[0001] 本发明涉及泄漏电流重定向领域，尤其涉及一种用于光伏板向电网输出过程中的泄漏电流重定向方法。

[0002] 近年来，我国清洁能源被大规模开发利用，以光伏为代表的新能源在能源结构中占比逐渐提高，并网逆变器作为新能源光伏发电并网的核心器件，其控制性能直接影响发电系统的效率。逆变器可以向电网注入电力，并可以从光伏和电池两个来源接收能量。逆变器的DC‑DC输入阶段(光伏板升压转换电路)负责处理光伏板(PV)提供的电力，并在处理后通过电压总线(或中间母线)输出至DC‑AC模块中，DC‑AC输出阶段负责将中间总线中可用的直流电压转换为与电网兼容的交流电压。交流电压必须具有正确的幅度、波形和频率，才能将电力汇入主电网，控制有功功率和无功功率。而HB(H桥)逆变器并不能将光伏面板与电网隔离，即并不能阻止泄漏电流到达光伏板。

[0033] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

[0034] 实施例一

[0035] 为了重定向泄漏电流，以防止泄漏电流到达光伏板，本发明提出了一种用于光伏板向电网输出过程中的泄漏电流重定向方法，其应用于光伏板输出电路，所述光伏板输出电路包括：输入端与光伏板的输出端连接、输出端与电网连接的交流转换电路；如图3所示，所述交流转换电路包括：

[0036] 包含第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3以及第四场效应管Q4的调制模块，用于控制光伏板的输出电流流向电网的流经路径；所述流经路径包括包含第一场效应管Q1与第四场效应管Q4的第一路径、包含第二场效应管Q2与第三场效应管Q3的第二路径；其中：第一路径用于形成LCL滤波器并在电网电压的正半周期内产生主动矢量；第二路径用于形成LCL滤波器并在电网电压的负半周期内产生主动向量；

[0037] 与调制模块连接的泄漏电流重定向模块，用于控制泄漏电流的流经路径，阻止泄漏电流到达光伏板；所述泄漏电流的流经路径包括用于重定向泄漏电流且包含第五场效应管Q5与第六场效应管Q6的第三路径与第四路径；其中：第三路径用于在电网电压的正半周期内产生零矢量；第四路径在电网电压的负半周期内产生零向量；

[0038] 所述交流转换电路具体包括：

[0039] 第一场效应管Q1与第六场效应管Q6，所述第一场效应管Q1的源极同时与光伏板的输出端、第三场效应管Q3的源极连接；所述第一场效应管Q1的漏极与第二场效应管Q2的源极连接；所述第二场效应管Q2的漏极接地并接入第四场效应管Q4的漏极；所述第四场效应管Q4的源极与第三场效应管Q3的漏极连接；所述第六场效应管Q6的漏极接入第四场效应管Q4源极与第三场效应管Q3漏极之间，并与第二电感L2的一端连接；所述第六场效应管Q6的源极与第五场效应管Q5的源极连接；所述第五场效应管Q5的漏极接入第一场效应管Q1漏极与第二场效应管Q2源极之间，并与第一电感L1的一端连接；所述第一电感L1的另一端与第二电容C2的一端连接后接入共模电感器L3中顶部电感器的一端；所述顶部电感器的另一端接入AC Grid；所述第二电感L2的另一端与第二电容C2的另一端连接后接入共模电感器L3中底部电感器的一端；所述底部电感器的另一端接入AC Grid；所述第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4、第五场效应管Q5、第六场效应管Q6的栅极连接PWM控制器。

[0040] 需要说明的是，Q1、Q2、Q3、Q4以正向偏置连接，Q5、Q6在电网侧反向偏置设置，这两个反向偏置开关帮助重定向泄漏电流，阻止它到达光伏板。

[0041] 如图9所示，所述第一路径中电流依次流经第一场效应管Q1、第一电感L1、第二电容C2、顶部电感器、AC Grid、底部电感器、第二电感L2与第四场效应管Q4。

[0042] 如图10所示，所述第二路径中电流依次流经第三场效应管Q3、第二电感L2、第二电容C2、底部电感器、AC Grid、顶部电感器、第二电容C2、第一电感L1、第二场效应管Q2与光伏板输出端的电压总线电容C1。

[0043] 如图11所示，所述第三路径中电流依次流经第一电感L1、第二电容C2、顶部电感器、AC Grid、底部电感器、第二电感L2、第六场效应管Q6与第五场效应管Q5的续流，从而返回第一电感L1。

[0044] 如图12所示，所述第四路径中电流依次流经第一电感L1、第五场效应管Q5、第六场效应管Q6的续流、第二电感L2、第二电容C2、底部电感器、AC Grid、顶部电感器、第二电容C2，从而返回第一电感L1；所述第三路径与第四路径为第一电感L1的放电路径。

