CN102097823A - 一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统及控制方法，该系统包括光伏电池阵列PV，Boost电路、逆变电路、MPPT控制器和逆变控制器，所述PV输出端仅设有一个电流传感器，该方法的MPPT控制采用直流电流传感器测量PV电流，基于Boost电路中PV电压与占空比d的对应关系，通过d参与计算并控制PV工作在MPP处；逆变控制基于直流链电压与调制信号幅值对应关系，利用调制信号幅值实时预测直流链电压值，并引入直流链归一化系数，与最大功率P_max经三相均匀分配后一起提供并网电流参考幅值i_xref，经后续PI控制环节放大后与三角载波信号比较后输出PWM信号控制逆变电路开关，来保证实际输出电流i_x紧密地跟踪电流参考值i_xref，同时其频率与相角与并网处电网电压频率和相角相同，本发明可有效减少系统体积，降低建设成本，提高系统的可靠性。

Description

一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统及控制方法

技术领域：

本发明涉及一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统及控制方法，属于太阳能光伏发电技术领域。

背景技术：

目前广泛应用的新能源分布式发电中，太阳能由于其能量来源不枯竭而是最受欢迎新能源之一，具有很好发展前景。但太阳能光伏发电易受自然环境的影响，具有很强的随机性和间歇性，即系统输出电能随着时间的不同会有较大的变化甚至在短时间内发生波动，系统供电可靠性受到很大影响，因而太阳能光伏发电有效运行方式为并入公共电网发电或带蓄电池发电。

光伏并网系统一般采用单级或两级式拓扑结构的逆变器，由于其对直流链电压范围有一定要求，电压过低会导致逆变失败，过高则会增加开关器件的电压应力。光伏电池(PV)输出电压一般较低，为了提升电压，较多的并网逆变器采用两级式拓扑结构，即在光伏电池与逆变电路之间增加一级直流升压变换(Boost)电路，由Boost电路实施最大功率追踪(MPPT)及提升PV电压；后级逆变电路产生与电网同步的正弦波输出，同时配合控制电路对直流链(链接Boost输出直流和逆变器输入直流)电压进行稳定控制。

传统直流链电压控制直接使用一个电压传感器测量获取直流链电压值，然后同直流链电压预设值比较，经比例积分(PI)控制器放大后再与逆变电路联合调节并网电流，从而维持直流链电压稳定。而传统MPPT算法主要集中在扰动观察法和电导增量法以及在其基础上进行完善的各种改进方法。MPPT算法需要直流传感器分别对PV电压、电流进行测量。

传统两级三相光伏并网系统电路及控制原理如图1所示，系统由PV阵列、Boost电路、逆变电路、MPPT控制器和逆变控制器组成。各部分功能作用介绍如下：

PV阵列由若干PV通过串、并联方式组合而成，是系统电能的输入来源；

Boost电路主要把PV阵列输入的不稳定电压提升到后级逆变电路需要的范围，同时在MPPT控制器的控制下承担对PV阵列实施MPPT功能；

逆变电路在逆变控制器的控制下把直流链输送来的直流电逆变成同电网同步的交流电。

控制器分为MPPT控制器和逆变控制器：

MPPT控制器使用直流电压传感器和直流电流传感器分别对PV阵列电压u_pv和电流i_pv实时测量，通过程序软件计算得到PV最大功率点(MPP)的输出电流参考值，同时利用直流电流传感器对流经电感L的电流i_L进行测量，输出的电流参考值与测量得到的电流值i_L进行比较后，经PI控制环节放大再与三角载波比较产生脉宽调制(PWM)开关信号，控制Boost电路开关S，从而电感电流i_L实时精确地跟踪最大功率点电流参考值，PV工作在MPP，输出最大功率P_max。

