CN102611297B - 一种抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法，在现有的第一控制器得到基础占空比D的基础上，加入了一个分点PI控制，得到一个电网电压周期的相位点上的微调占空比ΔD，并叠加在第一PI控制器上。第一PI控制器跟踪到的最大功率因为直流电流在一个小范围的波动，将会使得跟踪到的最大功率产生波动，这时需要第二PI控制器的PI控制来进行抑制。由于第一PI控制器的作用，已使得实际输出的直流电流I大体跟踪到期望电流I_ref，然后第二PI控制器开始起作用，使得在一个波动周期内各相位点的占空比D+ΔD在基础占空比D上小范围变化，抑制直流电流I的波动，使其在可以接受的波动范围内。

Description

一种抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法

技术领域

本发明属于光伏并网逆变器技术领域，更为具体地讲，涉及一种抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法。

背景技术

目前太阳能光伏并网发电系统已经被全世界许多国家所关注，光伏并网逆变器作为光伏并网发电的关键部分也得到了很大的发展。

图1是单相两级式光伏并网发电系统原理框图。

通常情况下，如图1所示，单相两级式光伏并网发电系统是由太阳能电池板阵列以及光伏并网逆变器组成。其中，光伏并网逆变器又包括BOOST电路及最大功率点跟踪模块、直流母线电路、全桥逆变电路和控制电路几个部分。其主电路原理如图2所示，其功能是将太阳能转化为电能并将能量输送给电网。

太阳能电池板阵列的功能就是将太阳能转化为电能，其输出功率随负载变化而变化，存在一个最大功率输出点(MPP)。最大功率跟踪(MPPT)模块与太阳能电池板阵列直接相连，其作用就是调节太阳能电池板的工作状态，使太阳能电池板阵列工作在最大功率点；直流母线电路为母线电容构成，母线电容作为缓冲电容，储存能量，分隔开MPPT模块和全桥逆变电路；全桥逆变电路将太阳能电池板阵列输出的直流电逆变为50Hz的交流电，然后输送到电网上；控制电路是整个光伏并网发电系统稳定工作的关键，最大功率跟踪的实现、母线电压的平衡控制、全桥逆变电路电流的跟踪控制都要依靠控制电路来实现。光伏并网逆变器的输出电压、电流均为50HZ正弦波，且相位相同，因此其输出功率将按照100Hz波动，而太阳能电池板阵列输出，光伏并网逆变器的输入近似为一个直流源，这样势必需要储能装置进行能量的存储和释放，虽然母线电容能够储存能量作为输入输出缓冲，但是仍无法完全消除输入能量波动。这样将使太阳能电池板阵列无法始终工作在最大功率点，而是在最大功率点附近波动，影响太阳能电池板阵列的使用率，降低整个光伏并网发电系统的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法，以提高直流电流的跟踪精度，减小输入功率在最大功率点的波动造成的功率损耗，最终提高太阳能光伏并网发电系统的效率。

为实现上述发明目的，本发明抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、根据太阳能电池板阵列电流及输出功率的关系来得到期望电流I_ref，期望电流I_ref得到的频率低于或等于一个电网电压周期50Hz，并在一个电网电压周期内保持不变；

基础占空比D在一个电网电压周期维持不变；

(2)、在电网电压过零点后的第一个采样中断中，以期望电流I_ref和实际采样的直流电流I两者之差作为第一PI控制器的输入，得到在一个电网电压周期内的基础占空比D，该基础占空比D控制BOOST电路，输出相应的直流电流I；

(3)、在一个电网电压周期内对以100Hz频率波动的直流电流的多个相位点上进行分点PI控制：在得到基础占空比D后的采样中断中，第二PI控制器开始起作用，将期望电流I_ref和实际采样的直流电流I两者之差作为第二PI控制器的输入，得到相位点上的微调占空比ΔD；

将基础占空比D和相位点微调占空比ΔD相加后，得到占空比D+ΔD，去控制BOOST电路，输出相应的直流电流I，其中，分点控制的频率高于电网电压频率。

本发明的目的是这样实现的：

本发明抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法，在现有的第一控制器得到基础占空比D的基础上，加入了一个分点PI控制，即第二PI控制器，得到一个电网电压周期的相位点上的微调占空比ΔD，并叠加在第一PI控制器上。第一PI控制器的作用是用来进行最大功率跟踪，控制频率不宜过快，这样跟踪到的最大功率因为直流电流在一个小范围的波动，将会使得跟踪到的最大功率产生波动，这时就需要靠加入的高控制频率的，即第二PI控制器的PI控制来进行抑制。由于第一PI控制器的作用，已使得实际输出的直流电流I大体跟踪到期望电流I_ref，然后第二PI控制器开始起作用，使得在一个波动周期内各相位点的占空比D+ΔD在基础占空比D上小范围变化，抑制直流电流I的波动，使其在可以接受的波动范围内。

