CN101888095A - 光伏并网发电系统的变结构控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏并网发电系统的变结构控制方法，用于控制两级式电路结构或单级式电路结构，步骤包括：先分别确定各个控制点值，包括V₁-V₆、V_r1-V_r4，直流母线的参考电压值为V_ref，光伏电池阵列实际输出电压值为V_PV，再按照下述情况具体控制：1)当光伏电池阵列的V_PV处于V₁-V₅之间时，光伏并网发电系统在两级式电路结构及两级式控制方式下工作，直流母线参考电压的设定V_ref，与V_PV的大小和变化方向相关；2)当光伏电池阵列的V_PV处于V₄-V₆之间时，光伏并网发电系统在单级式电路结构及单级式控制方式下工作；3)当光伏电池阵列的V_PV处于V₄-V₅之间时，光伏并网发电系统工作在滞环控制方式。本发明的方法，工作电压范围扩大，设备使用效率显著提高。

Description

光伏并网发电系统的变结构控制方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏并网发电技术领域，涉及一种光伏并网发电系统的变结构控制方法。

背景技术

光伏并网发电技术日益受到各国政府的重视，很多关键技术期待解决，特别是新颖的电路结构及其控制技术更为迫切。

经典的电路结构分为单级式电路结构、两级或多级式电路结构。采用单级式电路结构的目的之一是传送功率级数少，系统整体效率高。但是，单级式电路结构都是通过并网逆变器、输出滤波器（若隔离型，则含工频变压器）等直接与交流电网相连。为了顺利将光伏电池阵列产生的功率传送到交流电网上，要求光伏电池阵列的输出电压要高于交流电压峰值电压，因此，当光伏电池阵列的输出电压低于交流电压峰值电压时，必须停止并网运行，从而降低了光伏电池阵列的利用率。

而采用两级或多级式电路结构的目的之一，当前光伏电池阵列成本较高，因此常用较少的光伏电池组成阵列形式进行发电，从而造成了光伏电池阵列的输出电压较低，必须经过开关变换器将电压升高，以便满足后级逆变器等电路的并网需求。对于经典的两级或多级式电路结构而言，光伏电池阵列的输出电压通常都低于交流电网峰值电压，从而限制了整个电路的工作电压范围，导致设备使用效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏并网发电系统的变结构控制方法，解决了现有单级式电路结构和两级或多级式电路结构的工作电压范围小，难以适应电路的并网调整需要，导致设备使用效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种光伏并网发电系统的变结构控制方法，按照以下步骤实施：

步骤1，根据220V单相光伏并网发电系统或380V三相光伏并网发电系统，分别确定各个控制点值，包括光伏电池阵列实际输出电压值V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆以及V_r1、V_r2、V_r3、V_r4，直流母线的参考电压值为V_ref，光伏电池阵列实际输出电压值为V_PV；

步骤2，按照下述情况进行具体控制：

2.1）当光伏电池阵列的V_PV处于V₁-V₅之间时，光伏并网发电系统在两级式电路结构及两级式控制方式下工作，此时，升压斩波器处于PWM开关状态，采集光伏电池阵列输出电流检测和输出电压检测的数值，根据所选取的最大功率点跟踪算法模块来计算升压斩波器的占空比去控制功率开关管动作，实现最大功率点跟踪和升压功能；通过电网电压检测提供的检测值，锁相环产生一个与交流电网的电压同频同相的单位正弦信号；直流母线参考电压和直流母线电压检测进行求差运算后，经过电压调节器的调节，输出为逆变器参考电流的幅值，该幅值与前述的单位正弦信号相乘得到参考电流，该参考电流与并网电流检测再次进行求差运算后，通过电流调节器的调节产生调制信号，该调制信号通过PWM波发生控制产生PWM波，去控制并网逆变器进行相应的并网操作，其中，直流母线参考电压的设定V_ref，与V_PV的大小和变化方向相关，

当V_PV从V₁按照增加方向变化到V₃时，V_ref=V_r1；

当V_PV从V₃按照增加方向变化到V₅时，按照公式（1）进行计算：V_ref=(V_PV-V₃)*(V_r3-V_r1)/(V₅-V₃)+V_r1            （1）