[0045] 所述LCL滤波器由第一电感L1、第二电容C2与共模电感器L3组成。

[0046] 所述泄漏电流重定向方法使用单极PWM调制策略实现，包括：

[0047] 在电网电压的正半周期内，导通第一路径中的第一场效应管Q1与第四场效应管Q4，通过形成的LCL滤波器抑制电流中的谐波，并输入电网，并在关断第一场效应管Q1与第四场效应管Q4时，导通第五场效应管Q5与第六场效应管Q6，通过第三路径产生零矢量，防止泄漏电流到达光伏板(通过获得零电压将光伏板与电网断开，从而降低公共电压)；

[0048] 在电网电压的负半周期内，导通第二路径中的第二场效应管Q2与第三场效应管Q3，通过形成的LCL滤波器抑制电流中的谐波，并输入电网，并在关断第二场效应管Q2与第三场效应管Q3时，导通第五场效应管Q5与第六场效应管Q6，通过第四路径产生零向量，防止泄漏电流到达光伏板(通过获得零电压将光伏板与电网断开，从而降低公共电压)。

[0049] 需要说明的是，调制策略在输出滤波器中创建三个阶段(+Vbus、Zero和‑Vbus)，+Vbus和零电压，用于在正半周期将功率注入电网，‑Vbus用于在考虑负半周期的情况下将功率注入到电网。

[0050] 各路径在导通状态下的开关状态如下表所示：

[0051] 路径 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Vout第一路径 ON OFF OFF ON OFF ON +Vbus
第三路径 OFF OFF OFF OFF OFF ON 0
第二路径 OFF ON ON OFF ON OFF ‑Vbus
第四路径 OFF OFF OFF OFF ON OFF 0

[0052] 表中，Vout被认为是在电感器L1和L2之前的输出电压。

[0053] 本发明在交流转换电路中使用6个有源开关，与传统的全桥逆变器相比，能够有效隔离电网和光伏板之间的高频电压。

[0054] 另外，需要说明的是，本发明中所述交流转换电路的输入端通过光伏板升压转换电路与光伏板的输出端连接；所述光伏板升压转换电路包括：升压转换器、电压总线、输出电压监测电路与输出电流监测电路；所述升压转换器包括：设置在光伏板正极电源与电压总线输出端之间且依次电连接的电感器、晶体管、二极管、电容以及与晶体管连接的调制模块；所述调制模块包括依次连接的MPPT模块、运算模块与调制器。

[0055] 具体地，所述升压转换器中：所述电感器L1的一端与光伏板PV1的正极电源连接，另一端与晶体管Q1的漏极连接后接入二极管D1的正极，所述二极管D1的负极端与电容C1的一端连接后接入电压总线输出端；所述电容C1的另一端接地；所述晶体管Q1的源极接地，栅极连接调制模块；所述光伏板PV1的负极端接地；所述调制模块用于调制晶体管Q1的占空比。

[0056] 本发明通过在交流转换电路中设置包含第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管与第四场效应管的调制模块、包含第五场效应管与第六场效应管的泄漏电流重定向模块，并利用调制模块控制各场效应管的导通状态，具体地：在电网电压的正半周期内，导通第一路径中的第一场效应管与第四场效应管，通过形成的LCL滤波器抑制电流中的谐波，并输入电网，并在关断第一场效应管与第四场效应管时，导通第六场效应管，通过第三路径产生零矢量，防止泄漏电流到达光伏板；在电网电压的负半周期内，导通第二路径中的第二场效应管与第三场效应管，通过形成的LCL滤波器抑制电流中的谐波，并输入电网，并在关断第二场效应管与第三场效应管时，导通第五场效应管，通过第四路径产生零向量，防止泄漏电流到达光伏板，其实现了泄漏电流的重定向。

[0057] 实施例二

[0058] 本实施例基于光伏板升压转换电路，提出了一种基于扰动观察法的光伏板输出电压控制方法。

[0059] 由于：逆变器在DC‑DC输入阶段(光伏板升压转换电路)负责处理光伏板(PV)提供的电力，并在处理后通过电压总线(或中间母线)输出，由于PV的特性，PV输出电压随电流变化，也随环境(太阳辐照度、温度)变化，因此，光伏电池板具有所谓的最大功率点(MPP)，这意味着对于给定的温度和给定的太阳辐照度，只有一种电压和电流的组合，输出功率达到最大，另外DC‑DC输入阶段对应的升压转换器的输出功率小于输入功率时，中间母线的电压升高会导致DC‑DC输入阶段的升压转换器被损坏，因此为了在不损坏升压转换器的基础上使并网逆变器高效的输出高质量的、稳定的电能，保持DC‑DC转换器始终工作在最大功率点MPP上的同时，避免中间母线电压升高导致DC‑DC输入阶段的升压转换器被损坏的问题尤为重要。

