本发明涉及一种级联型光伏逆变器单元模块装置及控制方法。
背景技术：
级联型光伏逆变器在电能转换领域中具有广泛的应用，逆变器单元模块装置中会应用多个mos管，而mos管自身的散热性能不满足其散热要求，为了防止mos管因过热而导致损坏，需要加散热片装置，传统的散热鳍片占用空间大，整体散热效果一般。此外，mos管在应用过程中还需要专门的驱动保护电路，使得整个单元体积很大，在级联过程中，不方便安装和拆卸。现有的功率单元装置有两种，一种是散热性能良好，但是体积比较大，当损坏或者是需要更换时不方便拆卸；另一种是体积相对较小，但是工作过程中产生的热量无法很好地散去，容易造成装置的损坏。级联型逆变器有多个逆变单元组成，在载波移相时需要所有单元同步，需要占用大量的io口，传统的单一dsp控制方式，不能很好地满足此需求。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：现有级联型光伏逆变器单元模块体积较大，拆装不便，在载波移相时不能实现所有单元同步高效控制的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种级联型光伏逆变器单元模块装置，其特征在于：包括壳体，所述壳体内设有单元功率板和单元基板，壳体上设有单元模块装置对外接口和散热装置，单元功率板与单元基板连接，所述单元基板上设有单元核心板，用于实现单元核心控制算法和产生驱动信号；
驱动保护板，用于产生功率器件的驱动和形成短路保护信号；
电压泄放板，用于对主电路进行过压保护；
模拟量采集电路，用于进行单元内的模拟量采集，同时把每个功率模块单元的光伏电池板的电压电流以及母线电压通过光纤通信发送出去。
优选地，所述单元功率板包括二极管d1、电容c1、用于实现升压以及mppt功能的boost升压电路和用于将前级输出直流电压逆变为交流电压的逆变桥电路，所述boost升压电路包括电感l1、开关管s1、二极管d2和电容c2，逆变桥电路包括四个带有反并联二极管的mos管s11、mos管s12、mos管s13和mos管s14，mos管s11和mos管s13串联，mos管s12和mos管s14串联，二极管d1的阳极连接输入端的正极，阴极分别连接电容c1的一端和电感l1的一端，电感l1的另一端分别连接开关管s1的集电极和二极管d2的阳极，二极管d2的阴极分别连接电容c2的一端、mos管s11的源极、mos管s12的源极，电容c1的另一端分别连接输入端的负极、开关管s1的发射极、电容c2的另一端、源极s13的漏极、源极s14的漏极。
优选地，所述壳体包括l形单元盖板以及与l形单元盖板相配合的单元外壳，单元外壳内壁设有无电镀层区域和用于增强壳体的抗腐蚀性和耐热性电镀层区域，单元功率板设于无电镀层区域。
本发明的另外一个技术方案是提供了一种级联型光伏逆变器单元模块装置的控制方法，其特征在于：包括升压控制和逆变控制，完成初始化设置后，首先进行单元内的模拟量adc采集，接着在升压后将直流电压以及mppt输出结果通过光纤上传给主控板，控制器采用dsp fpga模式，dsp用于实现模拟量采集、单元mppt功能、单元boost电路的驱动产生、读取sram和产生保护信号；fpga用于实现与主控进行通信、单元逆变桥的驱动产生、读取sram及根据dsp产生的保护信号实现保护功能；dsp中的epwm1连接到fpga管脚，用于驱动boost升压电路的开关管,当单元模块装置单独作为控制器使用时，由单元dsp完成boost电路的双闭环功能和逆变器的逆变功能；当单元模块装置级联使用时，由单元dsp完成boost电路的双闭环功能，单元fpga完成逆变器的逆变功能。
优选地，所述dsp中使用三个定时器循环做慢速任务计算，dsp驱动boost升压电路采用pwm中断进行算法计算；逆变器的开关管驱动信号直接由fpga产生，并加入移相和死区控制。
