《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》是特變電工新疆新能源股份有限公司和特變電工西安電氣科技有限公司於2010年11月17日申請的發明專利，該專利的申請號為2010105537221，公布號為CN102005953A，公布日為2011年4月6日，發明人是劉偉增、阮少華、張新濤，該專利涉及併網逆變器技術領域。
《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》所述併網逆變器包括：交流輸出濾波器，包括並聯的多個可切換的濾波模組，其中每個濾波模組的功率容量為併網逆變器的不同輸出功率；監測模組，用於對併網逆變器的交流輸出電壓和電流進行實時監測；和控制電路，其用於根據監測到的電壓和電流計算併網逆變器的輸出功率，並根據所計算的輸出功率所屬的功率等級控制切換到具有與該功率等級相應的功率容量的濾波模組，所述功率等級根據所述多個濾波模組的功率容量而劃分。
2014年11月6日，《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法
- 公布號：CN102005953A
- 公布日：2011年4月6日
- 申請號：2010105537221
- 申請日：2010年11月17日
- 申請人：特變電工新疆新能源股份有限公司、特變電工西安電氣科技有限公司
- 地址：新疆維吾爾自治區烏魯木齊市高新技術開發區長春南路399號
- 發明人：劉偉增、阮少華、張新濤
- 分類號：H02M7/42（2006.01）I、H02M1/12（2006.01）I、H02J3/38（2006.01）I
- 代理機構：北京天昊聯合智慧財產權代理有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：羅建民、鄧伯英
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著併網發電技術的廣泛套用，併網逆變器的輸出電能質量得到了電網公司更多的關注。為了降低併網輸出諧波，提高電能質量，中國國內外光伏發電標準（如UL1741、IEEE929-2000）中均對併網電流各次諧波及總諧波含量都提出了嚴格的要求。影響併網電流諧波的因素有很多，該文主要討論併網逆變器的交流輸出濾波方式對併網電流諧波的影響。
2010年11月前，併網逆變器的輸出濾波器都是針對併網逆變器自身的額定輸出功率所設計的。當併網逆變器輸出功率在額定功率時，併網逆變器的輸出電流波形的諧波畸變率可以很好地滿足併網逆變器相關標準的要求。但在輕載情況下，尤其是負載率低於25％以下、逆變器輸出功率遠低於額定功率時，存在以下兩個嚴重問題：
（1）由於在低負載率情況下，調製比很低，開關占空比很小，導致併網電流諧波含量嚴重超標，對電網造成較大的諧波污染；
（2）在輕載情況下，由於濾波器空載損耗占的比重增加，使逆變器的轉換效率也大幅降低。
這種問題對於光伏併網逆變器尤其嚴重。由於一天中日照強度的自然變化，光伏併網逆變器在一天的大部分時間都工作在較低的負載率下。在這種情況下，如上所述，存在併網電流諧波含量超標和轉換效率降低的問題，從而降低了輸出電能質量。但是，2010年11月前尚缺乏對於這種問題的解決方案。
發明內容
專利目的
《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》提供一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法，以使得併網逆變器即使在低負載率情況下其輸出電流波形的總諧波畸變率（THD）也能滿足相關標準的要求，並使得併網逆變器在低負載率情況下的轉換效率得到提高。
技術方案