逆变控制器使用三个交流电压传感器以及三个交流电流传感器分别测量并网处三相电网电压e_x(x取a，b，c)及逆变器的三相并网电流i_x(x取a，b，c)，通过锁相环和幅值计算环节计算得到并网电压e_x的相角和幅值，然后把MPPT控制器输出的PV最大功率P_max，平衡分配到三相电网得到三相电流参考幅值，同时用直流电压传感器测量直流链电压值u_dclink，测量得到的电压值u_dclink与设定值之差信号经PI控制环节产生维持直流链电压稳定的补偿电流值，对之前得到的三相电流参考幅值修正后得到逆变器并网电流参考幅值。再根据锁相环计算得到的电压相位与频率可以产生参考交流电流参考值i_xref(x取a，b，c)。在小型新能源发电系统中，逆变器一般不承担调节无功的作用，因此i_xref与电网电压同步。将交流电流传感器测量得到的电流i_x(x取a，b，c)与电流参考值i_xref比较并经PI控制环节放大，然后与三角载波比较后得到逆变桥开关(S₁-S₆)正弦脉宽开关信号。

由系统工作原理可知，交流侧分别需要3个交流电压和交流电流传感器。

其直流侧传感器如下：

直流电压传感器2个，分别是PV电压传感器和直流链电压传感器；

直流电流传感器2个，分别是PV电流传感器和电感L电流传感器。

由上可见，除了并网必须的交流电压、电流传感器外，传统两级三相光伏并网系统中直流传感器使用较多，不仅增加了系统体积，加大建设成本，而且降低系统可靠性。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统及控制方法，它可有效减少系统体积，降低建设成本，提高系统的可靠性。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统，其包括光伏电池阵列PV，Boost电路、逆变电路、MPPT控制器和逆变控制器，其特征在于所述的光伏电池阵列PV输出端仅设有一个直流电流传感器。

为了进一步实现本发明的目的，所述的MPPT控制器在单片机的基础上实现，其有一路输入，即直流电流传感器检测PV电流值输入；有两路输出，一路输出PWM信号去控制Boost电路开关S，另一路输出PV的最大追踪功率P_max；逆变控制器也在单片机的基础上实现，其有7路输入，即3个交流电压传感器和3个交流电流传感器分别测量并网处三相电网电压及逆变器的三相并网电流的检测值输入和MPPT控制器输出的PV的最大追踪功率P_max输入；有6路输出，即6路PWM信号去分别控制三相逆变桥开关S1、S2、S3、S4、S5、S6。

一种无直流电压传感器控制策略的两级三相光伏并网系统的控制方法，其包括前级MPPT控制以及后级逆变控制，其特征在于所述的前级MPPT控制仅需要1个直流电流传感器测量PV电流，然后基于Boost电路中PV电压与占空比d的对应关系，通过d参与计算并控制PV工作在MPP处；所述的后级逆变控制基于直流链电压与调制信号幅值对应关系，利用调制信号幅值实时预测直流链电压值，并引入直流链归一化系数取代传统控制中直流链电压设定值，与MPPT控制器提供的最大功率P_max经三相均匀分配后一起提供并网电流参考幅值i_xref(x取a，b，c)，经后续PI控制环节放大后与20kHz三角载波信号比较后输出PWM信号控制逆变电路开关(S₁-S₆)，来保证实际输出电流i_x紧密地跟踪电流参考值i_xref，同时其频率与相角与并网处电网电压频率和相角相同，实现光伏系统单位功率因素并网。

为了进一步实现本发明的目的，所述的MPPT控制的具体步骤如下：

第一步，MPPT控制器内单片机初始化，即初始占空比D₁值，初始扰动步长ΔD₁值，以及初始搜索启动电流变化门槛值δ以及终止搜索值ε；

第二步，使用直流电流传感器对PV电流值采样，并输入单片机；

第三步，执行开机MPPT(即第一次最大功率搜索，无条件启动)，控制器单片机内含的MPPT算法程序，利用Boost脉宽开关信号占空比D与PV电压的关系，在直流电流传感器测量输入PV电流条件下，通过软件算法循环搜索逼近得到PV在MPP处电流参考值，算法流程如下：

i)直流电流传感器在n时刻测量PV电流值i_pv(n)，输入单片机；

ii)单片机在得到i_pv(n)以及上一时刻PV电流值i_pv(n-1)的条件下，计算两时刻之间的变化量Δi_pv(n)＝i_pv(n)-i_pv(n-1)；

iii)单片机依据保存的前面时刻Boost电路占空比D以及其变化步长，来计算n时刻步长变化系数K_n＝f(i_pv(n)，Δi_pv(n)，ΔD_(n-1)，D_n)；