当V_PV从V₄按照减小方向变化到V₂时，按照公式（2）进行计算：V_ref=(V_PV-V₂)*(V_r2-V_r1)/(V₄-V₂)+V_r1                         （2）

当V_PV从V₂按照减小方向变化到V₁时，V_ref=V_r1；

2.2）当光伏电池阵列的V_PV处于V₄-V₆之间时，光伏并网发电系统在单级式电路结构及单级式控制方式下工作，此时，升压斩波器中的功率开关管一直关断，采集光伏电池阵列输出电流检测和输出电压检测的数值，根据所选取的最大功率点跟踪算法模块来计算V_ref，V_ref和输出电压检测进行求差运算后，经过电压调节器的调节，其输出为逆变器参考电流的幅值；通过电网电压检测提供的检测值，锁相环产生一个与交流电网的电压同频同相的单位正弦信号，该单位正弦信号与上述幅值相乘运算得到参考电流，该参考电流再与并网电流检测进行求差运算后，通过电流调节器的调节产生调制信号，该调制信号通过PWM波发生控制产生PWM波，去控制并网逆变器进行相应的并网操作和实现最大功率点跟踪功能；

2.3）当光伏电池阵列的V_PV处于V₄-V₅之间时，光伏并网发电系统工作在滞环控制方式，即当光伏电池阵列的V_PV从V₄向V₅变化时，采用两级式电路结构及两级式控制方式，当V_PV≥V₅时，由两级式电路结构及两级式控制方式切换到单级式电路结构及单级式控制方式；当光伏电池阵列的V_PV从V₅向V₄变化时，采用单级式电路结构及单级式控制方式，当V_PV≤V₄时，由单级式电路结构及单级式控制方式切换到两级式电路结构及两级式控制方式。

本发明的有益效果是，在光伏电池阵列输出电压大范围变化的情况下，也能实现最大功率点跟踪以及顺利并网发电等功能。该控制方法工作电压输入范围宽、转换效率高、可靠性高；完全适应于经典的单级式电路系统和两级或多级式电路系统两个系统来使用，从而减少了并网发电系统的控制方法种类，有利于降低成本。

附图说明

图1是现有的两级式电路结构及其控制示意图；

图2是现有的单级式电路结构及其控制示意图；

图3是现有的升压斩波器3的电路示意图；

图4是升压斩波器3中的功率开关管19一直关断时的等效电路9的结构示意图；

图5是采用本发明方法进行变结构控制模式切换的曲线示意图。

图中，1.光伏电池阵列，2.输出电流检测，3.升压斩波器，4.并网逆变器，5.并网电流检测，6.交流电网，7.输出电压检测，8.最大功率点跟踪算法模块，9.等效电路，10.直流母线电压检测，11.电压调节器，12.电流调节器，13.PWM波发生控制，14.电网电压检测，15.锁相环，16.直流母线参考电压，17.输入滤波电容，18.高频电感，19.功率开关管，20.功率二极管，21.输出滤波电容。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1，是现有的两级式电路结构及其控制示意图。

两级式电路结构是，包括光伏电池阵列1、升压斩波器3、并网逆变器4和交流电网6依次级联连接，其中，光伏电池阵列1通过输出电流检测2与升压斩波器3连接，光伏电池阵列1的两个输出端并联有输出电压检测7，输出电压检测7和输出电流检测2同时与最大功率点跟踪算法模块8的输入端连接，最大功率点跟踪算法模块8的输出端与升压斩波器3连接；升压斩波器3和并网逆变器4之间并联有直流母线电压检测10，直流母线电压检测10与直流母线参考电压16通过一加减运算器与电压调节器11连接；并网逆变器4与交流电网6之间串联有并网电流检测5，并网逆变器4与交流电网6之间并联有电网电压检测14，电网电压检测14通过锁相环15后，与电压调节器11的输出端通过一乘法运算器后再与并网电流检测5的输出端共同通过另一加减运算器与电流调节器12连接，电流调节器12通过PWM波发生控制13与并网逆变器4连接。

