本發明涉及光伏發電技術領域，更具體地說，涉及一種級聯型光伏并網逆變器及其控制方法和控制裝置。

背景技術：

級聯型光伏并網逆變器由N個逆變單元(例如H橋逆變單元)級聯而成，其單相拓撲結構如圖1所示：各逆變單元的直流側接獨立的光伏電池板，各逆變單元的交流側相串聯后再經并網電感L接入電網。

為提高太陽能利用率，級聯型光伏并網逆變器對每塊光伏電池板進行獨立的MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率點跟蹤)控制，但當受光照不均勻等因素影響造成各逆變單元間輸出有功功率嚴重不均衡時，很容易產生逆變單元過調制現象。

目前，避免逆變單元過調制的方法，就是向電網注入無功，但向電網注入無功會降低系統的功率因數，有可能出現系統的功率因數低于最小允許值的情況。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供一種級聯型光伏并網逆變器及其控制方法和控制裝置，以實現在解決逆變單元過調制的問題時，避免出現系統的功率因數低于最小允許值的情況。

一種級聯型光伏并網逆變器控制方法，包括：

判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制；

若級聯型光伏并網逆變器中至少有一個逆變單元過調制，計算在系統的功率因數不低于最小允許值的情況下所允許向電網注入的最大無功以及最小無功；

模擬向電網注入所述最大無功后級聯型光伏并網逆變器的工作狀態，并判斷此工作狀態下各逆變單元是否均處于調制區；若是，向電網注入無功，所述無功的取值不低于所述最小無功且不高于所述最大無功；若否，控制級聯型光伏并網逆變器退出對每塊光伏電池板進行獨立的最大功率點跟蹤控制的工作模式。

其中，所述判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制，包括：

獲取級聯型光伏并網逆變器的直流側電流最大值以及網側電流有效值；

判斷所述網側電流有效值是否小于M倍的所述直流側電流最大值，其中λ為當前調制策略下調制度的最大允許值；

若所述網側電流有效值小于所述M倍的直流側電流最大值，得到級聯型光伏并網逆變器中至少有一個逆變單元過調制的判斷結果。

其中，所述判斷此工作狀態下各逆變單元是否均處于調制區，包括：

計算向電網注入所述最大無功后的網側電流有效值；

判斷所述向電網注入最大無功后的網側電流有效值是否小于所述M倍的直流側電流最大值；

若是，得到向電網注入所述最大無功后各逆變單元均處于調制區的判斷結果。

其中，所述向電網注入無功，包括：向電網注入所述最小無功。

其中，級聯型光伏并網逆變器的直流側所連接的每一塊光伏電池板都與一可控開關串聯；

所述判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制之前，還包括：

判斷級聯型光伏并網逆變器是否滿足并網條件；

若是，執行所述判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制的步驟；

若否，控制與直流輸出電壓最低的光伏電池板相串聯的可控開關斷開，并通過調節與所述直流輸出電壓最低的光伏電池板對應的母線電容的電壓指令值來使級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件。

其中，所述判斷級聯型光伏并網逆變器是否滿足并網條件，包括：

判斷級聯型光伏并網逆變器中各逆變單元的母線電容電壓之和是否小于電網電壓幅值；

若是，得到級聯型光伏并網逆變器不滿足并網條件的判斷結果；若否，得到級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件的判斷結果。

一種級聯型光伏并網逆變器控制裝置，包括：

第一判斷單元，用于判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制；

計算單元，用于在所述第一判斷單元判斷得到級聯型光伏并網逆變器中至少有一個逆變單元過調制時，計算在系統的功率因數不低于最小允許值的情況下所允許向電網注入的最大無功以及最小無功；

第二判斷單元，用于模擬向電網注入所述最大無功后級聯型光伏并網逆變器的工作狀態，并判斷此工作狀態下各逆變單元是否均處于調制區；

第一處理單元，用于在所述第二判斷單元判斷得到向電網注入所述最大無功能使各逆變單元均處于調制區時，向電網注入無功，所述無功的取值不低于所述最小無功且不高于所述最大無功；

第二處理單元，用于在所述第二判斷單元判斷得到向電網注入所述最大無功不能使各逆變單元均處于調制區時，控制級聯型光伏并網逆變器退出對每塊光伏電池板進行獨立的最大功率點跟蹤控制的工作模式。