优选地，所述boost电路控制过程包括如下步骤：
步骤1、采用改进的扰动观察法作为mppt算法，实现最大功率点电压跟踪得到电压参考值vpv_ref，与实时采样的光伏电池板输出电压vpv进行比较；
步骤2、采用2p2z算法对光伏电池板输出电压vpv进行闭环控制，传递函数为gv，得出boost回路中开关管的电流参考值iboostsw-ref；
步骤3、与实时采样iboostsw进行对比后，采用2p2z算法对电流进行闭环控制，传递函数为gi，得到对应占空比的驱动波形以驱动boost回路中的功率器件，实现单元模块中前级回路mppt功能。
优选地，所述boost升压输出与单元控制器adc模块引脚和内部比较器相连，在过压时封锁驱动信号，并通过电压泄放板将电压进行泄放，防止器件过压损坏。优选地，所述逆变桥电路控制过程包括如下步骤：
单元模块逆变桥电路采用单极调制时，输出电流大小为：
其中，d表示占空比，δigrid表示进入电网电流，vdc表示源端直流电压，vgrid表示电网电压，zlcl表示滤波lc的阻抗；
通过设置逆变环节直流侧目标电压值vdc_ref，即boost升压值，实时采集boost电路升压端电压vboost，将两者进行比较，采用2p2z算法进行电压环控制，传递函数为gv，得出逆变环节电流环对应的输入电流参考值iinver-ref；
与数字锁相环采集角度相乘得到电流环输入电流参考值，与开关管s12和s14之间的电流差值对比后，数据从主控发送到单元装置，使用2p2z算法进行电流环控制，传递函数为gi，得到对应占空比的驱动波形以驱动逆变回路中的功率器件，实现单元模块中后级回路逆变环节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将级联型光伏逆变器的单元电路集成在一个较小的单元壳体里面，同时采用带有散热装置的外壳。以铝基板卡为载体，整个单元外壳为散热装置，散热效果较传统的散热方式有了明显提高；采用非隔离级联h桥逆变电路拓扑结构，省去升压变压器，节约成本，结构简单，同时使单元装置的体积变小，使设备模块化，易于后期设备的扩展和替换。
2、本发明每个功率单元可以实现独立的mppt控制，有助于解决部分遮挡和光伏组件的不匹配问题，提高太阳能利用率。采用模块化技术，易于扩展和替换，优化了传统的控制方式，提高了系统的工作效率。
3、输出带有可控硅起到旁路作用，用在级联装置中时，若有一路逆变器损坏，系统可以自动旁路，不影响整个系统运行。
4、逆变电路开关管开关频率高达10khz，并网谐波干扰少，电能质量高。作为逆变器单元可广泛应用于级联型光伏逆变器，有利于改善输出波形、降低输出谐波，输出可以不加滤波设备，提高系统效率。
附图说明
图1是本发明提供的单元外壳的正面结构示意图；
图2是本发明提供的单元外壳的背面结构示意图；
图3是本发明提供的l形单元盖板的结构示意图；
图4是本发明提供的单元基板的结构示意图；
图5是本发明提供的单元电气连接示意图；
图6是本发明提供的单元模块主电路示意图；
图7是本发明提供的单元模块控制流程图；
图8是本发明提供的基于改进型mppt的boost电路双闭环控制示意图；
图9是本发明提供的逆变桥双闭环控制示意图。