两级式电路的控制原理是，控制电路分为前级控制电路和后级控制电路。前级控制电路由最大功率点跟踪算法模块8根据光伏电池阵列1的输出电流检测2和输出电压检测7的采样数值来控制升压斩波器3中的功率开关管19的动作。后级控制电路由直流母线电压外环和并网电流内环双环控制组成，其中，对于直流母线电压外环而言，直流母线参考电压16和直流母线电压检测10求差值，该差值经过电压调节器11进行调节后的所得输出值与电网电压检测14和锁相环15计算产生的单位正弦信号相乘，得到参考电流。对于并网电流内环而言，该参考电流与并网电流检测5再次求差得到新差值，再通过电流调节器12的调节产生调制信号，该调制信号通过PWM波发生控制13产生PWM波，输入到并网逆变器4进行并网操作的控制。

如图2，是现有的单级式电路结构及其控制示意图。

单级式电路结构是，包括光伏电池阵列1、等效电路9（即图4所示电路）、并网逆变器4和交流电网6级联连接，光伏电池阵列1的输出端并联有输出电压检测7，光伏电池阵列1和等效电路9之间串联有输出电流检测2，输出电压检测7和输出电流检测2同时与最大功率点跟踪算法模块8的输入端连接，输出电压检测7的输出端和最大功率点跟踪算法模块8的输出端经过一个加减运算器之后与电压调节器11的输入端连接；并网逆变器4和交流电网6之间串联有并网电流检测5，并网逆变器4和交流电网6之间并联有电网电压检测14，电网电压检测14通过锁相环15与电压调节器11的输出端共同与一乘法运算器连接，乘法运算器的输出端与并网电流检测5的输出端共同与另一个加减运算器连接，进行数值比较得到差值，该加减运算器的输出端通过电流调节器12、PWM波发生控制13与并网逆变器4连接。

单级式电路的控制电路只有一个，与图1的后级控制电路相似，也由直流母线电压外环和并网电流内环双环控制组成。但不同的是不再使用直流母线参考电压16作为直流母线电压外环的参考电压值，而是利用最大功率点跟踪算法模块8根据光伏电池阵列1的输出电流检测2和输出电压检测7的采样数值来计算参考电压值V_ref，其余控制部分与图1的后级控制电路的处理方法相同。

如图3，升压斩波器3的电路结构是，输入滤波电容17、功率开关管19和输出滤波电容21三者并联连接，三者的一端相连具有相同电位。输入滤波电容17与功率开关管19之间串联有高频电感18，功率开关管19与输出滤波电容21之间串联有功率二极管20。

当升压斩波器3中的功率开关管19处于关断状态时，图3所示结构变化为如图4，输入滤波电容17和输出滤波电容21的一端并联，在输入滤波电容17和输出滤波电容21之间串联有高频电感18和功率二极管20，此时电路只起到滤波和传递功率作用。

并网逆变器4内部又包含逆变桥、输出滤波器、并网开关等部件连接组成，隔离情况下也可包含工频变压器。

光伏并网发电系统主要包括升压斩波器3（即BOOST电路）、并网逆变器4、电压检测电路、以及电流检测电路等组成。

本发明的光伏并网发电系统的变结构控制方法，该方法对现有的单相220V/50Hz并网系统和现有的三相380V/50Hz并网系统都是适用的。

当光伏电池阵列输出电压较低时，如图3所示电路时，则系统采用两级式电路结构和两级式控制方式。两级式电路结构意味着前级是升压斩波器3，而后级是并网逆变器4，前级的升压斩波器3实现最大功率点跟踪功能，后级的并网逆变器4实现直流母线电压控制和电流内环控制等功能，从而实现向电网输送功率。

当光伏电池阵列输出电压较高时，如图4所示电路时，则系统采用单级式电路结构和单级式控制方式。单级式电路结构意味着升压斩波器3不再工作，其功率开关管19一直关断，此时前级电路只是起到传递功率和滤波作用，而只有并网逆变器4这一级电路利用功率开关管的开通和关断来控制功率的传递，单级式控制方式意味着由并网逆变器4实现最大功率点跟踪、直流母线电压控制和电流内环控制等所有功能。

