CN101714763B - 一种高效率稳定多功能的单级式光伏单相并网控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高效率稳定多功能的单级式光伏单相并网控制方法属于光伏发电控制技术领域，其特征在于，采用高速数字信号处理器，应用C语言动态定点算法，形成整个并网控制系统高性能的控制算法；采用了单级式并网控制结构以及快速平滑的最大功率点跟踪方法将光伏阵列发出的最大能量直接通过一级DC/AC变换输送到本地城市电网中；采用FBD方法能够对本地负载产生的谐波和无功进行补偿，有利于提高本地电网的电能品质；应用比例加谐振变换器对并网电流实施精确的闭环控制，实现光伏阵列最大功率点跟踪的同时使光伏并网电流完全与市电单相电压同步，功率因数高，系统效率高，整个系统运行安全可靠，并网电流谐波畸变率低于3％。

Description

一种高效率稳定多功能的单级式光伏单相并网控制方法

技术领域

本发明涉及一种高效率稳定多功能单级式光伏单相并网控制方法，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，又是未来能源结构的基础。目前对这一洁净能源的利用正快步进入商业化成长期。在这样的前提下，太阳能光伏发电技术的发展和应用已成为世人瞩目的焦点。太阳能发电具有的优点是：无枯竭危险、绝对干净、不受资源分布地域的限制、可在用电处就近发电、能源质量高、建设时间比较短，减少了经济与计划调整风险、易于建立分布式发电系统、高度模块化，可以逐渐增加以便与负载匹配。在能源短缺、环境保护问题日益严重的我国，研究可靠的、效率高的分布式光伏并网发电系统关键技术非常重要，不仅可以兼顾环保的方式提供电能，促进市场向电力经济发展，也可提供更可靠的电能品质。随着研制技术的发展，太阳能发电成本也会随之降底，太阳能单相光伏并网发电系统将会成为住宅和办公用电的一种模式，确保以环保为基础建立优质的生活与环境品质。

光伏发电系统与任何电力系统一样，其运行点都是电源与负载曲线的交叉点。如图1所示的恒定功率负载运行曲线与光伏阵列P-U发电曲线有两个交叉点b₁、b₂点，但是只有b₂点是稳定工作点。当负载有一个扰动发生时，光伏阵列将会产生一个恢复功率，使系统能恢复到b₂点。太阳能光伏发电系统稳定工作条件必须满足式(1)：

${\left[\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}\right]}_{\mathrm{load}}>{\left[\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dU}}\right]}_{\mathrm{source}}---\left(1\right)$

由此可知光伏发电系统正常工作点一般是dP/dU斜率为负的区域。图2显示了当负载为R1、R2和R3时，其功率曲线与光伏发电曲线的交叉点分别为A1、A2和A3点，但是只有当负载为R2时，光伏电池阵列发出了最大的功率。因此，为了从光伏阵列获得最大的功率，必须对负载进行调节使之与光伏电源之间得到很好的匹配，寻找既快速又稳定用之于单相光伏并网系统的最大功率点跟踪方法一直是研究热点。

目前，市场上的单相光伏并网系统多采用双极式结构，光伏电池能量需要经过DC/DC与DC/AC两级变换，中间变换环节应用了蓄电池，虽然控制方式较简单，但成本较高，而且系统整体效率难以提升；

单相光伏并网控制系统并网电流有开环控制方式和闭环控制方式，开环控制方式不精确，而且不稳定；闭环控制方式一般采用传统的比例加积分控制(PI调节器)，这种方式虽然稳定，但是PI调节器适宜于线性控制系统，不适宜于单相正弦波电流非线性控制，特别是在并网的起始阶段入网电流指标难以符合国际、国内各种严格的标准。采用比例加谐振变换器对单相正弦波电流能够实施精确的闭环控制，并且适宜于对本地负载的谐波及无功进行补偿，确保了单相光伏并网系统向电网提供优良的电能品质。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效率、体积小、能量密度高、稳定、并且能够对本地负载进行谐波污染治理的单极式光伏单相并网控制方法；自主研发的单相光伏并网控制系统可不必考虑负载的性质，能够对电网起到消峰填谷的作用，白天利用太阳能发电可节省大量的燃煤、石油，晚上还可以对本地负载的谐波及无功进行补偿，使并入城市电网的电流做到功率因数完全为1；光伏阵列可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。