图中标号：1、单元外壳；2、l形单元盖板；3、底部散热鳍片；4、无电镀层区域；5、有电镀层区域；6、侧面螺纹孔；7、光纤通信接口；8、单元功率板固定螺纹孔；9、单元基板固定螺纹孔；10、驱动保护板固定槽；11、单元核心板固定槽；12、电压泄放板固定槽；13、模拟量采集电路；14、单元基板；15、单元装置固定孔。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1至图4所示，本发明一种级联型光伏逆变器单元模块装置，包括单元外壳1和l形单元盖板2。单元外壳1采用标准化的铝合金单元壳体，通过对单元壳体进行电镀，可以增强壳体的抗腐蚀性和耐热性等功能；壳体内部有一矩形区域将电镀层打磨，即无电镀层区域4，用于安装单元功率板，壳体内部还设置多个单元基板固定螺纹孔9，用于安装固定单元基板14；单元外壳1一侧有三个m20*15的侧面螺纹孔6，作为直流电源输入和交流输出使用；单元外壳1底部为鳍片散热器形状3。l形单元盖板2为铝合金材料，左侧的槽口为h桥单元光纤通信接口7，单元模块的整体大小为200mm*140mm*65mm。
单元功率板材料为铝基板，将铝基板固定在单元外壳无电镀层区域4处，通过导热质紧贴外壳。当正常工作时，多个mos管产生的热量会通过铝基板迅速向单元外壳1扩散，由于单元外壳1的底部为底部散热鳍片3，相当于将单元外壳1作为一个整体的散热装置，热量传到单元外壳1之后会经过散热片迅速消散，可以很好的保护功率器件，延长使用寿命。单元基板14包含模拟量采集电路13，主要进行单元内模拟量采集，同时把每个功率模块单元的光伏电池的电压电流以及母线电压通过光纤通信发送出去，单元基板14固定在单元外壳预留的电路板螺丝孔9处，板卡四周打孔，并且涂上一层绝热材料。单元核心板通过单元核心板固定槽11固定在单元基板14上。驱动保护板通过驱动保护板固定槽10固定在单元基板14上。电压泄放板与单元功率板中独立的mos管共同组成电压泄放电路，对主电路进行过压保护，通过电压泄放板固定槽12固定在单元基板14上。
无电镀层区域4比有电镀层区域5高2-4mm，铝基板通过导热质与单元底板4贴合连接。单元功率板固定螺纹孔8和单元基板固定螺纹孔9在单元外壳1内部正面打孔，使单元功率板贴合在单元外壳1上。但是单元基板固定螺纹孔9通过铜柱抬升单元基板14的高度，防止经过单元外壳1的热量对其造成损坏，铜柱高度为8mm。单元基板14的四个固定孔为无铜箔打孔，单元基板14下面涂一层绝热材料，单元模块装置通过单元固定孔15固定在整机上面。
如图7所示，本发明提出的一种级联型光伏逆变器单元模块装置的主电路设计，每个单元模块由boost升压电路和逆变桥构成。光伏电池板首先经过单相导通二极管d1防止电流倒流，boost升压电路主要实现升压、以及改进型mppt功能。逆变桥由四个带有反并联二极管的开关管组成，将前级输出直流电压逆变为交流电压。同时，输出带有可控硅起到旁路作用。当逆变单元单独作为控制器使用时，由单元dsp完成boost电路的双闭环功能和逆变器的逆变功能；当级联使用时，由单元dsp完成boost电路的双闭环功能，单元fpga完成逆变器的逆变功能。dsp主要实现模拟量采集、单元mppt功能、单元boost电路的驱动产生、读取sram和产生保护信号。fpga主要实现与主控进行通信、单元逆变桥的驱动产生、读取sram及根据dsp产生的保护信号实现保护功能。
如图6所示，本发明提供的单元模块控制流程图。包括控制器采用dsp fpga，fpga可以拓展io口从而可以接更多的外设，在级联系统中处理载波移相时需要多个单元同步运行，fpga的应用显得格外重要。在级联主系统中采用fpga管理光纤通信，这样主控和单元的通信变为fpga-fpga，优化了传统的通信方式，同时简化了程序远程升级的过程。此外，fpga计算速度比较快，可以减轻dsp的负担，提高单元模块的工作效率。dsp中使用三个定时器time0配置为1ms、time1配置为2.5ms、time2配置为50ms状态循环做慢速任务计算。dsp中的epwm1连接fpga作为boost升压电路的开关管调节，频率设置为100k，采用pwm中断进行算法计算100khz；dsp中的epwm2和epwm3连接fpga作为逆变桥的开关管调节，频率设置为10k，采用adc中断进行算法计算10khz。