[0060] 对此，为了在不损坏升压转换器的基础上使升压转换器始终在最大功率点上工作，从而使并网逆变器高效的输出高质量的、稳定的电能，如图1所示，本实施例提出了一种基于扰动观察法的光伏板输出电压控制方法，通过扰动观察法与最大输出电压限制算法进行光伏板的MPPT跟踪；其应用于光伏板升压转换电路，所述光伏板升压转换电路包括：升压转换器、电压总线、输出电压监测电路与输出电流监测电路；如图2所示，所述升压转换器包括：设置在光伏板正极电源与电压总线输出端之间且依次电连接的电感器L1、晶体管Q1、二极管D1、电容C1以及与晶体管Q1连接的调制模块；

[0061] 所述升压转换器中：所述电感器L1的一端与光伏板PV1的正极电源连接，另一端与晶体管Q1的漏极连接后接入二极管D1的正极，所述二极管D1的负极端与电容C1的一端连接后接入电压总线输出端；所述电容C1的另一端接地；所述晶体管Q1的源极接地，栅极连接调制模块；所述光伏板PV1的负极端接地；所述调制模块用于调制晶体管Q1的占空比。

[0062] 所述晶体管Q1处于导通状态时，由光伏板PV1正极电源、电感器L1与晶体管Q1形成的第一路径处于导通状态，此时，电感器L1用于存储光伏板PV1输出的电能。

[0063] 当光伏板PV1正极电源、电感器L1、晶体管Q1、二极管D1与电容C1形成的第二路径处于导通状态时，光伏板PV1与已充电的电感器L1向与电压总线输出端连接的负载输出电能，此时电压总线上的电压值大于光伏板的输出电压。

[0064] 本发明中，控制晶体管Q1处于导通状态，从而导通由光伏板PV1正极电源、电感器L1与晶体管Q1形成的第一路径，使电感器L1存储光伏板PV1输出的电能，而在导通由光伏板PV1正极电源、电感器L1、晶体管Q1、二极管D1与电容C1形成的第二路径时，光伏板PV1与已充电的电感器L1均向与电压总线输出端连接的负载输出电能，从而使得电压总线的电压高于光伏板PV1的输出电压，实现了光伏板PV1的高效输出，并提高了光伏板PV1输出电能的利用率。

[0065] 从简化的角度来看，光伏板可以被视为电流源。光伏板的输出电压随输出电流变化，因此，光伏电池板具有所谓的最大功率点(MPP)，这意味着对于给定的温度和给定的太阳辐照度，只有一种电压和电流的组合，输出功率达到最大。为了保持升压转换器(DC‑DC转换器)始终工作在MPP，需要实现一种MPPT(最大功率点跟踪)的算法。基于P&O算法对不同光伏条件(运行变化和环境变化)的良好适应性以及高跟踪因子，本发明选择P&O算法来控制升压转换器的输出。

[0066] 如图6所示，所述调制模块包括依次连接的MPPT模块、运算模块1与调制器；

[0067] 需要详细说明的是，图6与图7中，Ipv表示输出电流监测电路测量的实时输出电流，Vpv表示输出电压监测电路测量的实时输出电压，MPPT表示MPPT模块，d_mppt表示MPPT占空比输出值，d_mod表示开关占空比，d_boost表示PWM脉冲信号，Vbus表示电压总线的当前电压，Vbus_limit表示电压总线对应的最大工作电压，d_limit表示限制值，Modulator为调制器，Control表示PI控制器，Kp表示Kp比例调节，Ki表示Ki积分调节，∫dt表示微分运算。

[0068] 所述控制方法包括：

[0069] 通过光伏输出曲线确定最大功率点MPP对应的电压值；

[0070] 所述光伏输出曲线的横坐标为光伏板的输出电压，纵坐标为光伏板的输出电流，所述光伏输出曲线的最大输出电压为开路电压Voc即当没有电流被抽取时的光伏板输出电压，所述光伏输出曲线的最大输出电流即光伏板的最大输出电流Isc。

[0071] 需要说明的是，MPP是从光伏板中提取能量时最理想的工作点。然而，Voc和Isc随着光伏的温度和太阳能电池接收的太阳辐照度而变化，因此，MPP也发生了变化。

[0072] 通过如图4所示的输出电压监测电路与如图5所示的输出电流监测电路测量光伏板的实时输出电压与实时输出电流并输入MPPT模块；

[0073] 本实施例中，图4中Vpv连接到光伏板PV1的输出，Vpv_sens表示信号的输出，图5中Vpv_sensor连接到光伏板PV1的输出，Vpv_out表示信号的输出。

