CN101119031A - 一种快速稳定实现最大功率跟踪的光伏三相并网控制方法 - Google Patents

Abstract

一种快速稳定实现最大功率跟踪的光伏三相并网控制方法属于光伏发电控制技术领域，根据光伏阵列当前时刻k与前一时刻的功率差ΔP及电压差ΔV来判断ΔP/ΔV之值，计算出光伏阵列发出最大功率时的I_ref(k)，再用I_ref(k)来调节与电网电压矢量同步旋转坐标系下的u_q ^*，以及利用I_dref(k)来调节与电网电压矢量同步旋转坐标系下的u_d ^*，根据三相电网电压矢量放转角度θ，可得到6路空间矢量SVPWM脉冲序列，去控制逆变器以便在保证光伏阵列实现最大功率输出跟踪的前提下使光伏逆变器输出电流与市电电压相位相同，功率因数为1，也可根据本地负载要求调节I_dref(k)，从而对功率因数进行调节，并网电流谐波畸变率低。

Description

一种快速稳定实现最大功率跟踪的光伏三相并网控制方法

技术领域

本发明涉及一种快速稳定实现光伏阵列最大功率跟踪的光伏三相并网控制方法，属于光伏发电系统控制技术应用领域。

背景技术

开发和利用丰富、广阔的太阳能，对环境不产生和少产生污染，既是近期急需的补充能源，也是未来能源结构的基础。因此研究如何实现最大功率点跟踪控制(MPPT)算法与光伏并网控制技术有机相结合，使光伏阵列在照度不同、温度变化的环境下，光伏并网发电系统既可以快速追踪到光伏阵列的最大功率工作点，并且系统运行稳定，同时使逆变器输出的并网电流能够满足国际标准IEEE要求，而且不会对电网电压造成谐波污染具有非常重要的意义。

光伏三相并网发电控制系统不需要储能环节，通过一个二电平三相桥式的功率变换器，通过控制方式使光伏阵列发出的直流电转换为交流电，通过功率变换器的三相输出端与市电相连，向电网直接输出电能，如同一个分布式发电站。传统的控制方式较复杂，通常需要双环控制电路，其中内环为电流环实现并网型光伏逆变器输出电流与市电电压同步输出，外环为电压环通过调节光伏阵列的输出电压跟踪参考电压实现光伏阵列并网，因为这两个控制环之间必然存在着相互影响，很难准确锁定光伏阵列的最大功率运行点，必然会因为功率的扰动从而造成许多功率的损失，另外传统的光伏并网控制技术都是在每一个PWM载波周期末尾进行中断采样，根据采样的数据进行一系列计算得到下一个载波周期的占空比，势必造成控制滞后时间为一个载波周期，这样将会给并网电流以及光伏并网保护方案造成一定的影响。

太阳能光伏阵列其电气输出特性具有很强的非线性特征，其输出电压电流受光照强度、环境温度和负载情况影响。图1清楚表明了一个300W_p光伏阵列随着光照强度变化而变化的一组输出电压与功率关系曲线，同时该图显示了最大功率追踪过程，而现有的常压法、一阶爬山法以及电导调制方法等最大功率点跟踪控制技术，都难以做到快速、平滑地跟踪光伏电池阵列最大功率工作点(MPP)，这些方法大都应用于独立的光伏发电系统，例如蓄电池充电控制系统，常压法虽然可以应用于光伏并网控制系统，能够满足光伏并网系统稳定性要求，但是很难实现在不同的光照强度下实施最大功率跟踪，从而会造成额外的功率损失。

当光伏阵列工作在最大功率点附近时具有如下关系式：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dV}}=\mathrm{BI}-C---\left(1\right)$

其中B，C为：

$B=(1+\frac{q}{\mathrm{AKT}}V),$ $C=\frac{q}{\mathrm{AKT}}(I_{\mathrm{sc}}+I_o)\·V---\left(2\right)$

上式中I_o为流过光伏电池模型中的二极管反向饱和漏电流，I_sc为光伏电池模型负载两端电压为零时短路电流，q为电荷量1.6×10^-19C，K为玻尔兹曼常数1.38×10^-23J/K，T为光伏阵列的工作温度，单位为K，  A为二极管的理想常数；

当dP/dV＝0时，说明光伏阵列工作在最大功率点。

发明内容

本发明的目的是提供一种优化简捷有效的最大功率点跟踪控制算法(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)使光伏阵列在不同的光照及温度变化的条件下输出最大功率，提高光伏阵列的转换效率，间接地降低系统成本；应用同步电流矢量PI控制方法实现对并网电流闭环控制，既能实现逆变器输出与市电电压同步的电流(功率因数为1)，又能解决光伏并网发电控制系统的并网电流对电网进行冲击的问题；采用双定时器方案，使控制滞后周期缩小到5微秒内，既提高了动态保护响应速度，又降低并网电流的谐波畸变率。

本发明的特点在于：采用高速数字信号处理器，应用C语言动态定点算法，实现了光伏阵列最大功率跟踪的同时使光伏并网电流完全与市电电压同步，功率因数为1，对并网电流能够完全实施闭环控制，不会对电网造成任何冲击，提高了动态保护响应速度，运行安全可靠，对市电电压无污染，并网电流谐波畸变率低于4％。该方法依次含有以下步骤：