本发明的用于光伏并网发电系统的变结构控制方法，具体按照以下阶段分别控制：

步骤1，确定各个控制点值，见图5实施例所示，其中的V_ref为直流母线参考电压16的参考电压值，V_PV为光伏电池阵列实际输出电压值，对于220V单相光伏并网发电系统，光伏电池阵列实际输出电压值的设置为：V₁=40V，V₂=300V，V₃=310V，V₄=370V，V₅=380V，V₆=900V，V_r1=380V，V_r2=414V，V_r3=420V，V_r4=900V。对于380V三相光伏并网发电系统，光伏电池阵列实际输出电压值的设置为：V₁=63V，V₂=540V，V₃=560V，V₄=620V，V₅=630V，V₆=900V，V_r1=630V，V_r2=656V，V_r3=660V，V_r4=900V。上述设置的各个点值基本上代表了实际控制的情况。

步骤2，按照下述情况进行针对性控制：

2.1）当光伏电池阵列1的V_PV处于V₁-V₅之间时，光伏并网发电系统工作在两级式电路结构及两级式控制方式，见图1。此时，升压斩波器3处于PWM开关状态，见图3。采集光伏电池阵列输出电流检测2和输出电压检测7的数值，根据所选取的最大功率点跟踪算法模块8来计算升压斩波器3的占空比去控制功率开关管19动作，从而实现最大功率点跟踪和升压功能。通过电网电压检测14提供的检测值，锁相环15产生一个与交流电网6的电压同频同相的单位正弦信号；直流母线参考电压16和直流母线电压检测10进行求差运算后，经过电压调节器11的调节，输出为逆变器参考电流的幅值，该幅值与前述的单位正弦信号（由电网电压检测14和锁相环15计算产生）相乘得到参考电流，该参考电流与并网电流检测5再次进行求差运算后，通过电流调节器12的调节产生调制信号，该调制信号通过PWM波发生控制13产生PWM波，去控制并网逆变器4进行相应的并网操作。其中，直流母线参考电压16的设定（即V_ref），与V_PV的大小和变化方向相关，见图5。

当V_PV从V₁按照增加方向（从①到②）变化到V₃时，V_ref=V_r1；

当V_PV从V₃按照增加方向（从③到④）变化到V₅时，按照V_ref=(V_PV-V₃)*(V_r3-V_r1)/(V₅-V₃)+V_r1公式进行计算；

当V_PV从V₄按照减小方向（从⑧到⑨）变化到V₂时，按照V_ref=(V_PV-V₂)*(V_r2-V_r1)/(V₄-V₂)+V_r1公式进行计算；

当V_PV从V₂按照减小方向（从②到①）变化到V₁时，V_ref=V_r1。

2.2）当光伏电池阵列1的V_PV处于V₄-V₆之间时，光伏并网发电系统工作在单级式电路结构及单级式控制方式，见图2。此时，升压斩波器3中的功率开关管19一直关断，此时的等效电路9如图4。采集光伏电池阵列输出电流检测2和输出电压检测7的数值，根据所选取的最大功率点跟踪算法模块8来计算V_ref，V_ref和输出电压检测7进行求差运算后，经过电压调节器11的调节，其输出为逆变器参考电流的幅值；通过电网电压检测14提供的检测值，锁相环15产生一个与交流电网6的电压同频同相的单位正弦信号，该单位正弦信号与上述幅值相乘运算得到参考电流，该参考电流再与并网电流检测5进行求差运算后，通过电流调节器12的调节产生调制信号，该调制信号通过PWM波发生控制13产生PWM波，去控制并网逆变器4进行相应的并网操作和实现最大功率点跟踪功能。

2.3）当光伏电池阵列1的V_PV处于V₄-V₅之间时，光伏并网发电系统工作在滞环控制方式。即当光伏电池阵列1的V_PV从V₄向V₅变化时，采用两级式电路结构及两级式控制方式，当V_PV≥V₅时，由两级式电路结构及两级式控制方式切换到单级式电路结构及单级式控制方式；当光伏电池阵列1的V_PV从V₅向V₄变化时，采用单级式电路结构及单级式控制方式，当V_PV≤V₄时，由单级式电路结构及单级式控制方式切换到两级式电路结构及两级式控制方式。

