专利名称：光伏逆变器接入点电压多过零点相位检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于线路电感的光伏逆变器接入点电压多过零点相位检测方法。
背景技术：
光伏逆变器一般工作在最大功率跟踪(MPPT)状态，此时其输出电流跟踪电网交 流电压的相位并保持同步，理想功率因数为1。为保证光伏逆变器的最大输出功率状态，其 输出电流必须准确跟踪电网电压的相位。光伏逆变单元一般通过检测三相电压过零点的方 式来实现电流与电压的相位同步，具有实时性好、跟踪迅速等优点。但实际线路电感并不为 零，对于高频电力电子开关电路，其感抗远大于电阻，可近似为纯感抗。光伏逆变单元除含 输出电感外，与电网之间还存在连接线路电感，因电流处于开关状态，将在线路电感上形成 带有纹波的开关电压，致使光伏逆变器接入点的交流采样电压不再具有光滑的正弦波形。 尤其当光伏逆变器的输出电流较大时，开关电压峰-峰值甚至超过网侧电压峰-峰值，且造 成在一个周期内可能存在多个电压过零点。此时采用传统的检测电压过零点位置的方法来 确定电压相位已不再有效，即使增加前置低通滤波器也不能完全消除开关电压的影响，且 造成电压相位变化，检测误差较大。也有的光伏逆变单元采用锁相环(PLL)技术检测电网 电压相位，尽管该方式可准确跟踪电网的频率，但并不能实现电压相位的准确跟踪。就目前文献所见，针对线路电感与逆变器开关过程的交互耦合影响，尚未有非常 有效的光伏逆变器接入点电压相位的检测方法，以实现光伏逆变器输出电流与电网电压的 准确同步。

发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种方法简便、运算量小、可有效检测和 计算电网电压实际过零点的基于线路电感的光伏逆变器接入点电压多过零点相位检测方 法，以确定其工作相位，最终实现基于线路电感的光伏逆变器输出电流与电网电压的准确 同步。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种光伏逆变器接入点电压多过零点相位检测方法，将光伏逆变器接入电网后， 受线路电感和带纹波的开关电压综合影响，经采样得到的接入点电压波形将必然出现多个 过零点区域；这些多过零点区域关于实际电网电压的过零点呈现左右严格对称的独有特 征，通过计算这些过零点区域的范围和时间间隔后，取其中心点即可计算得到实际电网电 压的过零点；再根据当前时刻与实际电网电压过零点之间的时间间隔，可准确获得当前时 刻的电网电压相位。确定电网电压实际过零点的具体过程为1)以常用方法设置好一般的过零点捕获方式，针对光伏逆变器接入点电压的采样 波形开始进行过零点检测；2)检测到第一个过零点，记为时刻点tl ；表明此时检测区域已进入过零点区域范围；3)检测下一个过零点，判断与上一个过零点的间距是否大于设定时间值；如果不 是，记时刻点为t2，则说明仍然处于本过零点区域范围之内，返回步骤3)；如果是，说明这 一个过零点已是下一个过零点区域的起始过零点，则转入下一步骤；4)计算最近的电网电压实际过零点时刻为(tl+t2)/2 ；5)重新设置本次过零点时刻为tl ；6)确定实际电网电压的过零点相位；判断本次过零点与上一个过零点之间的接 入点电压采样值是否为正，如果是，则计算出的电网电压过零点时刻相位为0度，然后转入 步骤3)；如果不是，则计算出的电网电压过零点时刻相位为180度，然后返回步骤3)。本发明的有益效果是可实现对电网电压实际相位的准确计算与跟踪。光伏逆变 器接入到含有线路电感的电网中，需要通过测量接入点电压相位使得输出电流与电网电压 相位同步。但因开关纹波电压的影响，造成采样得到的接入点电压在实际电网电压的过零 点附近存在多个过零点区域，难以确定电压相位，导致不能有效实现光伏逆变器的输出电 流与电网电压的准确同步。本发明通过采样光伏逆变器接入点的电压波形并检测出它的多 过零点区域，利用其多过零点区域关于实际电网电压过零点左右严格对称的独有特征，取 多过零点区域的中心时刻即可通过计算准确界定实际电网电压的过零点及其相位。针对含 有较大线路电感的光伏逆变器的并网技术，本发明彻底克服了线路电感和光伏逆变器开关 过程的交互影响，解决了因多过零点现象而难以准确检测电网电压相位的难题，易于实现 光伏逆变器输出电流与电网电压的准确同步，以保证光伏发电单元工作在最大功率输出状 态。