《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》提供一種併網逆變器，包括：交流輸出濾波器，其包括並聯的多個可切換的濾波模組，其中每個濾波模組的功率容量為併網逆變器的不同輸出功率；監測模組，其與併網逆變器的交流輸出端連線，用於對併網逆變器的交流輸出電壓和電流進行實時監測；和控制電路，其連線在監測模組和交流輸出濾波器之間，用於根據通過監測模組監測到的電壓和電流計算併網逆變器的輸出功率，並根據所計算的輸出功率所屬的功率等級控制切換到具有與該功率等級相應的功率容量的濾波模組，所述功率等級根據所述多個濾波模組的功率容量而劃分。
優選地，所述濾波模組每個包括串聯的LC或LCL交流濾波器和第一交流接觸器，所述LC或LCL交流濾波器中的濾波電容支路包括串聯的濾波電容和第二交流接觸器，所述控制電路通過控制各個濾波模組中所包括的第一交流接觸器和第二交流接觸器的通斷來控制切換到所述濾波模組。
優選地，所述監測模組對併網逆變器的併網條件進行實時監測，如果併網條件不滿足，則控制電路控制切斷所述交流輸出濾波器中的所有濾波模組，如果併網條件滿足，則控制電路執行所述計算和控制步驟。
優選地，根據併網逆變器輸出功率的範圍跨度和併網逆變器對最低負載率情況下的諧波要求選取所述濾波模組的數量。
相應地，該發明提供一種併網逆變器的交流輸出濾波方法，所述併網逆變器包括交流輸出濾波器，該交流輸出濾波器包括並聯的多個可切換的濾波模組，其中每個濾波模組的功率容量為併網逆變器的不同輸出功率，所述濾波方法包括：對併網逆變器的交流輸出電壓和電流進行實時監測；根據監測到的電壓和電流計算併網逆變器的輸出功率；和根據所計算的輸出功率所屬的功率等級控制切換到具有與該功率等級相應的功率容量的濾波模組，所述功率等級根據所述多個濾波模組的功率容量而劃分。
優選地，在所述濾波模組每個包括串聯的LC或LCL交流濾波器和第一交流接觸器並且所述LC或LCL交流濾波器中的濾波電容支路包括串聯的濾波電容和第二交流接觸器的情況下，通過控制各個濾波模組中所包括的第一交流接觸器和第二交流接觸器的通斷來控制切換到所述濾波模組。
優選地，該方法還包括：對併網逆變器的併網條件進行實時監測，如果併網條件不滿足，則控制切斷所述交流輸出濾波器中的所有濾波模組，如果併網條件滿足，則執行所述計算和控制步驟。
優選地，該方法還包括：根據併網逆變器輸出功率的範圍跨度和併網逆變器對最低負載率情況下的諧波要求選取所述濾波模組的數量。
改善效果
從以上技術方案可看出，《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》根據併網逆變器的不同輸出功率，在併網逆變器的交流輸出濾波器中並聯有多個按照不同功率等級設計的濾波模組，並根據併網逆變器的實時輸出功率在這多個濾波模組之間進行相應的切換，從而使得無論併網逆變器的輸出功率如何，併網逆變器的輸出電流波形的THD均可滿足相關標準的要求，並且有效地提高了併網逆變器在低負載率情況下的轉換效率。
附圖說明
圖1是2010年11月前已有的三相全橋光伏併網逆變器的系統結構圖；
圖2是根據《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》實施例的三相全橋光伏併網逆變器的系統結構圖；
圖3是根據該發明實施例的併網逆變器交流輸出濾波方法的流程圖；
圖4是根據2010年11月前已有技術的單濾波方式和根據該發明的雙濾波方式的THD對比圖；
圖5是根據2010年11月前已有技術的單濾波方式和根據該發明的雙濾波方式的轉換效率對比圖。
權利要求
1.一種併網逆變器，包括：交流輸出濾波器，其包括並聯的多個可切換的濾波模組，其中每個濾波模組的功率容量為併網逆變器的不同輸出功率；監測模組，其與併網逆變器的交流輸出端連線，用於對併網逆變器的交流輸出電壓和電流進行實時監測；和控制電路，其連線在監測模組和交流輸出濾波器之間，用於根據通過監測模組監測到的電壓和電流計算併網逆變器的輸出功率，並根據所計算的輸出功率所屬的功率等級控制切換到具有與該功率等級相應的功率容量的濾波模組，所述功率等級根據所述多個濾波模組的功率容量而劃分。
2.根據權利要求1所述的併網逆變器，其特徵在於，所述濾波模組每個包括串聯的LC或LCL交流濾波器和第一交流接觸器，所述LC或LCL交流濾波器中的濾波電容支路包括串聯的濾波電容和第二交流接觸器，所述控制電路通過控制各個濾波模組中所包括的第一交流接觸器和第二交流接觸器的通斷來控制切換到所述濾波模組。