其中，所述第一處理單元具體用于在所述第二判斷單元判斷得到向電網注入所述最大無功能使各逆變單元均處于調制區時，向電網注入所述最小無功。

其中，級聯型光伏并網逆變器的直流側所連接的每一塊光伏電池板都與一可控開關串聯；

所述裝置還包括第三判斷單元和第三處理單元，其中：

所述第三判斷單元，用于判斷級聯型光伏并網逆變器是否滿足并網條件；

所述第三處理單元，用于在所述第三判斷單元判斷得到級聯型光伏并網逆變器不滿足并網條件時，控制與直流輸出電壓最低的光伏電池板相串聯的可控開關斷開，并通過設定與所述直流輸出電壓最低的光伏電池板對應的母線電容的電壓指令值來使級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件；

對應的，所述第一判斷單元具體用于在所述第三判斷單元判斷得到級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件時，判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制。

一種級聯H橋光伏并網逆變器，包括上述公開的任一種級聯型光伏并網逆變器控制裝置。

從上述的技術方案可以看出，本發明在級聯型光伏并網逆變器出現逆變單元過調制現象時，模擬并判斷采用向電網注入無功的方法是否可以同時滿足系統對功率因數的要求以及避免逆變單元過調制的要求；若能同時滿足，就向電網注入無功；否則就令級聯型光伏并網逆變器退出MPPT控制模式，通過犧牲太陽能利用率來達到同時滿足這兩項要求的目的。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現有技術公開的一種級聯型光伏并網逆變器的單相拓撲結構示意圖；

圖2為本發明實施例公開的一種級聯型光伏并網逆變器控制方法流程圖；

圖3為本發明實施例公開的一種級聯型光伏并網逆變器的單相拓撲結構示意圖；

圖4為本發明實施例公開的又一種級聯型光伏并網逆變器控制方法流程圖；

圖5為本發明實施例公開的一種級聯型光伏并網逆變器控制裝置結構示意圖；

圖6為本發明實施例公開的又一種級聯型光伏并網逆變器控制裝置結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

參見圖2，本發明實施例公開了一種級聯型光伏并網逆變器控制方法，以實現在解決逆變單元過調制的問題時，避免出現系統的功率因數低于最小允許值的情況，包括：

步驟S01：判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制；若級聯型光伏并網逆變器中至少有一個逆變單元過調制，進入步驟S02；反之，重復執行步驟S01；

其中，所述判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制，可采用以下判據：獲取級聯型光伏并網逆變器的直流側電流最大值(I_pvi)_max以及網側電流有效值I_s；判斷是否滿足I_s<M(I_pvi)_max，其中λ為當前調制策略下調制度的最大允許值；若滿足，說明級聯型光伏并網逆變器中至少有一個逆變單元出現了過調制；若不滿足，說明了級聯型光伏并網逆變器中各逆變單元均處于調制區。此判據的推理過程如下：

首先，定義級聯型光伏并網逆變器中逆變單元#i(i＝1,2...N)輸出的有功功率為P_i-dc，則

式中，為逆變單元#i的輸出電壓幅值；為逆變單元#i的輸出電流幅值；ω為頻率；t為時間；V_Hi為逆變單元#i的輸出電壓有效值；I_s為逆變單元#i的輸出電流有效值，也是級聯型光伏并網逆變器的網側電流有效值。

其中，為簡化系統，只考慮其基波成分而忽略其兩倍頻功率波動，則式(1)可簡化為

再定義逆變單元#i的直流側接光伏電池板#PVi。已知逆變單元#i輸出的有功功率P_i-dc即為光伏電池板#PVi的輸出功率，即

P_i-dc＝V_pvi·I_pvi 式(3)

式中，V_pvi為光伏電池板#PVi的輸出電壓，I_pv為光伏電池板#PVi的輸出電流。

依據逆變單元#i的交直流側有功功率守恒的原理，綜合式(2)和式(3)，可得到

再定義逆變單元#i的調制度為m_i，則

式中，v_Hi為逆變單元#i的輸出電壓瞬時值。

綜合式(4)和式(5)，可得到

已知m_i的范圍為[-λ,λ]，λ的具體值與級聯型光伏并網逆變器當前采用的調制策略有關，其調制策略可以是正弦波調制策略、空間矢量調制策略或階梯波調制策略等，并不局限。將m_i的范圍代入式(6)中可得到避免逆變單元#i過調制的條件為