iv)单片机计算n时刻步长ΔD_(n)＝-K_nΔD_(n-1)；

v)若|ΔD_(n)|＞ε，则(n+1)时刻占空比变为D_(n+1)＝D_(n)+ΔD_(n)，重复i)-v)操作步骤；

vi)若|ΔD_(n)|≤ε，保存此时直流电流传感器测量到的PV电流值i_pvmax，即PV在MPP处电流值；停止搜索，即固定占空比不变，并监测直流电流传感器测量得到的PV电流值，直到其与保存的PV电流值的差值大于门槛值δ，启动新一轮MPPT；

第四步，直流电流传感器测量获取的PV电流值与获取的PV在MPP处电流参考值比较得差信号，经PI控制环节放大后与20kHz三角载波信号比较，输出PWM开关信号控制Boost电路开关管S，使PV实际电流值精确地跟踪MPP点的参考电流值，当停止搜索时PV输出最大功率P_max。

第五步，保存此时直流电流传感器测量到的PV电流值，即PV在MPP处电流值；

第六步，监测直流电流传感器测量得到的PV电流值，当其与保存的PV电流值的差值大于门槛值δ，启动新一轮MPPT，再次到|ΔD_(n)|≤ε时停止搜索，并更新此时直流电流传感器测量到的PV电流值。

为了进一步实现本发明的目的，所述的逆变控制的具体步骤如下：

第一步，使用3个交流电压传感器和3个交流电流传感器，分别测量并网处三相电网电压以及逆变器并网三相电流，一起输入单片机；

第二步，幅值计算环节(采用传统三相锁相环)计算电网电压的幅值；

第三步，把输入的P_max平衡分配得到三相并网电流参考幅值：

为三相电网各相电压幅值；

第四步，基于直流链电压稳定所需的PI环节产生的电流补偿值，对第三步计算得到的三相并网电流参考幅值进行修正，其中直流链电压实时值由下式估算出：

$U_{\mathrm{dclink}}=2{\hat{U}}_{\mathrm{ac}}/M$

式中M为幅值调制比，其值等于归一化后调制信号幅值，

为并网处电网电压幅值；

第五步，三相锁相环计算三相电网电压的频率和相角信息；

第六步，修正后的三相并网电流参考幅值与频率和相角信息一起，提供并网电流参考值i_xref(x取a，b，c)；

第七步，将交流电流传感器测量得到的三相并网电流i_x(x取a，b，c)与i_xref比较，其差信号经PI控制环节放大得到PWM调制信号，与20kHz三角载波比较得到逆变桥(S₁-S₆)开关信号，实现i_x紧密地跟踪i_xref。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明与传统两级三相光伏并网系统主要差别如下：

第一，体现在硬件结构上，主电路拓扑不变，即由PV阵列、Boost电路、逆变电路组成；差别主要体现在辅助电路、控制器上，尤其是电压和电流传感器的配置上：

①交流侧所需的交流电压和电流传感器及其检测电路不变；

②其直流侧传感器进行了删减，如下：

直流电压传感器无，即在传统控制基础上去掉了PV电压传感器和直流链电压传感器；直流电流传感器1个，仅保留PV电流传感器，去掉了流经电感L电流传感器。

第二，体现在控制器上，虽然控制器仍然分为前级MPPT控制器以及后级逆变控制器，但本发明的两个控制器工作条件以及算法程序都和传统控制器不一样：

传统MPPT控制器使用直流电压和电流传感器分别测量PV电压及电流的条件下展开；本发明MPPT控制器仅需使用直流电流传感器测量PV电流的条件下展开。

本发明逆变控制器不再需要使用直流电压传感器测量直流链电压值u_dclink，使用三个交流电压传感器以及三个交流电流传感器分别测量并网处三相电网电压e_x(x取a，b，c)及逆变器的三相并网电流i_x(x取a，b，c)，以及MPPT控制器提供的PV最大功率P_max一起共7个输入变量，输出三相逆变桥开关SPWM控制信号；传统逆变控制器则必须包含使用直流电压传感器测量得到的u_dclink一起的共8个输入变量，输出三相逆变桥开关SPWM控制信号。