3.根據權利要求1所述的併網逆變器，其特徵在於，所述監測模組對併網逆變器的併網條件進行實時監測，如果併網條件不滿足，則控制電路控制切斷所述交流輸出濾波器中的所有濾波模組，如果併網條件滿足，則控制電路執行所述計算和控制步驟。
4.根據權利要求1所述的併網逆變器，其特徵在於，根據併網逆變器輸出功率的範圍跨度和併網逆變器對最低負載率情況下的諧波要求選取所述濾波模組的數量。
5.一種併網逆變器的交流輸出濾波方法，所述併網逆變器包括交流輸出濾波器，該交流輸出濾波器包括並聯的多個可切換的濾波模組，其中每個濾波模組的功率容量為併網逆變器的不同輸出功率，所述濾波方法包括：對併網逆變器的交流輸出電壓和電流進行實時監測；根據監測到的電壓和電流計算併網逆變器的輸出功率；和根據所計算的輸出功率所屬的功率等級控制切換到具有與該功率等級相應的功率容量的濾波模組，所述功率等級根據所述多個濾波模組的功率容量而劃分。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，在所述濾波模組每個包括串聯的LC或LCL交流濾波器和第一交流接觸器並且所述LC或LCL交流濾波器中的濾波電容支路包括串聯的濾波電容和第二交流接觸器的情況下，通過控制各個濾波模組中所包括的第一交流接觸器和第二交流接觸器的通斷來控制切換到所述濾波模組。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，還包括：對併網逆變器的併網條件進行實時監測，如果併網條件不滿足，則控制切斷所述交流輸出濾波器中的所有濾波模組，如果併網條件滿足，則執行所述計算和控制步驟。
8.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，還包括：根據併網逆變器輸出功率的範圍跨度和併網逆變器對最低負載率情況下的諧波要求選取所述濾波模組的數量。
實施方式
圖1是2010年11月前已有的三相全橋光伏併網逆變器的系統結構圖。如圖1所示，該光伏併網逆變器包括PV電池板10、直流濾波器20、三相全橋電路30和交流輸出濾波器40四個部分，其中，交流輸出濾波器40的輸入端與三相全橋電路30的輸出端（即，併網逆變器的交流輸出端）連線，交流輸出濾波器40的輸出端作為光伏併網逆變器的輸出端接入電網。在相關技術中，交流輸出濾波器中僅包括一個根據併網逆變器的額定輸出功率設計的濾波模組，例如一個LC或LCL濾波器。
圖2是根據該發明實施例的三相全橋光伏併網逆變器的系統結構圖。如圖2所示，該光伏併網逆變器的交流輸出濾波器40由兩個不同功率容量的濾波模組，即，濾波模組A和濾波模組B並聯構成，其中，濾波模組A由交流濾波器A和交流接觸器KA2串聯構成，交流濾波器A中的電容支路由電容C1和交流接觸器KA1串聯構成；濾波模組B由交流濾波器B和交流接觸器KB2串聯構成，交流濾波器B中的電容支路由電容C2和交流接觸器KB1串聯構成。這裡，定義濾波模組A為輔助濾波模組，定義濾波模組B為主濾波模組。
在僅包括兩個並聯濾波模組的情況下，主濾波模組（即，濾波模組B）的功率容量設計為光伏併網逆變器的額定輸出功率，輔助濾波模組（即，濾波模組A）的功率容量通常可設計為光伏併網逆變器的額定輸出功率的15％-30％。例如，對於額定輸出功率為500千瓦的併網逆變器，可根據100千瓦（即，額定功率的20％）的功率容量來設計濾波模組A的電感L1和電容C1的參數，然後再根據電容C1的電流大小，選取與電容C1串聯的交流接觸器KA1的型號，交流接觸器KA2的型號則根據併網逆變器的輸出電流值的大小來選取。