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，形成整个并网控制系统高性能的控制算法；采用了单级式并网控制结构以及快速平滑的最大功率点跟踪方法将光伏阵列发出的最大能量直接通过一级DC/AC变换输送到本地城市电网中；采用FBD方法能够对本地负载产生的谐波和无功进行补偿，有利于提高本地电网的电能品质；应用比例加谐振变换器对并网电流实施精确的闭环控制，实现光伏阵列最大功率点跟踪的同时使光伏并网电流完全与市电单相电压相位相同，功率因数为1，系统运行安全可靠，并网电流谐波畸变率低于3％。该方法依次含有以下步骤：

步骤(1)，DSP采集市电单相电网电压信号u_s，通过锁相环(PLL)设计得到与单相电网电压基波频率相同，相位一致，幅值为1的正弦波信号sin(ω₁t)；

步骤(2)，DSP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U(k)与前一采样时刻电压的差值ΔU；

步骤(3)，根据步骤(2)得到的ΔP、ΔU值，依下列情况置识别方向标志Sign的值：

若，ΔP和ΔU同时大于0或小于0，则识别方向标志Sign置1，

若，ΔP和ΔU不同时大于0或小于0，则识别方向标志Sign置-1，

若，ΔP或ΔU为0，则识别方向标志Sign置0；

步骤(4)，根据步骤(3)得到的Sign的值，按下式计算当前时刻k的光伏阵列处于最大功率点处的参考电压Uref(k)：

U_ref(k)＝U_ref(k-1)+Step×Sign

Step为设定的步长值，其值的大小与DSP数据采样保持时间相关；

步骤(5)，按以下步骤利用步骤(4)得到U_ref(k)进一步求得光伏阵列运行在最大功率点处的参考电流I_ref：

步骤(5.1)，计算ΔU′＝U(k)-U_ref(k)；

步骤(5.2)，把步骤(5.1)得到的ΔU′输入到PI调节器，其输出得到光伏阵列运行在最大功率点处的参考电流I_ref；

步骤(6)，利用步骤(5)得到的I_ref作为幅值乘以步骤(1)得到的sin(ω₁t)求得单相光伏并网逆变器应当输出的基波电流参考量I_refsin(ω₁t)；

步骤(7)，DSP采集本地负载吸收的电流i_L，利用步骤(1)得到的正弦波信号sin(ω₁t)按以下步骤分解出本地负载中的谐波及无功成份：

步骤(7.1)，计算i′_L＝i_Lsin(ω₁t)；

步骤(7.2)，把步骤(7.1)得到的i′_L经过一个截止频率为10Hz的低通滤波器后将其值乘以2sin(ω₁t)得到负载实际吸收的基波有功电流成份i_L1；

步骤(7.3)，计算

得到逆变器输出需补偿负载的谐波及无功成份

步骤(8)，DSP采集逆变器输出电流i_o，利用步骤(6)得到的I_refsin(ω₁t)以及步骤(7)得到的

按以下步骤得到单相逆变器参考电流输出与实际输出电流的差值Δi_o：

步骤(8.1)，计算 $i_o^{*}=i_{\mathrm{ref}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+i_L^{*};$

步骤(8.2)，计算 ${\mathrm{\Δi}}_o=i_o^{*}-i_o;$

步骤(9)，利用步骤(8)得到的Δi_o，经过比例加谐振变换器

输出并辅之以单相电压u_s前馈成份，形成单极式电压调制方式的4路PWM脉冲s₁、

s₂、

算法，通过接口电路驱动单相逆变器二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本地城市电网中，其中k_p为比例系数，k_i为积分系数。

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单相逆变器双桥臂合适的占空比，另外一个定时器用来生成PWM载波周期形成电压单极式4路PWM调制波形，降低了电力电子器件承受的电压应力。