附图说明

图1是单相两级式光伏并网发电系统原理框图；

图2是图1所示单相两级式光伏并网发电系统的电原理图；

图3是太阳能电池板阵列输出U-I和U-P特性曲线；

图4是现有技术的最大功率跟踪的控制框图；

图5是现有技术的最大功率跟踪的直流电流波形图；

图6是本发明抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法一种具体实施方式的控制框图；

图7是本发明抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法直流电流的控制趋势图；

图8是本发明抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法下实际直流电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图3是太阳能电池板阵列输出U-I和U-P特性曲线。

如图3所示，太阳能电池板阵列的伏安特性曲线具有强烈的非线性性质，且输出功率随输出电压变化呈近似抛物线，存在一个最大功率点Pm。

光伏并网逆变器常采用功率扰动法对光伏电池板进行最大功率跟踪，实际就是通过对太阳能电池板阵列输出的直流电压或电流的控制来实现太阳能电池板阵列功率点的移动，跟踪到最大功率点，并在最大功率点工作，太阳能电池板阵列的使用率最高。

由图3可知在一定光照和温度条件下，理论上最大功率点应该稳定在Pm，如背景技术中所述，由于光伏并网逆变器输出功率的波动，造成最大功率点会在功率点P1和P2之间波动，此时，最大功率点对应的输出电流Im会在I1和I2之间波动，而最大功率点对应的太阳能电池板阵列电压Vm会在V1和V2之间波动，可见要想消除最大功率点波动问题，通过将直流电流稳定在Im或者将直流电压稳定在Vm。

在本发明中，采用对太阳能电池板阵列输出直流电流I进行控制以达到抑制最大功率点波动，这是因为最大功率点处直流电压比直流电流基准大得多，即Vm＞＞Im，当功率在小范围波动时，直流电压和直流电流也在小范围波动，由于采样精度等因素的影响，此时直流电压变化程度将比直流电流变化程度小得多，即ΔU/Um＜＜ΔI/Im，为了有效控制以及不出现误判，本发明采用稳定直流电流的方法来达到抑制最大功率点波动的目的。

图4、5分别是现有技术的最大功率跟踪的控制框图和直流电流波形图。

如图4、5所示，I_ref为期望电流，通过最大功率算法模块获得，即根据太阳能电池板阵列电流及输出功率的关系来得到期望电流I_ref。I为实际的直流电流，通过采样获得。PI控制环控制频率为50Hz。

由上图4可知，当直流电流出现上图5所示的波动时，必将导致对最大功率点的判断出现误差，所以不能准确的跟踪太阳能电池板的最大功率点。根据波形可见实际直流电流I波动是规则的，波动频率是100Hz，并且前半周期的值比期望电流值小，后半周期的值比期望电流值大，所以只要实际直流电流偏高的时刻减小电流，在实际直流电流偏小的时刻增大直流电流就可抑制直流电流I的波动。

图6是本发明抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法一种具体实施方式的控制框图。

在本实施例中，如图6所示，本发明是在现有技术的控制框图基础上，加入第二PI控制器PI2，即分点控制。对比可以发现，两者最大不同之处是，在本发明中，加入了一个分点控制第二PI控制器PI2，并叠加在原PI控制器，即第一PI控制器PI1上，但这不是一个简单的叠加，实际上，新加入的第二PI控制器PI2和原PI控制器，即第一PI控制器PI1不仅是在控制频率上有差异，其实现的功能和作用是不一样的。

在本实施例中，采样频率为18KHz，第一PI控制器PI1控制频率为50Hz，第二PI控制器PI2控制频率为9KHz。在得到基础占空比D后的第一采样中断以及间隔一次采样中断中，第二PI控制器开始起作用，将期望电流I_ref和实际采样的直流电流I两者之差作为第二PI控制器PI2的输入，得到相位点上的微调占空比ΔD。

第一PI控制器PI1作用是用来进行最大功率跟踪，最大功率跟踪采用扰动法来进行，也就是比较前后两次最大功率大小来改变给定的期望电流I_ref，而跟踪到给定期望电流I_ref是需要时间的，如果跟踪频率过快，用来判定期望电流I_ref增长方向的两次功率之间的差值将是不稳定的，这样将造成很多不必要的误判断，不仅大大降低了最大跟踪的效率，而且会在最大功率跟踪的过程中产生不必要的功率损失，降低了整体效率，所以第一PI控制器PI1的控制频率不宜过快。但这样，由前所述，这样跟踪到的最大功率点因为直流电流的一个小范围的波动，将会使得跟踪到的最大功率产生波动，这时就需要靠加入的高控制频率的第二PI控制器PI2来进行抑制，具体如下：

第二PI控制器PI2是最大功率跟踪得到的期望电流值和实际采样的直流电流I之间的差值，结果第二PI控制器PI2运算有一个变化的输出，第二PI控制器PI2的输出公式为：

${\mathrm{PI}}_{\mathrm{out}}=K_p*(I_{\_\mathrm{ref}}-I_{\mathrm{nt}})+\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{K}_i*(I_{\_\mathrm{ref}}-I_{\mathrm{nt}})$