為了實現各個濾波模組之間的切換，如圖2所示，根據該發明的光伏併網逆變器還包括監測模組50和控制電路60，其中，監測模組50與併網逆變器的交流輸出端連線，用於對併網逆變器的交流輸出電壓和電流進行實時監測；控制電路60連線在監測模組50和交流輸出濾波器40之間，用於根據通過監測模組50監測到的電壓和電流計算併網逆變器的輸出功率，並根據所計算的輸出功率所屬的輸出功率等級分別向交流輸出濾波器40中所包括的濾波模組A和濾波模組B傳送控制信號1和控制信號2來控制交流接觸器KA1、KA2、KB1和KB2的通斷，以使得切換到具有與該輸出功率等級相應的功率容量的濾波模組。也就是說，通過監測模組50和控制電路60使得併網逆變器在不同的輸出功率情況下選擇不同的濾波模組對併網逆變器的交流輸出進行濾波，以達到最佳的濾波效果。
這裡，所述功率等級是根據交流輸出濾波器40中所包括的多個濾波模組的功率容量來劃分的。例如，在包括功率容量為500千瓦的主濾波模組和功率容量為100千瓦的輔助濾波模組的情況下，共分為兩個功率等級，第一功率等級為500千瓦-100千瓦，第二功率等級為100千瓦以下。當併網逆變器的輸出功率在第一功率等級範圍內時，切換到主濾波模組進行濾波，當併網逆變器的輸出功率在第二功率等級範圍內時，切換到輔助濾波模組進行濾波。
從圖2可看出，該發明與2010年11月前已有技術的不同之處在於，根據相關技術的交流輸出濾波器40僅包括一個濾波模組（可稱為單濾波方式），而根據該發明的交流輸出濾波器40則包括兩個並聯的濾波模組（可稱為雙濾波方式）。
但是，應該理解，根據該發明的交流輸出濾波器40並不限於僅包括圖2所示的雙濾波模組，並聯的濾波模組的數量取決於併網逆變器輸出功率的範圍跨度和逆變器對最低負載率情況下的諧波要求。一般來講，如果併網逆變器輸出功率跨度較大，而且諧波要求也很嚴格，那么電路中根據不同功率等級所並聯的濾波模組就越多；如果併網逆變器輸出功率跨度不是很大，諧波要求不是很嚴格，那么電路中並聯的濾波模組也就相應的較少。通常，如果要求在5％的負載率情況下併網逆變器的輸出併網電流諧波含量＜5％，則只需要選取2個濾波模組並聯就可以了。此外，並聯的濾波模組中的交流濾波器也不限於圖2所示LC濾波器，例如還可以使用LCL濾波器作為濾波模組中的交流濾波器，此時，按照上述功率容量設計選取LCL濾波器中的各個元器件即可。
圖3是由控制電路60執行的雙濾波方法的流程圖。在該方法中，如下設定狀態字：FLAG為濾波模組選擇標誌；FALG＝1表示選擇濾波模組A（輔助濾波模組）或者濾波模組A正在工作；FLAG＝2表示選擇濾波模組B（主濾波模組）或者濾波模組B正在工作；RESTART為併網逆變器熱啟動標誌；RESTART＝1表示併網逆變器需要熱啟動；RESTART＝0表示熱啟動過程完成。
如圖3所示，在併網逆變器開始運行後，首先在步驟S301中對狀態字進行初始化，令FLAG＝1，RESTRAT＝1。
接著，在步驟S302中，對併網逆變器的併網條件進行監測，這裡，併網條件包括：1.電網電壓、頻率、幅值、相位符合設定併網條件；2.PV陣列電壓達到逆變器的最小啟動電壓。只要這兩個條件滿足，逆變器即可併網運行。
如果不滿足併網條件，則在步驟S303中，控制KA1、KA2、KB1和KB2都斷開，並令FLAG＝1，RESTRAT＝1，然後跳轉到步驟S302繼續對併網條件進行監測。
如果滿足併網條件，則在步驟S304中判斷狀態字RESTART是否等於1，即，判斷併網逆變器是否需要熱啟動。如果RESTART＝0，即，表明併網逆變器的熱啟動過程已經完成，則跳轉到步驟S310開始執行後續的實時切換操作。如果RESTART＝1，即，表明併網逆變器需要熱啟動，則首先在步驟S305中延遲3秒鐘，這是因為在進行實時切換控制中，交流接觸器實際硬體的斷開需要一定的時間，為了給交流接觸器KA1、KA2、KB1、KB2斷開留有足夠的時間，讓交流接觸器能夠徹底地斷開，所以需要延遲一定的時間，這裡為了保險起見，延遲時間設為3秒鐘，但是其實這個延遲時間可以是1秒到3秒之間的任何值。然後，在步驟S306中判斷狀態字FLAG是否等於1。如果狀態字FLAG＝1，即，選擇濾波模組A進行工作，則在步驟S307中控制斷開KB1、KB2，閉合KA1、KA2。如果狀態字FLAG≠1，即表明FLAG＝2，選擇濾波模組A進行工作，則在步驟S308中控制斷開KA1、KA2，閉合KB1、KB2。接著，在步驟S309中令RESTATR＝0，即，表明熱啟動過程完成，可以從步驟S310開始進行後續的實時切換操作。