本发明提供的单元模块控制流程图主要由系统初始化时钟、io口等初始化模块、输出调制波的pwm模块初始化、电压和电流的adc转换模块、mppt、增量式pid、正弦波发生函数sgen等算法函数及参数初始化、光纤和r485通讯子程序模块构成。系统在上电以后，首先关闭中断位，屏蔽所有中断，系统初始化、pwm、adc、sci初始化、算法初始化及相关程序变量。完成初始化设置以后，使能pwm、adc中断，定时器状态循环运行mppt、光纤。设置pwm中断频率为100khz，10us执行中断子程序。pwm中断子程序主要完成采样、保护、boost升压电路调制等功能。程序首先执行adc采样，采集vpv、ipv、iboost、vboost。接着进入保护子程序，判断系统是否发生过压过流故障，如果发生则立即停机，否则程序继续运行。在接着将升压后直流电压以及mppt输出结果通过光纤上传给主控板，注意，mppt算法计算则在定时器time12.5ms中断中。
当单元模块单独作为光伏逆变器使用时，单元模块程序逆变桥自己做双闭环逆变计算和控制，需要增加adc中断实现逆变桥算法。设置adc中断频率为10khz，100us执行中断子程序。adc中断子程序主要完成采样、保护、逆变桥电路调制等功能。程序首先执行adc采样，采集ileg1、ileg2、vboost。接着，离网状态使用sgen模块产生正弦函数后调制，并网状态下采集电网电流经过正弦分析后进行调制。在接着进行双闭环算出本单元的调制波，并将调制波信号赋值给pwm寄存器，完成pwm信号输出。最后进入保护子程序使用pwmdac模块，判断系统是否发生过流故障。
具体算法执行步骤如下：
1、采用改进的扰动观察法作为mppt算法实现最大功率电压跟踪得到电压参考值vpv_ref，与实时采样光伏板输出电压vpv比较。为了跟踪最大功率点，需要检测输入电压(vpv)和输入电流(ipv)。改进型mppt采用嵌套控制回路、控制输入直流电压(vpv)的外部电压回路和控制升压级电流的内部电流回路实现。增加升压的电流基准，即通过升压引出的电流加载面板，从而导致面板输出电压下降。因此，vpv进入到外部电压补偿器时参考和反馈是反向的。然后执行步骤2。
2、采用2p2z算法对光伏电池板输出电压vpv进行闭环控制传递函数为gv，得出boost回路中开关管的电流参考值iboostsw-ref，然后执行步骤3。
3、与实时采样iboostsw进行对比后，采用2p2z算法对电流进行闭环控制传递函数为gi，得到对应占空比的驱动波形以驱动boost回路中的功率器件，实现单元模块中前级回路mppt功能。boost升压输出与单元控制器adc模块引脚和内部比较器相连，可以在过压时过压时封锁驱动信号，并通过电压泄放板将电压进行泄放，防止器件过压损坏。
从图8基于改进型mppt的boost电路双闭环控制可以得出，boost升压级输出电压没有通过在前端进行闭环控制，而是由dc-ac逆变部分实现，通过调节逆变部分产生的电流来保持boost升压级输出电压的闭环调节，然后执行步骤4。
4、单元模块全桥逆变环节采用单极调制时，输出电流大小为：
其中，d表示占空比，δigrid表示进入电网电流，vdc表示源端直流电压，vgrid表示电网电压，zlcl表示滤波lc的阻抗。可以通过改变占空比来控制此电流，从方程中可以看出，逆变器将电流送入电网时，vdc必须始终大于电网的最大电压。
