CN102709943A - 兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法 - Google Patents

兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法 Download PDF

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王春华
倪帅
胡飞鹏
唐丽娜
严庆增
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Abstract

本发明公开了一种兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法，涉及发电控制技术领域。通过数据采集单元与系统控制单元完成对太阳能光伏最大功率点的追踪，并通过逆变器完成对电池板直流侧输出电压和逆变器交流侧输出电流的控制，采用基于比例积分控制器和比例谐振控制器的双闭环控制方法对逆变器进行控制。优点：提高了发电装置的利用率和可靠性，具有很大的通用性和适应性，有利于太阳能发电的推广。

Description

兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法
技术领域
本发明涉及发电控制技术领域，具体是一种兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法。
背景技术
我国76%的国土光照充沛，太阳能资源十分丰富，全国三分之二的国土面积每平方米太阳能年辐射总量达3350--8400兆焦，平均为5860兆焦（相当于199kg标准煤），每年我国地表吸收的太阳能，大约相当于2.4万亿吨标准煤的能量，相当于2008年全国能源消耗总量28.5亿吨标准煤的842倍。同时，我国光能资源分布较为均匀，与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠。除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存，太阳能几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。
我国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要明确指出我国未来要积极开发利用风能、太阳能、地热能和海洋能，加之我国能源问题日益严峻和光伏发电技术的逐步成熟，太阳能光伏利用的前景必将十分光明。但是在另一方面我国的光伏发电科研和应用水平与发达国家相差较大，光伏并网发电技术的主要存在以下缺陷：
设备利用率较低，由于日夜交替的原因，夜里光伏发电装置要停机，只有白天且天气较好的时候才能发电工作，这种间歇性的工作不仅降低了设备的利用率，提高了发电成本，并且频繁的投切电网会对电力系统的正常运行造成影响。
容量较小并且功能比较单一。由于电力电子器件容量和成本的限制，目前并网装置的容量不大，并且目前的并网装置对电力系统日益关心的电能质量问改善作用不大，甚至有时会对电力系统的正常运行和电能质量造成负面影响。
系统性能和可靠性问题。我国对光伏发电技术的研究起步较晚，并且多以高校研究为主，目前虽然已经建成了一些示范工程，但国产的光伏发电装备在系统性能和可靠性方面还有待提高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法，提高了发电装置的利用率和可靠性。
本发明是以如下技术方案实现的：数据采集单元与系统控制单元完成对太阳能光伏最大功率点的追踪，并通过逆变器完成对电池板直流侧输出电压和逆变器交流侧输出电流的控制，兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法，系统控制单元采用基于比例积分控制器和比例谐振控制器的双闭环控制，最终生成开关控制信号用于驱动三相四桥臂光伏并网逆变器功率器件的开关，实现光伏并网及谐波和无功功率补偿功能。
其进一步是：系统控制单元具有最大功率跟踪模块、谐波检测模块、比例积分控制器、坐标变换单元、比例谐振控制器和调制算法模块，生成开关控制信号的具体步骤如下：
（1）最大功率跟踪模块接收到数据采集单元输出的直流侧电压电流信号，进行最大功率点搜寻，然后得出逆变器直流侧电压给定值，并将该值输送给电压环的比例积分控制器；
（2）比例积分控制器结合数据采集单元输出的直流侧电压信号，经过运算得到电流环给定信号并输送到坐标变换单元中，另外谐波检测模块根据数据采集单元输出的负载电流信号分离出负载电流谐波，然后输出到坐标变换单元，在坐标变换单元中将指令电流进行相加，并通过坐标变换方法将直流量变换到三相静止坐标系下；
（3）坐标变换单元输出的指令电流和数据采集单元输出的逆变器交流侧电流共同输入到电流环的比例谐振控制器中，经比例谐振控制器运算生成电压给定信号输入到调制算法模块中，最终由调制算法模块输出开关控制信号对逆变器中的功率器件进行开关操作。
其中，最大功率跟踪模块、谐波检测模块、比例积分控制器、坐标变换单元、比例谐振控制器和调制算法模块均是系统控制单元中以程序的形式实现的。
本发明的有益效果是：提高了发电装置的利用率和可靠性，具有很大的通用性和适应性，有利于太阳能发电的推广。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
图1为系统结构模式示意图；
图2为适用于三相四线并网逆变器主回路结构图；
图3为系统双闭环控制算法示意图。
具体实施方式
如图1所示，发电装置构成主要由光伏阵列电源1，逆变器2，电网3，本地负载4，系统控制单元5和数据采集单元6组成。数据采集单元6由FPGA及其外围电路构成，用于采集并联负载电流信号、逆变器直流侧电压以及电流信号、逆变器输出电流信号以及电网电压信号，完成电压电流等信号的采集和辅助控制功能。系统控制单元由DSP及其外围电路构成，完成指令电流的计算、光伏电池阵列最大功率点追踪、系统的启停控制等功能。数据采集单元以TI公司的TMS320F28335芯片为核心器件，系统控制单元以XILINX公司的XC3S400芯片为核心器件。
逆变器2直流侧接光伏阵列电源1的输出端，光伏阵列电源1的直流电能流向逆变器2。逆变器2的交流侧连接到电网3，逆变器2将直流电能变换成交流电能注入电网3。同时，电网3提供交流电能给本地负载4。数据采集单元6采集逆变器2直流侧和交流侧的电压电流信号，同时采集所并联的本地负载4的电流信号，并将其传递给系统控制单元5。系统控制单元5得到直流侧和电网侧的电压电流信号后对其进行处理、计算，最终输出逆变器2主电路中各个开关器件的驱动信号，完成对逆变器2主电路的控制。逆变器2向电网输出补偿电流，用以向电网注入光伏阵列电源1所产生的能量并补偿电网中的谐波电流和无功功率。系统控制单元5除了完成对逆变器开关器件的控制功能外，还提供了人机交互界面和RS485通讯接口、CAN通讯接口，能够远程与上位机7进行通讯。
发电装置内部集成开关电源，数据采集与系统控制单元由此供电，无需外加电源。
图2为三相四线光伏并网逆变器主电路包括电网3，四线交流断路器8，四线交流电抗器9，四线逆变器主电路10，直流断路器11和电容12。太阳能光伏电池经由直流母线环节进入三相四线并网逆变器。三相四线逆变器输出端串联四相电抗器和断路器后分别接入电网的A、B、C、N四线。三相四线并网逆变器的控制信号由信号采集与系统控制单元给出。
如图3所示，兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法，数据采集单元与系统控制单元完成对太阳能光伏最大功率点的追踪，并通过逆变器完成对电池板直流侧输出电压和逆变器交流侧输出电流的控制。系统控制单元采用基于比例积分控制器和比例谐振控制器的双闭环控制，最终生成开关控制信号用于驱动三相四桥臂逆变器功率器件的开关，实现光伏并网及谐波和无功功率补偿功能。
系统控制单元具有最大功率跟踪模块、谐波检测模块、比例积分控制器、坐标变换单元、比例谐振控制器和调制算法模块，生成开关控制信号的具体步骤如下：
（1）最大功率跟踪模块接收到数据采集单元输出的直流侧电压电流信号，进行最大功率点搜寻，然后得出逆变器直流侧电压给定值，并将该值输送给电压环的比例积分控制器；
（2）比例积分控制器结合数据采集单元输出的直流侧电压信号，经过运算得到电流环给定信号并输送到坐标变换单元中，另外谐波检测模块根据数据采集单元输出的负载电流信号分离出负载电流谐波，然后输出到坐标变换单元，在坐标变换单元中将指令电流进行相加，并通过坐标变换方法将直流量变换到三相静止坐标系下；
（3）坐标变换单元输出的指令电流和数据采集单元输出的逆变器交流侧电流共同输入到电流环的比例谐振控制器中，经比例谐振控制器运算生成电压给定信号输入到调制算法模块中，最终由调制算法模块输出开关控制信号对逆变器中的功率器件进行开关操作。
其中，最大功率跟踪模块、谐波检测模块、比例积分控制器、坐标变换单元、比例谐振控制器、和调制算法模块均是系统控制单元中以程序的形式实现的。
本方法中，补偿工频30倍以内的任意次谐波。