步骤(1).利用数字信号处理器采集a、b两相电网电压信号，利用公式u_α＝u_a， $u_{\mathrm{\β}}=(2u_b+u_a)/\sqrt{3}$ 将其进行Clark变换，求得电网电压旋转角度θ。

步骤(2).利用数字信号处理器采集逆变器输出a、b两相并网电流信号，将其进行Clark变换，然后再利用步骤(1)求得的电网角度θ，利用公式i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ，i_q＝-i_αsinθ+i_βcosθ进行Park变换，将α、β相的电流信号转换到与电网电压同步的dq轴坐标系下的直流电流成份i_d，i_q。

步骤(3).在实施步骤(1)、(2)的同时，采集光伏阵列直流输出电压、电流信号，并根据电压、电流信号求得当前时刻光伏阵列的输出功率，进一步求得当前时刻光伏阵列输出功率与前一时刻输出功率的差值ΔP，然后计算当前时刻光伏阵列输出电压与前一采样时刻电压的差值ΔV，计算ΔP/ΔV值。

步骤(4).根据步骤(3)计算的结果进行判断：

若，ΔP/ΔV＞0，则识别方向标志Sign置-1；

若，ΔP/ΔV＜0，则识别方向标志Sign置1；

若，ΔP/ΔV＝0，则识别方向标志Sign置0；

步骤(5).根据步骤(4)的判断结果，按照下述公式计算当前时刻的I_ref(k)：

I_ref(k)＝I_ref(k-1)+α×Sign

其中α为固定步长值，该值的大小根据数字处理器处理字长的范围以及设定的AD采样速度进行合理设置，一般取值范围为1e-3至5e-5。

步骤(6).利用步骤(5)计算I_ref(k)调节有功、将I_ref(k)减去i_q的值，经过一个PI调节器输出得到与电网电压同步旋转坐标系统下的同步旋转电压矢量u_q ^*成份，同时为了使逆变器输出电流与市电电压相位完全相同(功率因数为1)，将i_dref值设置为0减去反馈的i_d值(i_dret也可根据系统需要设置不同的值对本地电力系统进行无功补偿)，经过另一个PI调节器输出得到与电网电压同步旋转坐标系下的同步旋转电压矢量u_d ^*成份。

步骤(7).利用步骤(1)所得到的电网角度θ和利用步骤(6)经过两个PI调节器输出得到的u_d ^*，u_q ^*经过Park逆变换，公式为 $u_{\mathrm{\α}}^{*}=u_d^{*}\cos \mathrm{\θ}-u_q^{*}\sin \mathrm{\θ},$ $u_{\mathrm{\β}}^{*}=u_d\sin \mathrm{\θ}+u_q\cos \mathrm{\θ}$ ，得到二相静止坐标系下的u_α ^*、u_β ^*；

步骤(8).利用步骤(7)所得到u_α ^*、u_β ^*形成三相空间电压矢量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，利用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812事件A处理模块输出6路PWM脉冲，经驱动接口电路驱动二电平逆变器，从而将光伏阵列发出的能量转换为交流输送到电网。

以上步骤中应用了TMS320F2812二个定时器，其中一个定时器用来进行AD采样和数据处理得到二电平的三个桥臂合适的空间矢量占空比，另外一个定时器用来生成PWM载波周期形成空间矢量脉冲调制波(SVPWM)。

该方法在同步坐标系下通过PI的补偿作用调节光伏并网逆变器输出的有功电流i_q实时跟踪经过MPPT算法给定的参考电流I_ref以使光伏阵列稳定工作在最大功率点的同时，使并网输出电流完全与市电电压同步(功率因数为1)，当然也可根据本地负载的要求实现无功补偿功能，因为该方案对并网电流进行了闭环控制，并网时对电网无冲击影响。采用双定时器方案既提高了动态响应保护速度，又改善了并网电流的波形。

附图说明

图1.光伏阵列P-V随太阳照度变化以及最大功率跟踪曲线，1-最大功率跟踪曲线，2-光伏阵列P-V曲线，光照强度为700W/m²，3-光伏阵列P-V曲线，光照强度为1000W/m²；

图2.光伏阵列并网控制系统结构拓扑图；

图3.ADC采样周期以及PWM载波周期示意图，4-PWM载波周期，5-AD转换采样时间，6-控制滞后时间；

图4.最大功率跟踪算法流程图；

图5.应用该发明实现了的三相光伏并网实验波形图，7-电网电压，8-电网电流，9-光伏阵列输出电压、10-光伏阵列输出电流。

具体实施方式

本发明所述的具有最大功率点追踪的三相光伏并网控制系统以图2具体设计为例进行说明：

1)太阳能光伏电池阵列：太阳能光伏电池阵列是三相光伏并网系统的输入，为整个系统包括控制电路提供电能。在白天光照条件下，太阳能电池阵列将所接收的光能转换为电能，经二电平功率变换器将直流转换为交流，将电能输送到电网，天黑后，整个系统自动停止工作，利用继电器使输出端自动断开脱网。