[0074] 通过MPPT模块利用实时输出电压与实时输出电流生成晶体管对应的MPPT占空比输出值，并通过电压总线限压器利用最大输出电压限制算法获取限制值；

[0075] 如图7所示，所述电压总线限压器包括依次连接的：运算单元2、PI控制器；所述PI控制器包括第一运算路径、第二运算路径与融合单元3；

[0076] 所述电压总线限压器实现了当电压总线的电压达到最大工作电压时负责限制MPPT占空比输出值的算法。

[0077] 所述最大输出电压限制算法包括：

[0078] 通过运算单元设定电压总线对应的最大工作电压，并获取电压总线的当前电压，当电压总线当前电压大于最大工作电压时，获取最大工作电压与电压总线当前电压的差值为待调节值并输入PI控制器；

[0079] 通过第一运算路径对待调节值进行Kp比例调节得到第一调整值，同时通过第二运算路径对待调节值依次进行Ki积分调节、微分运算得到第二调整值；

[0080] 通过融合单元获取第一调整值与第二调整值的和，得到限制值，并输入调制模块中的运算模块。

[0081] 需要说明的是，MPPT模块接收光伏板的实时输出电压与实时输出电流，并根据P&O算法输出d_mppt占空比来控制晶体管Q1。然而，由于MPPT总是寻求从光伏板中提取最大功率，如果与电压总线输出端连接的直流转交流输出电路(本实施例未对其进行详细说明，其一端通过电压总线输出端与光伏板升压转换电路连接，另一端与电网连接，用于将光伏板升压转换电路处理后的电能发送到电网)不能将总可用能量发送到电网，这可能导致中间直流母线(即电压总线)电容器过电压。这主要发生在两种情况下：第一，当升压转换器接通光伏板但仍未连接到电网时，其次，当输出功率必须降低时，例如在电网频率过高的情况下，这是大多数并网变流器标准规定所要求的。本发明为了限制MPPT占空比输出值，实现了第二种算法，称为“Vbus过电压保护”即最大输出电压限制算法，如图7所示。第二种算法的输出d_limit，其在电压总线的当前电压Vbus低于Vbus_limit时为零，高于Vbus_limit时为负。这个负值，在图7中表示为减法，减少d_mppt，以控制Vbus电压水平。由此产生的占空比，称为d_mod(d_mod＝d_mppt‑d_limit)，最后被传递到调制器，调制器通过一个饱和块，将其转换为晶体管Q1所需的PWM脉冲信号。

[0082] 通过运算模块获取MPPT占空比输出值与限制值的差值即开关占空比，并输入调制器；

[0083] 通过调制器将开关占空比转换为PWM脉冲信号，并通过PWM脉冲信号对晶体管占空比施加扰动直至光伏板的输出电压等于最大功率点MPP对应的电压值，以通过改变从光伏板提取的电流，来控制光伏输出曲线中的工作功率点，使升压转换器始终在最大功率点上工作。

[0084] 本发明中，通过调制模块利用P&O(扰动和观察)算法对升压转换器的工作点(即图2中晶体管Q1的d1占空比)施加扰动，从而改变从光伏板PV1汲取的电流(进而控制光伏输出曲线中的工作点)，每次扰动后，都会计算输入功率并定义下一个扰动方向。例如，如果光伏板PV1输出电流增加，电压就会降低。如图8所示，当在MPP右侧运行时，这意味着功率越来越高。因此，P&O将不断增加电流，直到通过MPP。之后，电流的增加将导致功率的减小，并且P&O将改变方向，从而减小下一次的电流。P&O将以不稳定的方式围绕MPP工作，总是试图找到具有更高功率的点。

[0085] 本发明在光伏板升压转换电路中的晶体管上设置与之连接的调制模块，并基于调制模块利用扰动观察法与最大输出电压限制算法进行光伏板的MPPT跟踪，具体包括：通过MPPT模块利用光伏板的实时输出电压与实时输出电流生成晶体管对应的MPPT占空比输出值，并通过电压总线限压器利用最大输出电压限制算法获取限制值；通过运算模块获取MPPT占空比输出值与限制值的差值即开关占空比，并输入调制器，通过调制器将开关占空比转换为PWM脉冲信号，并通过PWM脉冲信号对晶体管占空比施加扰动直至光伏板的输出电压等于最大功率点MPP对应的电压值，其在调制模块的运算模块中引入电压总线限压器计算得到的限制值，通过MPPT占空比输出值与限制值来计算开关占空比，从而实现了对电压总线电压的限制，并在此基础上实现了最大功率点MPP的跟踪，因此本发明在不损坏升压转换器的基础上，实现了升压转换器高质量的、稳定的、高效的电能输出。

[0086] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

[0087] 另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0088] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0089] 另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。