CN101577434B - 抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法 - Google Patents

Abstract

抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法，属于逆变并网控制技术领域，本发明是在抑制光伏并网逆变器输出电流直流分量中，解决采用大容量隔直电容系统成本高，采用工频变压器存在体积大、功耗大、价格高的问题而提出的。本发明方法采样并网电流，获取其含有的电流直流分量，分两部分进行抑制，第一部分：将采样误差引起的直流分量以负反馈的形式引入到并网电流给定中，第二部分：获取前一工频周期中每个开关周期调制信号的平均直流分量，并经PI调节后形成脉宽不平衡引起的直流分量，将其以负反馈的形式引入到初步调制信号中。经过上述两部分，最终形成抑制直流分量调制信号，获得用于驱动光伏并网逆变器四个开关管的PWM驱动信号。

Description

抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法

技术领域

本发明涉及一种抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法，属于逆变并网控制技术领域。

背景技术

当今社会，能源已成为制约世界经济发展的关键问题之一。解决能源问题的根本办法是开发利用环保型的新型可再生能源，其中太阳能发电就是很好的发展方向。

目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳能电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同(如12V、24V、48V等)，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。

并网逆变器将直流电转化为交流电给电网，不用配置蓄电池，省掉蓄电池的储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率，同时，可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。

太阳能逆变器的种类很多，其中的无变压器隔离型单相全桥光伏并网逆变器因为体积小、效率高、价格低在小功率光伏并网系统中广泛的应用。

无变压器隔离型单相全桥光伏并网逆变器涉及的单相全桥主电路如图1所示，其理想电路模型如图2所示，V_PV为光伏并网逆变器的直流输入电源。并网逆变器实现控制光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流两大任务。电感L₁、L₂除了滤除高频谐波外，还兼有平衡逆变器和电网之间电压差的作用。

然而，此拓扑结构不能消除并网电流的直流分量。电网公司不希望将具有较大输出直流分量的逆变器连接到电网上，因为，向电网注入直流分量可以使变电所变压器的工作点偏移，导致变压器饱和；增加电网电缆的腐蚀；导致高的初级电流峰值，可能烧毁输入保险，引起断电；甚至可以增加谐波分量。

现有技术中抑制直流分量的一种可能的方法是在逆变器中加入一个隔直电容，然而，这个电容在50Hz频率处必须呈现低阻抗，因此，电容值会很大并且增加了系统的成本。另一种抑制直流分量的最简单的方法是在并网逆变器和电网之间连接一个工频变压器，但是工频变压器的体积大、功耗大、价格高。

发明内容

本发明的目的是在抑制光伏并网逆变器输出电流直流分量中，解决采用大容量隔直电容系统成本高，采用工频变压器存在体积大、功耗大、价格高的问题，提供了一种抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法。

本发明方法为：

采样获得光伏板的输出电压V_PV和电流I_LV，所述电压V_PV和所述电流I_PV经过最大功率点跟踪算法MPPT产生指令电压V_PV ^*，所述指令电压V_PV ^*减去所述电压V_PV后形成电压差值，所述电压差值经过PI调节后产生并网指令电流幅值I_gref；采样获得的交流并网电压v_g经过锁相环调节产生信号sinθ，所述信号sinθ与所述并网指令电流幅值I_gref相乘产生指令电流I_ac ^*，所述指令电流I_ac ^*减去由采样误差引起的直流分量I_grid ^*形成校正后指令电流I_ac1 ^*，所述校正后指令电流I_ac1 ^*减去采样获得的交流并网电流i_g后形成电流差值，所述电流差值经PI调节后形成初步调制信号u_con，所述初步调制信号u_con减去由脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*形成最终调制信号u_sin，根据所述最终调制信号u_sin控制PWM调制获得用于驱动光伏并网逆变器四个开关管的驱动信号，

其中，由采样误差引起的直流分量I_grid ^*的获取方法为：

步骤a、采样交流并网电流i_g；

步骤b、获取所述交流并网电流i_g中的直流分量I_grid；

步骤c、对所述直流分量I_grid进行PI调节获得采样误差引起的直流分量I_grid ^*；

脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*的获取方法为：

步骤1、获取前一工频周期内每个开关周期内的初步调制信号u_con的平均直流分量U_grid；

步骤2、所述平均直流分量U_grid经PI调节后获得脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*。

本发明的优点：本发明方法不用增加成本高的硬件结构，利用两个PI调节环节抑制了采样误差引起的直流分量和脉宽不平衡引起的直流分量，有效的抑制了光伏并网直流分量注入电网，实现简单，控制方便，成本低，效果明显，采用本发明的方法能够将输出的直流分量控制在50mA以内。