2)直流母线输入电容：主要起一定的滤波作用。

3)二电平三相桥式逆变器：作为电能变换环节起着非常关键作用，通过控制电路所形成的6路空间矢量PWM波形驱动三相逆变器的相应6只IGBT，使光伏逆变器输出与市电电压同步的交流电流的同时实现光伏阵列最大功率输出，提高了整个光伏系统的转换效率。

4)滤波电感：对逆变器输出电流进行滤波。

5)传感器信号采集电路板：采用3只霍尔型电压传感器分别采集光伏阵列输出电压，电网A、B二相电压信号，采用3只霍尔型电流传感器分别采集光伏阵列输出电流、逆变器输出的A、B二相电流信号，所用这些信号都需要将其调理成0-3V之间，将此信号输入至以TMS320F2812芯片为核心的控制板的AD采样电路接口。

6)主控制电路板：控制核心芯片为TMS320F2812，利用其片内AD模块对经过传感器电路板输送进来的信号进行采样，然后将信号进行复原，根据发明内容中所说明的步骤经过计算得到合适的SVPWM调制波形，生成占空比并由TMS320F2812片内PWM模块形成PWM脉冲，通过驱动接口电路接入至相应的IGBT门极驱动电路。

Claims (1)

1.一种快速稳定实现最大功率点跟踪的光伏三相并网控制方法，其特征在于，该方法是在数字信号处理器DSP中依以下步骤实现的：

步骤(1)，DSP采集市电电网的a、b两相电压并按公式u_α＝u_a， $u_{\mathrm{\β}}=({2u}_b+u_a)/\sqrt{3}$ 进行克拉克Clark变换，求出电网电压矢量旋转角度θ；

步骤(2)，DSP采集逆变器输出端A、B两相的电流信号，按步骤(1)的方法进行克拉克Clark变换得到i_α，i_β，再利用步骤(1)得到的电网电压矢量旋转角度θ，按公式i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ，i_q＝-i_αsinθ+i_βcosθ进行Park变换，得到同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成份i_d，i_q；

步骤(3)，在实施步骤(1)和步骤(2)的同时，采集光伏阵列直流输出电压、电流信号，并根据电压、电流信号求得当前时刻k的光伏阵列的输出功率，计算当前时刻k的光伏阵列输出功率与前一采样时刻输出功率之差ΔP，再计算当前时刻k的光伏阵列输出电压与前一采样时刻电压的差值ΔV，计算ΔP/ΔV值；

步骤(4)，根据步骤(3)得到的不同ΔP/ΔV值，置识别方向标志Sign的值：

若，ΔP/ΔV＞0，则识别方向标志Sign置-1，

若，ΔP/ΔV＜0，则识别方向标志Sign置1，

若，ΔP/ΔV＝0，则识别方向标志Sign置0；

步骤(5)，根据步骤(4)得到的Sign的值，按下式计算当前时刻k的光伏阵列输出电流的参考电流I_ref(k)：

I_ref(k)＝I_ref(k-1)+α×Sign

α为设定的步长值，取值范围为10^-3至10^-5之间；

步骤(6)，按以下步骤利用步骤(2)得到的直流电流成份i_q调节q轴参考电压u_q ^*：

步骤(6.1)，  计算Δi_q＝I_ref(k)-i_q；

步骤(6.2)，把步骤(6.1)得到的Δi_q输入到第一个PI调节器，比例参数P范围在0.01至0.3之间，积分参数在0.0001至0.016之间，得到同步旋转坐标系下q轴电压成分u_q ^*；

步骤(7)，I_dref(k)可以用来调节光伏逆变器输出功率因数，当I_dref(k)设置为0时，光伏逆变器输出电流与电网电压同相位，按以下步骤利用步骤(2)得到的直流电流成份i_d调节d轴参考电压u_d ^*：

步骤(7.1)，计算Δi_d＝I_dref(k)-i_d；

步骤(7.2)，把步骤(7.1)得到的Δi_d输入到第二个PI调节器，比例参数P范围在0.01至0.3之间，积分参数在0.0001至0.016之间，得到同步旋转坐标系下d轴电压成分u_d ^*；

步骤(8)，利用步骤(1)得到的电网电压矢量旋转角度θ、将步骤(6)得到的u_q ^*和步骤(7)得到的u_d ^*进行Park逆变换，其公式为 $u_{\mathrm{\α}}^{*}=u_d^{*}\cos \mathrm{\θ}-u_q^{*}\sin \mathrm{\θ},$ $u_{\mathrm{\β}}^{*}=u_d\sin \mathrm{\θ}+u_q\cos \mathrm{\θ},$ 得到二相静止坐标系下的u_α ^*、u_β ^*；

步骤(9)，利用步骤(8)得到的u_α ^*、u_β ^*，采用空间矢量SVPWM算法，经DSP处理形成6路PWM脉冲，通过接口电路驱动逆变器三个桥臂相应的电力电子开关器件，从而把光伏阵列发出的最大功率转换为交流输送到市电电网中。

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