的对应关系，以及，占空比与PV组串的电压之间的对应关系，均是关于极点对称的，则该第一PV电压区间的中间值所对应的占空比为0.5。

S102、在第一PV电压区间内，以第一开关频率对升压斩波电路进行脉冲宽度调制PWM控制；并在第一PV电压区间以外的其他电压区间内，以低于第一开关频率的频率对升压斩波电路进行PWM控制。

由于占空处于0.5左右时，电流纹波较大，需要增大开关频率以降低电抗纹波电流；而其他时候，在满足该预设纹波电流条件的情况下，将开关频率设计较小，能够降低开关损耗，提高效率，降低晶圆温度。

因此，本实施例通过建立开关频率与占空比之间的函数关系fs＝f(D)，来实现对于各个升压斩波电路的PWM控制；即：在占空比为0.5左右，比如区间(d1，d2)时，对应于PV组串的电压属于第一PV电压区间内时，以第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制，以减小电流纹波；而在PV组串的电压属于第一PV电压区间以外的其他电压区间内，以低于该第一开关频率的频率对升压斩波电路进行PWM控制，以降低开关损耗；进而能够兼容电流纹波和开关损耗这两个制约条件。

由于升压斩波电路常规运行时，其PWM信号的开关频率能够满足最恶劣的工况需求，所以优选的，该第一开关频率为升压斩波电路常规运行时的开关频率即可。

而该低于第一开关频率的频率可以为一个预设的固定频率，或者，也可以为随升压斩波电路占空比而变化的频率；只要保证低于该第一开关频率即可，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

本发明另一实施例提供了一种具体的组串逆变器的升压斩波电路控制方法，在上述实施例的基础之上，优选的，其第一PV电压区间为(Va，Vb)；

则其第一PV电压区间以外的其他电压区间包括：第二PV电压区间[0，Va]和第三PV电压区间[Vb，Vstart]；

其中，Va为第一PV电压区间的下限值，Vb为第一PV电压区间的上限值，Vstart为组串逆变器稳定状态下的母线电压。

对应的，图2中的步骤S102包括：

在第三PV电压区间[Vb，Vstart]内，以第三开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第一PV电压区间(Va，Vb)内，以第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第二PV电压区间[0，Va]内，以第二开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；

其中，第二开关频率低于第一开关频率，第三开关频率低于或等于第一开关频率。

优选的，步骤S102中的各个具体步骤若按照先后顺序执行，则如图3所示，包括：

S201、先以第三开关频率下的PWM控制，控制升压斩波电路的输入电压从Vstart逐渐变化至Vb；

S202、再以第一开关频率下的PWM控制，控制升压斩波电路的输入电压从Vb逐渐变化至Va；

S203、最后以第二开关频率下的PWM控制，控制升压斩波电路的输入电压从Va逐渐变化至0。

值得说明的是，现有技术中对于PV组串的IV曲线扫描过程，是从PV组串的开路一直扫到接近短路，并在此过程中记录电压、电流。过程中，随着PV组串电压的降低，其升压斩波电路PWM信号的占空比越来越大。由于此过程一般较快，升压斩波电路中开关管的电流和导通时间变化剧烈，可能会使晶圆温度过高，导致模块失效。

而本实施例将升压斩波电路的IV曲线扫描过程分为三段：第三PV电压区间[Vb，Vstart]，第一PV电压区间(Va，Vb)，以及，第二PV电压区间[0，Va]。

升压斩波电路从组串逆变器稳定状态下的母线电压Vstart开始工作。然后在电流纹波较小的第三PV电压区间[Vb，Vstart]内，以第三开关频率F3下的PWM控制，控制升压斩波电路的输入电压从Vstart逐渐变化至Vb；此阶段内PWM信号的占空比较小，开关管发热不大，所以该第三开关频率F3可以为与第一开关频率F1相同的频率；当然，该第三开关频率F3也可以为比第一开关频率F1小的频率；此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。然后在下一阶段内，即在PWM信号占空比处于0.5左右、电流纹波较大的第一PV电压区间(Va，Vb)内，以第一开关频率F1下的PWM控制，控制升压斩波电路的输入电压从Vb逐渐变化至Va。最后在PWM信号占空比较大、电流纹波较小的第二PV电压区间[0，Va]内，以第二开关频率F2下的PWM控制，控制升压斩波电路的输入电压从Va逐渐变化至0；由于该第二开关频率F2低于第一开关频率F1，所以能够在该阶段降低开关损耗，提高效率，降低晶圆温度。所建立的开关频率与上述三段扫描过程的对应关系如表1所示：