因此本发明的有益效果：①简化两级三相光伏并网系统的配置，节约建设成本；②删减了易受干扰的直流电压测量电路，提高了系统可靠性，提高了效率，节约了维护成本。

附图说明：

图1为已有的两级三相光伏并网系统电路与控制原理图；

图2为本发明的两级三相光伏并网系统无直流侧电压传感器电路及控制原理图。

图3为本发明MPPT控制算法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

图2中各符号的含义为：e_a、e_b、e_c为逆变器并网处三相电网相电压；i_a、i_b、i_c为光伏系统逆变器三相并网电流；L_a、L_b、L_c为系统电网侧滤波电抗器；L为直流侧滤波电感；S1、S2、S3、S4、S5、S6为三相逆变桥开关，采用并联反向二极管的可关断器件绝缘栅极晶体管(IGBT)；U、V、W为并网逆变器三相输出端；D为Boost电路二极管；S为Boost电路开关管；C₁为直流稳压电容器；C₂为直流链稳压电容器；PV为光伏电池板阵列；i_pv为光伏电池板阵列输出电流；P_max为MPPT算法提供的最大功率；

一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统(参见图2)，其主要由光伏电池阵列PV，Boost升压电路、逆变电路、MPPT控制器和逆变控制器连接构成，所述光伏电池阵列PV输出端仅设有一个电流传感器。

一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统的控制方法，它分为两部分，即前级MPPT控制以及后级逆变控制，分别在MPPT控制器和逆变控制器的控制下进行工作。

所述前级MPPT控制器在单片机的基础上实现，其特征如下：

具有一个直流电流传感器，它检测PV电流值并把其送入单片机；

具有一个单片机，其内含如图3所示的算法程序。单片机有一路输入，即上述直流电流传感器检测PV电流值输入；有两路输出，一路输出PWM信号去控制Boost电路开关S，另一路输出PV的最大追踪功率P_max。

MPPT控制的具体步骤如下：

第一步，MPPT控制器内单片机初始化，即初始占空比D₁值，初始扰动步长ΔD₁值，以及初始搜索启动电流变化门槛值δ以及终止搜索值ε；

第二步，使用直流电流传感器对PV电流值采样，并输入单片机；

第三步，执行开机MPPT(即第一次最大功率搜索，无条件启动)，控制器单片机内含的MPPT算法程序，利用Boost脉宽开关信号占空比D与PV电压的关系，在直流电流传感器测量输入PV电流条件下，通过软件算法循环搜索逼近得到PV在MPP处电流参考值，算法流程如图3虚线内MPPT模块所示：

i)直流电流传感器在n时刻测量PV电流值i_pv(n)，输入单片机；

ii)单片机在得到i_pv(n)以及上一时刻PV电流值i_pv(n-1)的条件下，计算两时刻之间的变化量Δi_pv(n)＝i_pv(n)-i_pv(n-1)；

iii)单片机依据保存的前面时刻Boost电路占空比D以及其变化步长，来计算n时刻步长变化系数K_n＝f(i_pv(n)，Δi_pv(n)，ΔD_(n-1)，D_n)；

iv)单片机计算n时刻步长ΔD_(n)＝-K_nΔD_(n-1)；

v)若|ΔD_(n)|＞ε，则(n+1)时刻占空比变为D_(n+1)＝D_(n)+ΔD_(n)，重复i)-v)操作步骤；

vi)若|ΔD_(n)|≤ε，保存此时直流电流传感器测量到的PV电流值i_pvmax，即PV在MPP处电流值；停止搜索，即固定占空比不变，并监测直流电流传感器测量得到的PV电流值，直到其与保存的PV电流值的差值大于门槛值δ，启动新一轮MPPT；

第四步，直流电流传感器测量获取的PV电流值与获取的PV在MPP处电流参考值比较得差信号，经PI控制环节放大后与20kHz三角载波信号比较，输出PWM开关信号控制Boost电路开关管S，使PV实际电流值精确地跟踪MPP点的参考电流值，当停止搜索时PV输出最大功率P_max。