Claims (3)

1.兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法，数据采集单元与系统控制单元完成对太阳能光伏最大功率点的追踪，并通过逆变器完成对电池板直流侧输出电压和逆变器交流侧输出电流的控制，其特征在于：系统控制单元采用基于比例积分控制器和比例谐振控制器的双闭环控制，最终生成开关控制信号用于驱动三相四桥臂光伏并网逆变器功率器件的开关，实现光伏并网及谐波和无功功率补偿功能。
2.根据潜力要求1所述的兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法，其特征在于：系统控制单元具有最大功率跟踪模块、谐波检测模块、比例积分控制器、坐标变换单元、比例谐振控制器和调制算法模块，生成开关控制信号的具体步骤如下：
（1）最大功率跟踪模块接收到数据采集单元输出的直流侧电压电流信号，进行最大功率点搜寻，然后得出逆变器直流侧电压给定值，并将该值输送给电压环的比例积分控制器；
（2）比例积分控制器结合数据采集单元输出的直流侧电压信号，经过运算得到电流环给定信号并输送到坐标变换单元中，另外谐波检测模块根据数据采集单元输出的负载电流信号分离出负载电流谐波，然后输出到坐标变换单元，在坐标变换单元中将指令电流进行相加，并通过坐标变换方法将直流量变换到三相静止坐标系下；
（3）坐标变换单元输出的指令电流和数据采集单元输出的逆变器交流侧电流共同输入到电流环的比例谐振控制器中，经比例谐振控制器运算生成电压给定信号输入到调制算法模块中，最终由调制算法模块输出开关控制信号对逆变器中的功率器件进行开关操作；
其中，最大功率跟踪模块、谐波检测模块、比例积分控制器、坐标变换单元、比例谐振控制器和调制算法模块均是系统控制单元中以程序的形式实现的。
3.根据权利要求1或2所述的兼备谐波治理和无功补偿的单级式光伏并网发电控制方法，其特征在于：补偿工频30倍以内的任意次谐波。
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