附图说明

图1.光伏阵列稳定运行区域示意图，1-常功率负载曲线，2-光伏阵列P-U发电曲线；

图2.光伏阵列电源与负载匹配特性图，3-R1负载曲线，4-R2负载曲线，5-R3负载曲线，6-光伏阵列P-U发电曲线；

图3.单级式单相光伏并网控制系统结构拓扑图；

具体实施方式

本发明所述的具有高效稳定多功能的单级式光伏单相并网控制系统以图3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单相光伏并网系统的输入，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，经单相功率变换器将直流转换为交流，将电能输送到电网，天黑后，整个系统还可对本地负载进行谐波及无功补偿，有助于提高电网的电能质量。

2)直流母线输入电容：主要起一定的滤波作用。

3)直流母线并联的电容串联电感支路：主要对直流母线上叠加的二次谐波起滤波作用，同时有利于降低直流母线滤波电容的容值。

4)单相二桥臂逆变器：作为电能变换环节起着非常关键作用，通过控制电路形成的4路单级式PWM脉冲驱动单相逆变器的相应4只IGBT功率开关器件，使光伏逆变器输出与市电相电压同步的交流电流的同时实现光伏阵列最大功率输出，提高了整个光伏并网系统的转换效率。

5)滤波电感：对单相逆变器输出电流进行滤波。

6)控制系统：控制系统核心芯片为DSP处理器TMS320F2812，利用其片内AD模块对经过传感电路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4路PWM调制波形，生成占空比并由TMS320F2812片内PWM模块形成对应的4路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)

1.一种高效率稳定多功能的单级式光伏单相并网控制方法，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采集市电单相电网电压信号u_s，通过锁相环(PLL)设计得到与单相电网电压基波频率相同，相位一致，幅值为1的正弦波信号sin(ω₁t)；

步骤(2)，DSP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U(k)与前一采样时刻电压的差值ΔU；

步骤(3)，根据步骤(2)得到的ΔP、ΔU值，依下列情况置识别方向标志Sign的值：

若，ΔP和ΔU同时大于0或小于0，则识别方向标志Sign置1，

若，ΔP和ΔU不同时大于0或小于0，则识别方向标志Sign置-1，

若，ΔP或ΔU为0，则识别方向标志Sign置0；

步骤(4)，根据步骤(3)得到的Sign的值，按下式计算当前时刻k的光伏阵列处于最大功率点处的参考电压U_ref(k)：

U_ref(k)＝U_ref(k-1)+Step×Sign

Step为设定的步长值，其值的大小与DSP数据采样保持时间相关；

步骤(5)，按以下步骤利用步骤(4)得到U_ref(k)进一步求得光伏阵列运行在最大功率点处的参考电流I_ref：

步骤(5.1)，计算ΔU＝U(k)-U_ref(k)；

步骤(5.2)，把步骤(5.1)得到的ΔU′输入到PI调节器，其输出得到光伏阵列运行在最大功率点处的参考电流I_ref；

步骤(6)，利用步骤(5)得到的I_ref作为幅值乘以步骤(1)得到的sin(ω₁t)求得单相光伏并网逆变器应当输出的基波电流参考量I_refsin(ω₁t)；

步骤(7)，DSP采集本地负载吸收的电流i_L，利用步骤(1)得到的正弦波信号sin(ω₁t)按以下步骤析出本地负载中的谐波及无功成份：

步骤(7.1)，计算i′_L＝i_Lsin(ω₁t)；

步骤(7.2)，把步骤(7.1)得到的i′_L经过一个截止频率为10Hz的低通滤波器后将其值乘以2sin(ω₁t)得到负载实际吸收的基波有功电流成份i_L1；

步骤(7.3)，计算得到逆变器输出需补偿负载的谐波及无功成份

步骤(8)，DSP采集逆变器输出电流i_o，利用步骤(6)得到的I_refsin(ω₁t)以及步骤(7)得到的

按以下步骤得到单相逆变器参考电流输出与实际输出电流的差值Δi_o：

步骤(8.1)，计算 $i_o^{*}=i_{\mathrm{ref}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+i_L^{*};$

步骤(8.2)，计算 ${\mathrm{\Δi}}_o=i_o^{*}-i_o;$

步骤(9)，利用步骤(8)得到的Δi_o，经过比例加谐振变换器

输出并辅之以单相电压u_s前馈成份，形成单极式电压调制方式的4路PWM脉冲s₁、

s₂、

算法，通过接口电路驱动单相逆变器两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本地城市电网中，其中k_p为比例系数，k_i为积分系数。

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