第五步，保存此时直流电流传感器测量到的PV电流值，即PV在MPP处电流值；

第六步，监测直流电流传感器测量得到的PV电流值，当其与保存的PV电流值的差值大于门槛值δ，启动新一轮MPPT，再次到|ΔD_(n)|≤ε时停止搜索，并更新此时直流电流传感器测量到的PV电流值。

所述后级逆变控制器也在单片机的基础上实现，可与前级MPPT控制器单片机共用，其特征如下：

具有3个交流电压传感器和3个交流电流传感器，它们分别测量并网处三相电网电压e_x(x取a，b，c)及逆变器的三相并网电流i_x(x取a，b，c)，并把其送入单片机；

具有一个单片机，有7路输入，即上述6个交流电压以及交流电流传感器检测值输入，同时单片机还接受上述前级MPPT控制器输出的PV的最大追踪功率P_max；有6路输出，即6路PWM信号去分别控制三相逆变桥开关S1、S2、S3、S4、S5、S6。

逆变控制的具体步骤如下：

第一步，使用3个交流电压传感器和3个交流电流传感器，分别测量并网处三相电网电压以及逆变器并网三相电流，一起输入单片机；

第二步，幅值计算环节(采用传统三相锁相环)计算电网电压的幅值；

第三步，把输入的P_max平衡分配得到三相并网电流参考幅值：

为三相电网各相电压幅值；

第四步，基于直流链电压稳定所需的PI环节产生的电流补偿值，对第三步计算得到的三相并网电流参考幅值进行修正，其中直流链电压实时值由下式估算出：

$U_{\mathrm{dclink}}=2{\hat{U}}_{\mathrm{ac}}/M$

式中M为幅值调制比，其值等于归一化后调制信号幅值，

为并网处电网电压幅值；

第五步，三相锁相环计算三相电网电压的频率和相角信息；

第六步，修正后的三相并网电流参考幅值与频率和相角信息一起，提供并网电流参考值i_xref(x取a，b，c)；

第七步，将交流电流传感器测量得到的三相并网电流i_x(x取a，b，c)与i_xref比较，其差信号经PI控制环节放大得到PWM调制信号，与20kHz三角载波比较得到逆变桥(S₁-S₆)开关信号，实现i_x紧密地跟踪i_xref。

Claims (5)

1.一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统，其包括光伏电池阵列PV，Boost电路、逆变电路、MPPT控制器和逆变控制器，其特征在于所述的光伏电池阵列PV输出端仅设有一个直流电流传感器。

2.根据权利要求1所述的一种无直流电压传感器的两级三相光伏并网系统，其特征在于所述的MPPT控制器在单片机的基础上实现，其有一路输入，即直流电流传感器检测PV电流值输入；有两路输出，一路输出PWM信号去控制Boost电路开关S，另一路输出PV的最大追踪功率P_max；逆变控制器也在单片机的基础上实现，其有7路输入，即3个交流电压传感器和3个交流电流传感器分别测量并网处三相电网电压及逆变器的三相并网电流的检测值输入和MPPT控制器输出的PV的最大追踪功率P_max输入；有6路输出，即6路PWM信号去分别控制三相逆变桥开关S1、S2、S3、S4、S5、S6。

3.一种无直流电压传感器控制策略的两级三相光伏并网系统的控制方法，其包括前级MPPT控制以及后级逆变控制，其特征在于所述的前级MPPT控制仅需要1个直流电流传感器测量PV电流，然后基于Boost电路中PV电压与占空比d的对应关系，通过d参与计算并控制PV工作在MPP处；所述的后级逆变控制基于直流链电压与调制信号幅值对应关系，利用调制信号幅值实时预测直流链电压值，并引入直流链归一化系数取代传统控制中直流链电压设定值，与MPPT控制器提供的最大功率P_max经三相均匀分配后一起提供并网电流参考幅值i_xref(x取a，b，c)，经后续PI控制环节放大后与20kHz三角载波信号比较后输出PWM信号控制逆变电路开关(S₁-S₆)，来保证实际输出电流i_x紧密地跟踪电流参考值i_xref，同时其频率与相角与并网处电网电压频率和相角相同，实现光伏系统单位功率因素并网。