附图说明

图1是背景技术中无变压器隔离型单相全桥光伏并网逆变器涉及的单相全桥主电路图，图2是图1的理想电路图，图3是本发明方法框图，图4是本发明涉及的各参量波形图，图5是并网电压和电流波形实验效果图，图6是光伏并网逆变器输出的直流分量曲线示意图，图7是最大功率点跟踪法工作特性曲线，图8是最大功率点跟踪法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3至图8说明本实施方式，本实施方式方法为：

采样获得光伏板的输出电压V_PV和电流I_PV，所述电压V_PV和所述电流I_PV经过最大功率点跟踪算法MPPT产生指令电压V_PV ^*，所述指令电压V_PV ^*减去所述电压V_PV后形成电压差值，所述电压差值经过PI调节后产生并网指令电流幅值I_gref；采样获得的交流并网电压v_g经过锁相环调节产生信号sinθ，所述信号sinθ与所述并网指令电流幅值I_gref相乘产生指令电流I_ac ^*，所述指令电流I_ac ^*减去由采样误差引起的直流分量I_grid ^*形成校正后指令电流I_ac1 ^*，所述校正后指令电流I_ac1 ^*减去采样获得的交流并网电流i_g后形成电流差值，所述电流差值经PI调节后形成初步调制信号u_con，所述初步调制信号u_con减去由脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*形成最终调制信号u_sin，根据所述最终调制信号u_sin控制PWM调制获得用于驱动光伏并网逆变器四个开关管的驱动信号。

如图3所示，图中所示为单相全桥光伏并网逆变器，主电路的单相全桥由四个开关管(VT₁、VT₂、VT₃和VT₄)构成，光伏板输出的直流电压V_PV经逆变后输出交流并网电流i_g以供使用，为了有效提高太阳能板的工作效率，我们需要控制太阳能板的输出，使太阳能板随时都能工作在其最大功率点。

我们应用的最大功率点跟踪法(MPPT)为扰动观察法。其原理为通过光伏阵列输出电压的扰动，来改变阵列输出功率P_PV，从而以输出功率的变化来判断电压扰动方向是否正确。

参见图7说明最大功率点跟踪法的工作原理：首先，假定系统工作点在功率上升曲线A点，此时电压扰动方向+ΔV，则下一个MPPT周期的光伏板输出电压为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_A+\mathrm{\ΔV}=V_B.$ 由于P_B＞P_A，说明电压扰动方向正确，继续保持原方向，工作点从B点到C点。由于P_C＞P_B，继续保持原扰动方向，工作点从C点到D点，而此时功率点在下降曲线上，由于P_C＞P_D，说明电压扰动方向为功率下降方向，则扰动方向反向为-ΔV，工作点从D点到C点。同理，系统工作点在B点、C点、D点之间徘徊，保持寻优过程。

上述最大功率点跟踪法MPPT的工作流程如图8所示，具体过程为：

步骤一、计算当前周期光伏板输出功率P_PV(k)，P_PV(k)＝V_PV(k)×I_PV(k)，其中，V_PV(k)为当前周期光伏板输出的直流电压，I_PV(k)为当前周期光伏板输出的直流电流；

步骤二、判断当前周期光伏板输出功率P_PV(k)是否大于上一周期光伏板输出功率P_PV(k-1)，

判断结果为是，执行步骤三，判断结果为否，执行步骤六，

步骤三、判断当前周期光伏板输出的直流电压V_PV(k)是否大于上一周期光伏板输出的直流电压V_PV(k-1)，

判断结果为是，执行步骤四，判断结果为否，执行步骤五，

步骤四、输出下一个周期光伏阵列输出闭环的指令电压V_PV ^*为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_{\mathrm{PV}}\left(k\right)+\mathrm{\ΔV},$ 完成此次计算，

如图7所示，从0→A点→B点→C点所处上升段属于此种情况，

步骤五、输出下一个周期光伏阵列输出闭环的指令电压V_PV ^*为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_{\mathrm{PV}}\left(k\right)-\mathrm{\ΔV},$ 完成此次计算，

如图7所示，从E点→D点→C点所处上升段属于此种情况，

步骤六、判断当前周期光伏板输出的直流电压V_PV(k)是否大于上一周期光伏板输出的直流电压V_PV(k-1)，

判断结果为是，执行步骤七，判断结果为否，执行步骤八，

步骤七、输出下一个周期光伏阵列输出电压闭环的指令电压V_PV ^*为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_{\mathrm{PV}}\left(k\right)-\mathrm{\ΔV},$ 完成此次计算，

如图7所示，从C点→D点→E点所处下降段属于此种情况，

步骤八、输出下一个周期光伏阵列输出闭环的指令电压V_PV ^*为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_{\mathrm{PV}}\left(k\right)+\mathrm{\ΔV},$ 完成此次计算，