图1为光伏逆变单元等效电路；图加为接入点采样电压与电网电压仿真波形中，接入点采样电压与电网电压图；图2b为接入点采样电压与电网电压仿真波形中，单开关周期内的接入点采样电 压与电网电压；图3a为并网接入点的电压与电流实验波形中，接入点电压与输出电流波形图；图北为并网接入点的电压与电流实验波形中，单开关周期内的接入点电压与开 关电流波形图；图4为基于线路电感的光伏逆变器接入点电压多过零点相位检测方法的详细流 程；图5光伏并网单元的相位跟踪实验图。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。考虑线路电感时光伏逆变单元的等效电路如图1所示，它采用典型的半桥拓扑结 构。图1中，PV为光伏电池组，C1和(2为直流侧电容，仏和仏为IGBT开关管，V1为光伏逆 变器接入配电网的电压检测点，I1为光伏逆变器输出电流检测点，L1为逆变器的输出电感， L2为线路电感，光伏逆变器通过L2并入电网电压节点VAC。
1)光伏逆变器的动态开关过程设流过电感L1和L2的电流为V1点的电压为Ul。因功率器件的开关频率远高 于工频，在一个开关周期内，光伏电池组输出电压可近似为一恒值Udc，交流母线电压Uac也 可认为不变。开关管A和仏的开关信号互补，它们在一个开关周期内交替导通。开关管％开通时(包括反并联二极管导通)，设力点的电压为un，可得Uu =L2^-+ Uac =^-L1^-(1)
dt 2 dt此时光伏逆变器的输出电流I1上升，V1点的电压高于交流母线电压。由式(1)解得、-⑵ V1点的电位相对于电网电压为Wj^j^ — UJ(3)当开关管％开通时(包括反并联二极管导通)，设V1点的电压为U12，可得Ul2 = L2^Uac =-^f-Lld^-(4)
at2 at此时光伏逆变器的输出电流I1下降，V1点的电压低于交流母线电压。由式⑷解得
剛v-l^-l^t⑶V1点的电位相对于电网电压为^-Ua^J^i-^-UJ(6)则V1点电压纹波的峰-峰值为U11-U12 = ^ ^ Udc(7)由式(7)可知，V1点电压纹波的峰-峰值正比于直流侧电压，而与交流侧电压无 关，且线路电感越大，电压纹波的峰-峰值越大。V1点和Vac处的电压仿真波形如图2a、图2b所示，相应接入点电压和逆变器输出 电流的实验波形如图3a、图北所示。在图3a中，电压为100V/格，电流为IOA/格；在图北 中，电压为50V/格，电流为IOA/格。由图2a、图2b和图3a、图北可见，因线路电感与开 关过程的共同作用，造成采样点电压在工频周期内存在多个过零点，因此，通过检测V1处的 接入电压过零点以确定电流跟踪相位的方法将产生很大的相位误差。图3a为采用传统的 过零点相位检测方法时光伏逆变器的接入点电压波形和输出电流波形，显然二者严重不同
止
少ο2)利用多过零点区域对称特征实现相位检测的新算法针对图2a，WJa =Um ο扮，Um为电压峰值。在过零点时刻、和t4，令U11 = 0，则根据式⑵可得到
权利要求
1.一种光伏逆变器接入点电压多过零点相位检测方法，其特征是将光伏逆变器接入 电网后，受线路电感和带纹波的开关电压综合影响，经采样得到的接入点电压波形将必然 出现多个过零点区域；这些多过零点区域关于实际电网电压的过零点呈现左右严格对称的 独有特征，通过计算这些过零点区域的范围和时间间隔后，取其中心点即可计算得到实际 电网电压的过零点；再根据当前时刻与实际电网电压过零点之间的时间间隔，可准确获得 当前时刻的电网电压相位。
2.如权利要求1所述的光伏逆变器接入点电压多过零点相位检测方法，其特征是，确 定电网电压实际过零点的具体过程为1)以常用方法设置好一般的过零点捕获方式，针对光伏逆变器接入点电压的采样波形 开始进行过零点检测；2)检测到第一个过零点，记为时刻点tl；表明此时检测区域已进入过零点区域范围；3)检测下一个过零点，判断与上一个过零点的间距是否大于设定时间值；如果不是， 记时刻点为t2，则说明仍然处于本过零点区域范围之内，返回步骤3)；如果是，说明这一个 过零点已是下一个过零点区域的起始过零点，则转入下一步骤；4)计算最近的电网电压实际过零点时刻为(tl+t2)/2;5)重新设置本次过零点时刻为tl；6)确定实际电网电压的过零点相位；判断本次过零点与上一个过零点之间的接入点 电压采样值是否为正，如果是，则计算出的电网电压过零点时刻相位为0度，然后转入步骤 3)；如果不是，则计算出的电网电压过零点时刻相位为180度，然后返回步骤3)。
全文摘要
本发明涉及一种基于线路电感的光伏逆变器接入点电压多过零点相位检测方法。它方法简便，运算量小，可有效检测出实际电网电压的过零点并确定其相位。它利用光伏逆变器接入点电压波形的多过零点区域关于实际电网电压过零点呈严格左右对称的独有特征，通过检测多过零点区域的前后时间边界以准确计算实际电网电压的过零点时刻，并由此确定电网电压当前时刻的具体相位。
文档编号G01R25/00GK102072988SQ20101055001
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者李庆民, 段玉兵, 王辉, 谭兴国, 龚宇雷 申请人:山东大学