总之，当光伏电池阵列1的V_PV从①→②→③→④→⑤→⑥顺序变化时，光伏并网发电系统从两级式电路结构及两级式控制方式逐步切换到单级式电路结构及单级式控制方式；当光伏电池阵列1的V_PV从⑥→⑦→⑧→⑨→①顺序变化时，光伏并网发电系统从单级式电路结构及单级式控制方式逐步切换到两级式电路结构及两级式控制方式，见图5。

本发明解决了当前经典的单级式电路结构和两级或多级式电路结构的工作电压范围小的缺点，结合了两者的电路结构特点和控制策略，利用变结构控制方法实现了两者的有机统一。

本发明的控制方法，通过变结构控制方法拓展了光伏电池阵列的输出电压工作范围，适用大、中、小各个功率等级；同时，它既适用于单相电网，也适用于三相电网，既可以用于非隔离型电路，也可以用于工频变压器隔离型电路，应用前景极其广阔。

Claims (5)

1.一种光伏并网发电系统的变结构控制方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1，根据220V单相光伏并网发电系统或380V三相光伏并网发电系统，分别确定各个控制点值，包括光伏电池阵列实际输出电压值V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆以及V_r1、V_r2、V_r3、V_r4，直流母线的参考电压值为V_ref，光伏电池阵列实际输出电压值为V_PV；

步骤2，按照下述情况进行具体控制：

2.1）当光伏电池阵列（1）的V_PV处于V₁-V₅之间时，光伏并网发电系统在两级式电路结构及两级式控制方式下工作，此时，升压斩波器（3）处于PWM开关状态，采集光伏电池阵列输出电流检测（2）和输出电压检测（7）的数值，根据所选取的最大功率点跟踪算法模块（8）来计算升压斩波器（3）的占空比去控制功率开关管（19）动作，实现最大功率点跟踪和升压功能；通过电网电压检测（14）提供的检测值，锁相环（15）产生一个与交流电网（6）的电压同频同相的单位正弦信号；直流母线参考电压（16）和直流母线电压检测（10）进行求差运算后，经过电压调节器（11）的调节，输出为逆变器参考电流的幅值，该幅值与前述的单位正弦信号相乘得到参考电流，该参考电流与并网电流检测（5）再次进行求差运算后，通过电流调节器（12）的调节产生调制信号，该调制信号通过PWM波发生控制（13）产生PWM波，去控制并网逆变器（4）进行相应的并网操作，其中，直流母线参考电压（16）的设定V_ref，与V_PV的大小和变化方向相关，

当V_PV从V₁按照增加方向变化到V₃时，V_ref=V_r1；

当V_PV从V₃按照增加方向变化到V₅时，按照公式（1）进行计算：V_ref=(V_PV-V₃)*(V_r3-V_r1)/(V₅-V₃)+V_r1            （1）

当V_PV从V₄按照减小方向变化到V₂时，按照公式（2）进行计算：V_ref=(V_PV-V₂)*(V_r2-V_r1)/(V₄-V₂)+V_r1                         （2）

当V_PV从V₂按照减小方向变化到V₁时，V_ref=V_r1；

2.2）当光伏电池阵列（1）的V_PV处于V₄-V₆之间时，光伏并网发电系统在单级式电路结构及单级式控制方式下工作，此时，升压斩波器（3）中的功率开关管（19）一直关断，采集光伏电池阵列输出电流检测（2）和输出电压检测（7）的数值，根据所选取的最大功率点跟踪算法模块（8）来计算V_ref，V_ref和输出电压检测（7）进行求差运算后，经过电压调节器（11）的调节，其输出为逆变器参考电流的幅值；通过电网电压检测（14）提供的检测值，锁相环（15）产生一个与交流电网（6）的电压同频同相的单位正弦信号，该单位正弦信号与上述幅值相乘运算得到参考电流，该参考电流再与并网电流检测（5）进行求差运算后，通过电流调节器（12）的调节产生调制信号，该调制信号通过PWM波发生控制（13）产生PWM波，去控制并网逆变器（4）进行相应的并网操作和实现最大功率点跟踪功能；