根據式(6)，可得到級聯型光伏并網逆變器中不存在逆變單元過調制的條件為

式中，(I_pvi)_max為逆變單元#1～逆變單元#N的輸出電流中的最大值，也就是級聯型光伏并網逆變器的直流側電流最大值。

根據式(7)，可得到結論：若I_s<M(I_pvi)_max，說明級聯型光伏并網逆變器中至少有一個逆變單元過調制；若I_s≥M(I_pvi)_max，說明級聯型光伏并網逆變器中不存在逆變單元過調制。從而，上述論據得證。

步驟S02：計算在系統的功率因數不低于最小允許值的情況下所允許向電網注入的最大無功a，以及在系統的功率因數不低于最小允許值的情況下所允許向電網注入的最小無功b；

其中，在已知光伏系統要求功率因數不得低于某一閾值的情況下，推算得到最大無功a和最小無功b的過程，屬于本領域的公知常識，本實施例不再贅述。

步驟S03：模擬向電網注入最大無功a后級聯型光伏并網逆變器的工作狀態，并判斷此工作狀態下逆變單元#1～逆變單元#N是否均處于調制區；若是，進入步驟S04；若否，進入步驟S05；

其中，所述判斷此工作狀態下各逆變單元是否均處于調制區，可采用以下判據：

計算向電網注入最大無功a后的網側電流有效值

判斷是否小于M(I_pvi)_max；

若是，說明了向電網注入最大無功a后各逆變單元均處于調制區，即說明了向電網注入最大無功a能使級聯型光伏并網逆變器恢復到不存在逆變單元過調制的狀態；

若否，說明了系統對功率因數的嚴格要求使得向電網注入區間[b,a]中的任一無功都不能使級聯型光伏并網逆變器恢復到不存在逆變單元過調制的狀態，即采用向電網注入無功的方式不能同時滿足系統對功率因數的要求以及避免逆變單元過調制的要求。

步驟S04：向電網注入無功，所述無功不低于最大無功a且不高于最小無功b；

如果通過模擬發現向電網注入最大無功a能使級聯型光伏并網逆變器恢復到不存在逆變單元過調制的狀態，那么說明了向電網注入區間[b,a]中的任一無功都可以使級聯型光伏并網逆變器恢復到不存在逆變單元過調制的狀態，且不會出現系統的功率因數低于最小允許值的情況。

考慮到向電網注入的無功越小，對系統的功率因數的影響就越小，因此本實施例推薦向電網注入的無功為最小無功b，以最大程度的降低注入無功對系統的功率因數造成的影響。其中，向電網注入最小無功b時對應的電網功率因數角

步驟S05：控制級聯型光伏并網逆變器退出對每塊光伏電池板進行獨立的MPPT控制的工作模式；

當向電網注入無功的方式不能同時滿足系統對功率因數的要求以及避免逆變單元過調制的要求時，本實施例控制級聯型光伏并網逆變器退出會因各逆變單元間輸出有功功率嚴重不均衡而引起逆變單元過調制現象的工作模式；退出該工作模式后，雖然系統的太陽能利用率會下降，但逆變單元#i的母線電容電壓會高于逆變單元#i的直流側指令電壓，此時逆變單元#i的直流側電流必然下降，使得逆變單元#i保持在調制狀態，那么也就不會存在因需要向電網注入無功而引起系統的功率因數下降的問題。

由上可知，本實施例在級聯型光伏并網逆變器出現逆變單元過調制現象時，模擬并判斷采用向電網注入無功的方法是否可以同時滿足系統對功率因數的要求以及避免逆變單元過調制的要求；若能同時滿足，就向電網注入無功；否則就令級聯型光伏并網逆變器退出MPPT控制模式，通過犧牲太陽能利用率來達到同時滿足這兩項要求的目的。

此外，考慮到執行上述級聯型光伏并網逆變器控制方法的前提條件是級聯型光伏并網逆變器處于并網狀態，但當受光照不均勻等因素影響造成各逆變單元間輸出有功功率嚴重不均衡時，也有可能引起級聯型光伏并網逆變器不能滿足并網條件，因此本實施例還提供了以下方案：

參見圖3，本發明實施例公開了又一種級聯型光伏并網逆變器控制方法，應用于如圖4所示的級聯型光伏并網逆變器，該級聯型光伏并網逆變器的直流側所連接的每一塊光伏電池板都與一可控開關串聯，所述方法包括：

步驟S11：判斷級聯型光伏并網逆變器是否滿足并網條件；若級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件，進入步驟S01；否則進入步驟S12；