当逆变单元单独作为控制器使用时，由单元dsp完成逆变器的逆变功能；当级联使用时，由单元fpga完成逆变器的逆变功能。从图9逆变双桥控制可以得到，dc总线不受dc-dc升压环节的调节。因此，逆变环节控制方法采用嵌套控制回路，即外部电压回路和内部电流回路。电压环为电流环生成参考命令，随着逐渐增加的电流目标值达到负载，从而导致直流母线电压下降。因此，vdc在进入外部电压补偿器时参考符号和反馈是反向的。然后，电流命令乘以交流角，得到瞬时电流参考。对于离网时，正弦参考是使用自产生正弦数生成的，提供角度值；而对于并网时，由数字锁相环pll提供角度值。然后电流补偿器利用瞬时电流基准和反馈电流为全桥逆变模块提供占空比。外电压回路仅在交流的零点电压检测处运行，以防止电流中的任何畸变，然后进入步骤5。
5通过设置逆变环节直流侧目标电压值vdc_refboost升压值，实时采集boost电路升压端电压vboost，将两者进行比较，采用2p2z算法进行电压环控制传递函数为gv，得出逆变环节电流环对应的输入电流参考值iinver-ref，然后进入步骤6。
6与数字锁相环采集角度相乘得到电流环输入电流参考值，与开关管s12和s14之间的电流差值对比后，数据从主控发送到单元装置，使用2p2z算法进行电流环控制传递函数为gi，得到对应占空比的驱动波形以驱动逆变回路中的功率器件，实现单元模块中后级回路逆变环节，且响应速度快、鲁棒性强。
电压外环和电流内环均采用2p2z算法进行补偿，比普通pid调节器的鲁棒性更好，更稳定。
本发明专利公开了一种级联型光伏逆变器单元模块装置及其控制方法。本发明的单元外壳1和l形单元盖板2整体为铝合金材质，表面进行电镀，整体为黑色，单元功率板材质为铝基板，将单元外壳部分电镀区域进行机床打磨除去电镀层，铝基板通过导热质与无电镀层区域4贴合，当mos管工作时，产生的热量会通过铝基板向单元外壳1散去，单元基板14固定在单元外壳1上，其余的单元模块固定在单元基板14上面，使得整个级联型光伏逆变器单元模块装置空间利用率最大化，在保证良好的散热基础上，尽最大可能的减小了单元装置的体积，使得单元装置的体积大小为200mm*140mm*65mm，同时减少了生产成本，使设备模块化，易于后期设备的扩展和替换。
本发明可适用于小功率单独使用和级联较大功率多种场合，主电路由boost电路和逆变桥组成，boost电路使用改进型扰动观察法寻找最大功率点实现光伏组件的最大功率跟踪控制mppt，，逆变桥实现逆变环节，并在后期实现级联并网。单元模块单独使用时，单元控制器既需要控制直流侧电压也需要控制输出电流，因此在boost和逆变桥均采用电压电流的双闭环结构；单元模块级联时，逆变桥开关管则由主控制器控制。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例，并不是限制本发明，尽管参照前述的实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述的实施例所记载的技术方案进行修改，或者是对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种级联型光伏逆变器单元模块装置，其特征在于：包括壳体，所述壳体内设有单元功率板和单元基板，壳体上设有单元模块装置对外接口和散热装置，单元功率板与单元基板连接，所述单元基板上设有单元核心板，用于实现单元核心控制算法和产生驱动信号；
驱动保护板，用于产生功率器件的驱动和形成短路保护信号；
电压泄放板，用于对主电路进行过压保护；
模拟量采集电路，用于进行单元内的模拟量采集，同时把每个功率模块单元的光伏电池板的电压电流以及母线电压通过光纤通信发送出去。