其中ΔV为电压扰动当量。

如图7所示，从C点→B点→A点→0所处下降段属于此种情况。

图8所示的流程详细的说明了扰动观测法工作的流程，最终输出指令电压V_PV ^*，指令电压V_PV ^*减去光伏板输出电压V_PV后形成电压差值，所述电压差值经PI调节可以得到电流幅值I_gref。

锁相环PLL的作用是提取交流并网电压v_g的频率和相位。sinθ表示交流电网电压v_g的相位和频率，交流电网电压v_g和交流并网电流i_g同频同相位。

采样获得的交流并网电压v_g经过锁相环调节产生的sinθ与并网指令电流幅值I_gref相乘产生指令电流I_ac ^*，指令电流I_ac ^*是幅值为I_gref的正弦波。

现有技术对光伏并网逆变器用于PWM调制的调制信号往往是在如前所述的基础上采取如下方法获得的：采样获得交流并网电流i_g，指令电流I_ac ^*减去交流并网电流i_g经PI调节后形成。该方法中所述调制信号通过PWM计算，输出用于驱动光伏并网逆变器四个开关管的驱动信号。但是，在并伏并网逆变器工作过程中，由于功率开关管导通和关断的时间不对称；PWM调制过程中脉宽不平衡；驱动信号的不匹配；并网电流检测误差都能引起光伏并网逆变器并网输出电流i_g中含有直流分量，上述四种原因中，功率开关管导通和关断的时间不对称和驱动信号的不匹配导致了PWM调制过程中脉宽不平衡。所以，产生直流分量有PWM调制过程中脉宽不平衡和并网电流检测误差两个原因。本发明针对这两种原因引起的直流分量进行抑制，下面分两部分分别加以介绍：

对并网电流检测误差引起的直流分量进行抑制：

采用电流霍尔元件获得交流并网电流i_g，考虑到电流霍尔元件有一定的零漂，也就是说其输入一个上下对称的正弦波时，它的输出信号有一个直流偏置，如果这个偏置是正值，那么通过电流环的修正，就会使逆变器的输出产生一个负的直流分量，反之亦然。利用这一理论，就可以得到输出电流直流分量消除的控制方法。本发明获取采样误差引起的直流分量I_grid ^*的方法为：

步骤a、采样获得交流并网电流i_g；

步骤b、获取所述交流并网电流i_g中的直流分量I_grid；

步骤c、对所述直流分量I_grid进行PI调节获得采样误差引起的直流分量I_grid ^*；

采样交流并网电流i_g中含有的直流分量为全部的直流分量I_grid，包括因采样误差引起的直流分量和脉宽不平衡引起的直流分量，在本部分我们只能部分消除分量(即因采样误差引起的直流分量)，另一部分在下一个环节中消除。采样误差引起的直流分量经PI调节后形成直流分量I_grid ^*，并以负反馈的形式引入到并网电流的给定中，其目的就是产生类似于电流传感器零漂的作用。如果逆变器的输出电流中有正的直流分量，将这个补偿负反馈加到并网电流的给定中后，就会通过电流环的作用，降低输出电流的直流偏置，达到消除输出直流分量的目的。指令电流I_ac ^*减去采样误差引起的直流分量I_grid ^*形成校正后指令电流I_ac1 ^*，引入这部分负反馈后，消除了因采样误差引起的直流分量，所述校正后指令电流I_ac1 ^*减去采样回来的交流并网电流i_g后形成电流差值，所述电流差值经PI调节后形成初步调制信号u_con。图4所示为各个参量的波形图，假定采样误差引起的直流分量I_grid ^*为正的直流分量，I_ac1 ^*是消除直流分量I_grid ^*后形成的波形，u_con波形中含有脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*，留待下一个环节处理。

对PWM调制过程中脉宽不平衡引起的直流分量进行抑制：

脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*的获取方法为：

步骤1、获取前一工频周期内每个开关周期内的初步调制信号u_con的平均直流分量U_grid；

步骤2、所述平均直流分量U_grid经PI调节后获得脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*。

为了消除由调制脉宽不对称引起的直流分量，在并网控制中加入了一个补偿环节。通过检测并计算PWM调制信号前一个工频周期的直流分量，然后可以计算获得每个开关周期调制信号的平均直流分量U_grid。所述平均直流分量U_grid经过PI调节后形成调制脉宽不对称引起的直流分量U_grid ^*，并将所述调制脉宽不对称引起的直流分量U_grid ^*以负反馈的形式引入到本工频周期的初步调制信号u_con中，初步调制信号u_con减去脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*形成最终调制信号u_sin，如图4所示，假定调制脉宽不对称引起的直流分量U_grid ^*为正的直流分量，经过两部分消除直流分量后形成的最终调制信号u_sin为不含或含有少量直流分量的正弦波，以它为基础进行PWM调制，输出用于驱动光伏并网逆变器四个开关管(VT₁、VT₂、VT₃和VT₄)的驱动信号，结果准确，误差小，输出的交流并网i_g不含或含有少量直流分量，接入电网后，不会对后面的设备造成不良影响。