4.根据权利要求3所述的一种无直流电压传感器控制策略的两级三相光伏并网系统的控制方法，其特征在于所述的MPPT控制的具体步骤如下：

第一步，MPPT控制器内单片机初始化，即初始占空比D₁值，初始扰动步长ΔD₁值，以及初始搜索启动电流变化门槛值δ以及终止搜索值ε；

第二步，使用直流电流传感器对PV电流值采样，并输入单片机；

第三步，执行开机MPPT(即第一次最大功率搜索，无条件启动)，控制器单片机内含的MPPT算法程序，利用Boost脉宽开关信号占空比D与PV电压的关系，在直流电流传感器测量输入PV电流条件下，通过软件算法循环搜索逼近得到PV在MPP处电流参考值，算法流程如下：

i)直流电流传感器在n时刻测量PV电流值i_pv(n)，输入单片机；

ii)单片机在得到i_pv(n)以及上一时刻PV电流值i_pv(n-1)的条件下，计算两时刻之间的变化量Δi_pv(n)＝i_pv(n)-i_pv(n-1)；

iii)单片机依据保存的前面时刻Boost电路占空比D以及其变化步长，来计算n时刻步长变化系数K_n＝f(i_pv(n)，Δi_pv(n)，ΔD_(n-1)，D_n)；

iv)单片机计算n时刻步长ΔD_(n)＝-K_nΔD_(n-1)；

V)若|ΔD_(n)|＞ε，则(n+1)时刻占空比变为D_(n+1)＝D_(n)+ΔD_(n)，重复i)-v)操作步骤；

Vi)若|ΔD_(n)|≤ε，保存此时直流电流传感器测量到的PV电流值i_pvmax，即PV在MPP处电流值；停止搜索，即固定占空比不变，并监测直流电流传感器测量得到的PV电流值，直到其与保存的PV电流值的差值大于门槛值δ，启动新一轮MPPT；

第四步，直流电流传感器测量获取的PV电流值与获取的PV在MPP处电流参考值比较得差信号，经PI控制环节放大后与20kHz三角载波信号比较，输出PWM开关信号控制Boost电路开关管S，使PV实际电流值精确地跟踪MPP点的参考电流值，当停止搜索时PV输出最大功率P_max。

第五步，保存此时直流电流传感器测量到的PV电流值，即PV在MPP处电流值；

第六步，监测直流电流传感器测量得到的PV电流值，当其与保存的PV电流值的差值大于门槛值δ，启动新一轮MPPT，再次到|ΔD_(n)|≤ε时停止搜索，并更新此时直流电流传感器测量到的PV电流值。

5.根据权利要求3所述的一种无直流电压传感器控制策略的两级三相光伏并网系统的控制方法，其特征在于所述的逆变控制的具体步骤如下：

第一步，使用3个交流电压传感器和3个交流电流传感器，分别测量并网处三相电网电压以及逆变器并网三相电流，一起输入单片机；

第二步，幅值计算环节(采用传统三相锁相环)计算电网电压的幅值；

第三步，把输入的P_max平衡分配得到三相并网电流参考幅值：

为三相电网各相电压幅值；

第四步，基于直流链电压稳定所需的PI环节产生的电流补偿值，对第三步计算得到的三相并网电流参考幅值进行修正，其中直流链电压实时值由下式估算出：

$U_{\mathrm{dclink}}=2{\hat{U}}_{\mathrm{ac}}/M$

式中M为幅值调制比，其值等于归一化后调制信号幅值，

为并网处电网电压幅值；

第五步，三相锁相环计算三相电网电压的频率和相角信息；

第六步，修正后的三相并网电流参考幅值与频率和相角信息一起，提供并网电流参考值i_xref(x取a，b，c)；

第七步，将交流电流传感器测量得到的三相并网电流i_x(x取a，b，c)与i_xref比较，其差信号经PI控制环节放大得到PWM调制信号，与20kHz三角载波比较得到逆变桥(S₁-S₆)开关信号，实现i_x紧密地跟踪i_xref。

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