在步驟S310中，根據監測模組50監測到的交流輸出電壓U0和I0電流計算併網逆變器的輸出功率，即，
。
接著，在步驟S311中，判斷計算的輸出功率P0是否大於設定的參考值P1。這裡，P1應與輔助濾波模組（即，濾波模組A）的功率容量一致。例如，對於500千瓦逆變器，如果按照100千瓦設計濾波模組A，則P1應為100千瓦。根據如此設定的參考值P1，即可分為兩個功率等級，第一功率等級為500千瓦-100千瓦，第二功率等級為100千瓦以下。
如果在步驟S311中判斷P0＞P1，即，屬於第一功率等級，則應該利用主濾波模組（即，濾波模組B）進行濾波，因此在步驟S312中判斷FLAG是否等於1。如果FLAG＝1，則首先在步驟S313中，將KA1、KA2、KB1和KB2都斷開，並分別在步驟S314和S315中令FLAG＝2和RESTART＝1，以便為切換到濾波模組B做準備，然後，再跳轉到步驟S302繼續進行監測。如果FLAG≠1，則表明FLAG＝2，此時濾波模組B正在工作，不需要改變，直接跳轉到步驟S302繼續進行監測。
如果在步驟S311中判斷P0＜P1，即，屬於第二功率等級，則應該利用輔助濾波模組（即，濾波模組A）進行濾波，因此在步驟S316中判斷FLAG是否等於2。如果FLAG＝2，則首先在步驟S317中，將KA1、KA2、KB1和KB2都斷開，並分別在步驟S318和S319中令FLAG＝1和RESTART＝1，以便為切換到濾波模組A做準備，然後，再跳轉到步驟S302繼續進行監測。如果FLAG≠2，則表明FLAG＝1，此時濾波模組A正在工作，不需要改變，直接跳轉到步驟S302繼續進行監測。
通過以上流程，控制電路60根據併網逆變器的實時輸出功率來控制交流接觸器KA1、KA2、KB1和KB2的通斷狀態，從而使得切換到具有與該輸出功率所述功率等級相應的功率容量的濾波模組。
以下，將通過實驗對比來說明該發明的技術效果。在下述實驗對比中，併網逆變器的額定功率為500千瓦，標準要求設為逆變器輸出電流THD＜5％（可參見標準IEEE929-2000，《400V以下低壓併網光伏發電專用逆變器技術要求和試驗方法》等）。
以下表1是500千瓦逆變器的單濾波方式與雙濾波方式在不同負載率情況下關於總諧波含量（THD）和轉換效率的實驗對比分析。
負載率 | 工作電流 | TIID | 效率 | ||
單濾波 | 雙濾波 | 單濾波 | 雙濾波 | ||
5% | 48 | 17.2% | 3.1% | 95.81% | 97.63% |
10% | 96 | 15.1% | 3.3% | 97.66% | 98.54% |
15% | 144 | 9.5% | 3.4% | 98.26% | 98.78% |
20% | 192 | 6.9% | 3.4% | 98.56% | 98.88% |
30% | 289 | 4.2% | 4.5% | 98.82% | 98.82% |
40% | 385 | 3.9% | 3.8% | 98.93% | 98.93% |
50% | 481 | 3.2% | 3.2% | 98.98% | 98.98% |
60% | 577 | 3.1% | 3.1% | 98.99% | 98.99% |
70% | 674 | 2.8% | 2.9% | 98.98% | 98.98% |
80% | 770 | 2.7% | 2.8% | 98.97% | 98.97% |
90% | 866 | 2.5% | 2.6% | 98.95% | 98.95% |
100% | 962 | 2.5% | 2.6% | 98.85% | 98.85% |
圖4和圖5是表1所示實驗數據的曲線圖。從表1、圖4和圖5可看出，雙濾波方式與單濾波方式相比，在低負載率情況下，THD明顯下降，轉換效率也有所提高。
榮譽表彰
2014年11月6日，《一種併網逆變器及其交流輸出濾波方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