2.如权利要求1所述的一种级联型光伏逆变器单元模块装置，其特征在于：所述单元功率板包括二极管d1、电容c1、用于实现升压以及mppt功能的boost升压电路和用于将前级输出直流电压逆变为交流电压的逆变桥电路，所述boost升压电路包括电感l1、开关管s1、二极管d2和电容c2，逆变桥电路包括四个带有反并联二极管的mos管s11、mos管s12、mos管s13和mos管s14，mos管s11和mos管s13串联，mos管s12和mos管s14串联，二极管d1的阳极连接输入端的正极，阴极分别连接电容c1的一端和电感l1的一端，电感l1的另一端分别连接开关管s1的集电极和二极管d2的阳极，二极管d2的阴极分别连接电容c2的一端、mos管s11的源极、mos管s12的源极，电容c1的另一端分别连接输入端的负极、开关管s1的发射极、电容c2的另一端、源极s13的漏极、源极s14的漏极。
3.如权利要求1所述的一种级联型光伏逆变器单元模块装置，其特征在于：所述壳体包括l形单元盖板以及与l形单元盖板相配合的单元外壳，单元外壳内壁设有无电镀层区域和用于增强壳体的抗腐蚀性和耐热性电镀层区域，单元功率板设于无电镀层区域。
4.一种级联型光伏逆变器单元模块装置的控制方法，其特征在于：包括升压控制和逆变控制，完成初始化设置后，首先进行单元内的模拟量adc采集，接着在升压后将直流电压以及mppt输出结果通过光纤上传给主控板，控制器采用dsp fpga模式，dsp用于实现模拟量采集、单元mppt功能、单元boost电路的驱动产生、读取sram和产生保护信号；fpga用于实现与主控进行通信、单元逆变桥的驱动产生、读取sram及根据dsp产生的保护信号实现保护功能；dsp中的epwm1连接到fpga管脚，用于驱动boost升压电路的开关管,当单元模块装置单独作为控制器使用时，由单元dsp完成boost电路的双闭环功能和逆变器的逆变功能；当单元模块装置级联使用时，由单元dsp完成boost电路的双闭环功能，单元fpga完成逆变器的逆变功能。
5.如权利要求4所述的一种级联型光伏逆变器单元模块装置的控制方法，其特征在于：所述dsp中使用三个定时器循环做慢速任务计算，dsp驱动boost升压电路采用pwm中断进行算法计算；逆变器的开关管驱动信号直接由fpga产生，并加入移相和死区控制。
6.如权利要求4所述的一种级联型光伏逆变器单元模块装置的控制方法，其特征在于，所述boost电路控制过程包括如下步骤：
步骤1、采用改进的扰动观察法作为mppt算法，实现最大功率点电压跟踪得到电压参考值vpv_ref，与实时采样的光伏电池板输出电压vpv进行比较；
步骤2、采用2p2z算法对光伏电池板输出电压vpv进行闭环控制，传递函数为gv，得出boost回路中开关管的电流参考值iboostsw-ref；
步骤3、与实时采样iboostsw进行对比后，采用2p2z算法对电流进行闭环控制，传递函数为gi，得到对应占空比的驱动波形以驱动boost回路中的功率器件，实现单元模块中前级回路mppt功能。
7.如权利要求4所述的一种级联型光伏逆变器单元模块装置的控制方法，其特征在于：所述boost升压输出与单元控制器adc模块引脚和内部比较器相连，在过压时封锁驱动信号，并通过电压泄放板将电压进行泄放，防止器件过压损坏。
8.如权利要求4所述的一种级联型光伏逆变器单元模块装置的控制方法，其特征在于：所述逆变桥电路控制过程包括如下步骤：
单元模块逆变桥电路采用单极调制时，输出电流大小为：
其中，d表示占空比，δigrid表示进入电网电流，vdc表示源端直流电压，vgrid表示电网电压，zlcl表示滤波lc的阻抗；
通过设置逆变环节直流侧目标电压值vdc_ref，即boost升压值，实时采集boost电路升压端电压vboost，将两者进行比较，采用2p2z算法进行电压环控制，传递函数为gv，得出逆变环节电流环对应的输入电流参考值iinver-ref；
与数字锁相环采集角度相乘得到电流环输入电流参考值，与开关管s12和s14之间的电流差值对比后，数据从主控发送到单元装置，使用2p2z算法进行电流环控制，传递函数为gi，得到对应占空比的驱动波形以驱动逆变回路中的功率器件，实现单元模块中后级回路逆变环节。
技术总结