表1开关频率与IV曲线扫描过程的对应关系

升压斩波电路工作的PV组串电压区间	PWM信号的开关频率
		[Vb，Vstart]	F3
(Va，Vb)	F1
		[0，Va]	F2

实际应用中，优选将该第一开关频率F1设置为升压斩波电路常规运行时的开关频率；并将进行扫描时降低的频率，即第三开关频率F3和第二开关频率F2，均设置为某一合适的固定值；其中，该第二开关频率F2为低于第一开关频率F1的一个固定值，而该第三开关频率F3为低于或等于第一开关频率F1的一个固定值；或者，也可以将第三开关频率F3和第二开关频率F2分别设置为随占空比变化；此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

本实施例提供的该组串逆变器的升压斩波电路控制方法，通过分析不同工作条件下开关频率大小对系统的影响不同，通过上述三段扫描过程，在控制电流纹波不超过阈值的前提下，至少在占空比较大处降低升压斩波电路开关管的开关次数，可降低升压斩波电路在扫描组串IV曲线过程中的总损耗，降低晶圆温度，使得晶圆不会因过热而减少寿命甚至损坏，并且无需增加硬件成本，利于推广。

本发明另一实施例还提供了一种组串逆变器，如图1所示，包括：控制器(图中未展示)，母线电容支路(C1和C2)，逆变电路，滤波电路以及至少一个升压斩波电路(即Boost电路，图1以三个升压斩波电路Boost1、Boost2及Boost3为例进行展示)；其中：

升压斩波电路的输入端与对应PV组串相连；各个PV组串中，均包括多个串联连接的PV组件，或者，均仅包括一个PV组件；

升压斩波电路的输出端与母线电容支路的两端以及逆变电路的直流侧相连；

母线电容支路的中点(C1和C2的连接点)与逆变电路的中点相连；

逆变电路的交流侧通过滤波电路与电网相连；

实际应用中，还可以设置有开关模块，用于实现各个升压斩波电路与相应PV组串之间的受控连接。

控制器用于执行如上述任一实施例所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法。

该组串逆变器的升压斩波电路控制方法的过程及原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明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发明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，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明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，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种组串逆变器的升压斩波电路控制方法，其特征在于，包括：

根据预设纹波电流条件，确定同一开关频率下电流纹波大于阈值时所对应的第一PV电压区间；

在所述第一PV电压区间内，以第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；并在所述第一PV电压区间以外的至少一个电压区间内，以低于所述第一开关频率的频率对所述升压斩波电路进行PWM控制。

2.根据权利要求1所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法，其特征在于，所述第一开关频率为所述升压斩波电路常规运行时的开关频率。

3.根据权利要求1所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法，其特征在于，低于所述第一开关频率的频率为：预设的固定频率，或者，随所述升压斩波电路占空比而变化的频率。

4.根据权利要求1所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法，其特征在于，所述第一PV电压区间所对应的所述升压斩波电路占空比包括0.5。

5.根据权利要求1-4任一所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法，其特征在于，所述第一PV电压区间为(Va，Vb)；

所述第一PV电压区间以外的至少一个电压区间包括：第二PV电压区间[0，Va]和第三PV电压区间[Vb，Vstart]；

其中，Va为所述第一PV电压区间的下限值，Vb为所述第一PV电压区间的上限值，Vstart为所述组串逆变器稳定状态下的母线电压。

6.根据权利要求5所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法，其特征在于，在所述第一PV电压区间内，以第一开关频率对升压斩波电路进行脉冲宽度调制PWM控制；并在所述第一PV电压区间以外的至少一个电压区间内，以低于所述第一开关频率的频率对所述升压斩波电路进行PWM控制，包括：

在第三PV电压区间[Vb，Vstart]内，以第三开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第一PV电压区间(Va，Vb)内，以所述第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第二PV电压区间[0，Va]内，以第二开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；

其中，所述第二开关频率低于所述第一开关频率，所述第三开关频率低于或等于所述第一开关频率。

7.根据权利要求6所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法，其特征在于，在第三PV电压区间[Vb，Vstart]内，以所述第三开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第一PV电压区间(Va，Vb)内，以所述第一开关频率对升压斩波电路进行PWM控制；在第二PV电压区间[0，Va]内，以第二开关频率对升压斩波电路进行PWM控制，包括：

先以所述第三开关频率下的PWM控制，控制所述升压斩波电路的输入电压从Vstart逐渐变化至Vb；

再以所述第一开关频率下的PWM控制，控制所述升压斩波电路的输入电压从Vb逐渐变化至Va；

最后以所述第二开关频率下的PWM控制，控制所述升压斩波电路的输入电压从Va逐渐变化至0。

8.一种组串逆变器，其特征在于，包括：控制器，母线电容支路，逆变电路，滤波电路以及至少一个升压斩波电路；其中：

所述升压斩波电路的输入端与对应PV组串相连；

所述升压斩波电路的输出端与母线电容支路的两端以及所述逆变电路的直流侧相连；

所述母线电容支路的中点与所述逆变电路的中点相连；

所述逆变电路的交流侧通过所述滤波电路与电网相连；

所述控制器用于执行如权利要求1-7任一所述的组串逆变器的升压斩波电路控制方法。

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