2.3）当光伏电池阵列（1）的V_PV处于V₄-V₅之间时，光伏并网发电系统工作在滞环控制方式，

即当光伏电池阵列（1）的V_PV从V₄向V₅变化时，采用两级式电路结构及两级式控制方式，当V_PV≥V₅时，由两级式电路结构及两级式控制方式切换到单级式电路结构及单级式控制方式；

当光伏电池阵列（1）的V_PV从V₅向V₄变化时，采用单级式电路结构及单级式控制方式，当V_PV≤V₄时，由单级式电路结构及单级式控制方式切换到两级式电路结构及两级式控制方式。

2.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统的变结构控制方法，其特征在于，所述两级式电路结构是，包括光伏电池阵列（1）、升压斩波器（3）、并网逆变器（4）和交流电网（6）依次级联连接，其中，光伏电池阵列（1）通过输出电流检测（2）与升压斩波器（3）连接，光伏电池阵列（1）的两个输出端并联有输出电压检测（7），输出电压检测（7）和输出电流检测（2）同时与最大功率点跟踪算法模块（8）的输入端连接，最大功率点跟踪算法模块（8）的输出端与升压斩波器（3）连接；升压斩波器（3）和并网逆变器（4）之间并联有直流母线电压检测（10），直流母线电压检测（10）与直流母线参考电压（16）通过一加减运算器与电压调节器（11）连接；并网逆变器（4）与交流电网（6）之间串联有并网电流检测（5），并网逆变器（4）与交流电网（6）之间并联有电网电压检测（14），电网电压检测（14）通过锁相环（15）后，与电压调节器（11）的输出端通过一乘法运算器后再与并网电流检测（5）的输出端共同通过另一加减运算器与电流调节器（12）连接，电流调节器（12）通过PWM波发生控制（13）与并网逆变器（4）连接。

3.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统的变结构控制方法，其特征在于，所述单级式电路结构是，包括光伏电池阵列（1）、等效电路（9）、并网逆变器（4）和交流电网（6）级联连接，光伏电池阵列（1）的输出端并联有输出电压检测（7），光伏电池阵列（1）和等效电路（9）之间串联有输出电流检测（2），输出电压检测（7）和输出电流检测（2）同时与最大功率点跟踪算法模块（8）的输入端连接，输出电压检测（7）的输出端和最大功率点跟踪算法模块（8）的输出端经过一个加减运算器之后与电压调节器（11）的输入端连接；并网逆变器（4）和交流电网（6）之间串联有并网电流检测（5），并网逆变器（4）和交流电网（6）之间并联有电网电压检测（14），电网电压检测（14）通过锁相环（15）与电压调节器（11）的输出端共同与一乘法运算器连接，乘法运算器的输出端与并网电流检测（5）的输出端共同与另一个加减运算器连接，进行数值比较得到差值，该加减运算器的输出端通过电流调节器（12）、PWM波发生控制（13）与并网逆变器（4）连接；

所述等效电路（9）的结构是，输入滤波电容（17）和输出滤波电容（21）的一端并联，在输入滤波电容（17）和输出滤波电容（21）之间串联有高频电感（18）和功率二极管（20）。

4.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统的变结构控制方法，其特征在于，所述步骤1中，对于220V单相光伏并网发电系统，光伏电池阵列实际输出电压值的设置为：V₁=40V，V₂=300V，V₃=310V，V₄=370V，V₅=380V，V₆=900V，V_r1=380V，V_r2=414V，V_r3=420V，V_r4=900V。

5.根据权利要求1所述的光伏并网发电系统的变结构控制方法，其特征在于，所述步骤1中，对于380V三相光伏并网发电系统，光伏电池阵列实际输出电压值的设置为：V₁=63V，V₂=540V，V₃=560V，V₄=620V，V₅=630V，V₆=900V，V_r1=630V，V_r2=656V，V_r3=660V，V_r4=900V。

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