为了验证本发明方法的实用性，采用无变压器隔离型单相全桥并网逆变器拓扑结构，设计了一台额定功率1kW的实验样机。电网电压220VAC，工频50Hz，开关频率为16.6kHz。

图5可见，交流并网电流i_g与交流并网电压v_g是同频、同相的正弦波。图6为经本发明方法调节后的直流分量输出曲线，从中可见电流直流分量I_grid小于50mA。

Claims (3)

1.抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法，其特征在于，实现抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法包括以下内容：

采样获得光伏板的输出电压V_PV和电流I_PV，所述电压V_PV和所述电流I_PV经过最大功率点跟踪算法MPPT产生指令电压V_PV ^*，所述指令电压V_PV ^*减去所述电压V_PV后形成电压差值，所述电压差值经过PI调节后产生并网指令电流幅值I_gref；采样获得的交流并网电压v_g经过锁相环调节产生信号sinθ，所述信号sinθ与所述并网指令电流幅值I_gref相乘产生指令电流I_ac ^*，所述指令电流I_ac ^*减去由采样误差引起的直流分量I_grid ^*形成校正后指令电流I_ac1 ^*，所述校正后指令电流I_ac1 ^*减去采样获得的交流并网电流i_g后形成电流差值，所述电流差值经PI调节后形成初步调制信号u_con，所述初步调制信号u_con减去由脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*形成最终调制信号u_sin，根据所述最终调制信号u_sin控制PWM调制获得用于驱动光伏并网逆变器四个开关管的驱动信号，

其中，由采样误差引起的直流分量I_grid ^*的获取方法为：

步骤a、采样交流并网电流i_g；

步骤b、获取所述交流并网电流i_g中的直流分量I_grid；

步骤c、对所述直流分量I_grid进行PI调节获得采样误差引起的直流分量I_gird ^*；

脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*的获取方法为：

步骤1、获取前一工频周期内每个开关周期内的初步调制信号u_con的平均直流分量U_grid；

步骤2、所述平均直流分量U_grid经PI调节后获得脉宽不平衡引起的直流分量U_grid ^*。

2.根据权利要求1所述的抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法，其特征在于，最大功率点跟踪算法MPPT产生指令电压V_PV ^*包括以下步骤：

步骤一、计算当前周期光伏板输出功率P_PV(k)，P_PV(k)＝V_PV(k)×I_PV(k)，其中，V_PV(k)为当前周期光伏板输出的直流电压，I_PV(k)为当前周期光伏板输出的直流电流；

步骤二、判断当前周期光伏板输出功率P_PV(k)是否大于上一周期光伏板输出功率P_PV(k-1)，

判断结果为是，执行步骤三，判断结果为否，执行步骤六，

步骤三、判断当前周期光伏板输出的直流电压P_PV(k)是否大于上一周期光伏板输出的直流电压P_PV(k-1)，

判断结果为是，执行步骤四，判断结果为否，执行步骤五，

步骤四、输出下一个周期光伏阵列输出闭环的指令电压V_PV ^*为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_{\mathrm{PV}}\left(k\right)+\mathrm{\ΔV},$ 完成此次计算，

步骤五、输出下一个周期光伏阵列输出闭环的指令电压V_PV ^*为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_{\mathrm{PV}}\left(k\right)-\mathrm{\ΔV},$ 完成此次计算，

步骤六、判断当前周期光伏板输出的直流电压V_PV(k)是否大于上一周期光伏板输出的直流电压V_PV(k-1)，

判断结果为是，执行步骤七，判断结果为否，执行步骤八，

步骤七、输出下一个周期光伏阵列输出电压闭环的指令电压V_PV ^*为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_{\mathrm{PV}}\left(k\right)-\mathrm{\ΔV},$ 完成此次计算，

步骤八、输出下一个周期光伏阵列输出闭环的指令电压V_PV ^*为 $V_{\mathrm{PV}}^{*}=V_{\mathrm{PV}}\left(k\right)+\mathrm{\ΔV},$ 完成此次计算，

其中ΔV为电压扰动当量。

3.根据权利要求1所述的抑制光伏并网逆变器输出直流分量的控制方法，其特征在于，采用电流霍尔元件获得交流并网电流i_g，采用电压霍尔元件获得交流并网电压v_g。

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