其中I_{_ref}为期望电流值，K_p、K_i为比例积分系数，I_nt为一个波动的直流电流内同一相位点n不同时刻t的直流电流值。

图6控制框图所示的最大功率跟踪算法模块、两个第一、二PI控制器PI1、PI2的实现均在采样中断里面进行。

在本实施例中，光伏并网逆变器系统的采样频率为18K，第一控制器PI1在一个电网电压周期作用一次，即电网电压过零点后的第一个采样中断中进行一次PI运算，得到在一个电网电压周期内的基础占空比D，即其控制频率为50Hz，然后进行一次最大功率跟踪。跟踪后，第二PI控制器PI2开始起作用，在本实施例中，采用9K的控制频率，即每隔一个采样中断，进行一次PI运算，得到相位点上的微调占空比ΔD。

由图5可以看到直流电流的波动周期为100Hz，因此在一个波动周期内，第二PI控制器PI2将作用90次，从而达到每4度一控，这样既达到了好的控制效果同时也兼顾了算法的时间要求。在最大功率跟踪过程中，一个电网周期内期望电流I_ref的值I_{_ref}是一定的，第一控制器PI1在一个电网周期内得到的基础占空比D作为定值，这时用于分点控制的第二PI控制器PI2P开始起作用，I_nt为该周期内某一相位点n的电流采样值，当该实际直流电流比期望的电流大时，经过上述第二PI控制器PI2运算之后在该点产生一个小的微调占空比为-ΔDn，并与基础占空比D相加得到在该相位点n的控制占空比D-ΔDn，从而导致控制boost电路开关的PWM波的占空比减小，这时BOOST电路的开关闭合时间减少，使得该相位点n的电流的最终值变小；反之，当实际检测到的直流电流比期望电流小时，经过第二PI控制器PI2运算之后在该点产生一个微调占空比为ΔDn，与与基础占空比D相加得到在该相位点n的占空比D+ΔDn，则控制BOOST电路开关的占空比变大，开关的闭合时间增加，实际直流电流的值增加；而且当采样的实际值与电流期望值相差的越大，第二PI控制器PI2的输出变化就会越大，导致PWM波的占空比变化越明显，从而控制的力度就越强，这样就可以很快的将实际直流电流控制到接近期望电流值。

同时由于第二PI控制器PI2中积分的作用，这样即便在该相位点n误差变小，随着时间的增加，在该点的积分项会增大，它将推动BOOST控制使得该相位点n实际直流电流值接近期望值，当实际直流电流值和期望值接近时，第二PI控制器PI2输出变化不大，光伏并网逆变器会稳定的工作在当前状态。

图7是本发明抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法直流电流的控制趋势图。

从图7中可以看出，不同波动周期的同一个相位点n在2个PI控制器的控制作用下，不同时刻t1，t2，t3的直流电流I_nt1，I_nt2，I_nt3会慢慢向期望电流I_ref靠近。

通过这样实时的控制就实现了对实际直流电流进行控制，防止其在期望电流附近有大的波动，进而防止光伏并网发电系统在最大功率点左右波动，经过控制后的直流电流波形如图8所示。

根据实验的结果可以看出，采用本发明控制方法大大减小了输出直流电流的波动，使直流电流的波动一直保持在较小的范围内。同时，由于输出直流电流的波动减小，最大功率跟踪的精确度也有了明显的提高，最大功率点波动范围大大减小，保证光伏并网发电系统可以稳定、高效的工作在最大功率模式下。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、根据太阳能电池板阵列电流及输出功率的关系来得到期望电流I_ref，期望电流I_ref得到的频率低于或等于一个电网电压周期50Hz，并在一个电网电压周期内保持不变；

(2)、在电网电压过零点后的第一个采样中断中，以期望电流I_ref和实际采样的直流电流I两者之差作为第一PI控制器的输入，得到在一个电网电压周期内的基础占空比D，该基础占空比D控制BOOST电路，输出相应的直流电流I；

基础占空比D在一个电网电压周期维持不变；

(3)、在一个电网电压周期内对以100Hz频率波动的直流电流的多个相位点上进行分点PI控制：在得到基础占空比D后的采样中断中，第二PI控制器开始起作用，将期望电流I_ref和实际采样的直流电流I两者之差作为第二PI控制器的输入，得到相位点上的微调占空比ΔD；

将基础占空比D和相位点微调占空比ΔD相加后，得到占空比D+ΔD，去控制BOOST电路，输出相应的直流电流I，其中，分点PI控制的频率高于电网电压频率。

2.根据权利要求1所述的抑制光伏并网逆变器最大功率点波动的控制方法，其特征在于，所述的采样中断的频率为18KHz，第二PI控制器控制频率为9KHz，每隔一个采样中断，进行一次PI运算，即每4度进行一次PI控制，得到相位点上的微调占空比ΔD。