級聯型光伏并網逆變器不滿足并網條件，是指級聯型光伏并網逆變器的輸出電壓低于某一閾值時，會使其中，為級聯型光伏并網逆變器中各逆變單元的母線電容電壓之和，為電網電壓幅值。對應的，所述判斷級聯型光伏并網逆變器是否滿足并網條件，可采用如下判據：判斷是否小于若說明了級聯型光伏并網逆變器不滿足并網條件；否則，說明了級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件。

本實施例與上一實施例的區別之處僅在于增加了步驟S11-步驟S13，目的為了保證級聯型光伏并網逆變器始終滿足并網條件。

步驟S12：控制與直流輸出電壓最低的光伏電池板相串聯的可控開關斷開；

步驟S13：通過調節與所述直流輸出電壓最低的光伏電池板對應的母線電容的電壓指令值來使級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件；之后返回步驟S11；

逆變單元#i的直流側接光伏電池板#PVi時，逆變單元#i的母線電壓受光伏電池板#PVi的約束而不能隨意改變，此時如果將與光伏電池板#PVi相串聯的可控開關斷開，則可通過調節逆變單元#i的母線電壓來使級聯型光伏并網逆變器滿足從而滿足并網條件。

步驟S01：判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制；若是，進入步驟S02；反之，重復執行步驟S01；

步驟S02：計算在系統的功率因數不低于最小允許值的情況下所允許向電網注入的最大無功a以及最小無功b；

步驟S03：模擬向電網注入最大無功a后后級聯型光伏并網逆變器的工作狀態，并判斷此工作狀態下各逆變單元是否均處于調制區；若是，進入步驟S04；若否，進入步驟S05；

步驟S04：向電網注入無功，所述無功不低于最大無功a且不高于最小無功b；

步驟S05：控制級聯型光伏并網逆變器退出對每塊光伏電池板進行獨立的MPPT控制的工作模式。

此外，參見圖5，本發明實施例還公開了一種級聯型光伏并網逆變器控制裝置，包括：

第一判斷單元100，用于判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制；

計算單元200，用于在第一判斷單元100判斷得到級聯型光伏并網逆變器中至少有一個逆變單元過調制時，計算在系統的功率因數不低于最小允許值的情況下所允許向電網注入的最大無功以及最小無功；

第二判斷單元300，用于模擬向電網注入所述最大無功后后級聯型光伏并網逆變器的工作狀態，并判斷此工作狀態下各逆變單元是否均處于調制區；

第一處理單元400，用于在第二判斷單元300判斷得到向電網注入所述最大無功能使各逆變單元均處于調制區時，向電網注入無功，所述無功的取值不低于所述最小無功且不高于所述最大無功；

第二處理單元500，用于在第二判斷單元300判斷得到向電網注入所述最大無功不能使各逆變單元均處于調制區時，控制級聯型光伏并網逆變器退出對每塊光伏電池板進行獨立的最大功率點跟蹤控制的工作模式。

其中，第一處理單元400具體用于在第二判斷單元300判斷得到向電網注入所述最大無功能使各逆變單元均處于調制區時，向電網注入所述最小無功。

當級聯型光伏并網逆變器的直流側所連接的每一塊光伏電池板都與一可控開關串聯時，所述級聯型光伏并網逆變器控制裝置還包括第三判斷單元600和第三處理單元700，其中：

第三判斷單元600，用于判斷級聯型光伏并網逆變器是否滿足并網條件；

第三處理單元700，用于在第三判斷單元600判斷得到級聯型光伏并網逆變器不滿足并網條件時，控制與直流輸出電壓最低的光伏電池板相串聯的可控開關斷開，并通過設定與所述直流輸出電壓最低的光伏電池板對應的母線電容的電壓指令值來使級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件；

對應的，第一判斷單元100具體用于在第三處理單元700判斷得到級聯型光伏并網逆變器滿足并網條件時，判斷級聯型光伏并網逆變器中是否至少有一個逆變單元過調制。

此外，本發明實施例還公開了一種級聯H橋光伏并網逆變器，包括上述公開的任一種級聯型光伏并網逆變器控制裝置。

綜上所述，本發明在級聯型光伏并網逆變器出現逆變單元過調制現象時，模擬并判斷采用向電網注入無功的方法是否可以同時滿足系統對功率因數的要求以及避免逆變單元過調制的要求；若能同時滿足，就向電網注入無功；否則就令級聯型光伏并網逆變器退出MPPT控制模式，通過犧牲太陽能利用率來達到同時滿足這兩項要求的目的。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明實施例的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明實施例將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。