CN102868174B - 基于dsp的抑制混沌的光伏并网发电系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统，其特征在于它包括光伏电池阵列、DC/DC直流变换单元、DC/AC交流变换单元、输出LC滤波单元、直流电压电流检测单元、驱动电路单元、采样电路单元、并网电流检测单元、混沌控制器单元、混沌检测单元、电网电压检测单元、DSP控制单元以及电网；其工作方法包括：信号采样、计算、状态判定、施加扰动、并网；其优越性在于：①改善电能的质量；②提高系统的可靠性；③结构简单，工作可靠。

Description

基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统及其工作方法

(一)技术领域：

本发明属于电力系统电力电子技术中和新能源光伏发电的交叉技术领域，尤其是一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统及其工作方法。

(二)背景技术：

光伏并网发电作为太阳能技术利用的重要方向之一，在当今得到了迅猛的发展，光伏并网系统的核心在于逆变器。整个系统的效率和输出电能的质量与逆变器的转换效率高低密切相关，而只有通过改善逆变器主电路拓扑和开关器件的控制策略才能达到这一目的。根据功率级数，光伏并网发电系统的逆变器可分为单级式结构和两级式结构。所谓单级式逆变器是指在一个功率环节中实现最大功率点跟踪控制、DC-AC逆变的光伏功率变换器。。两级式逆变器结构较之单极式虽然功率级数多，但其可以实现光伏器件最大功率点跟踪与逆变器并网单独控制，避免了逆变器并网工作对光伏器件输出功率的影响，更适用于光伏发电系统。电力系统是一个强非线性的大系统，在电力系统的运行过程中有过混沌振荡的实例，曾经美国西北电力系统与西南电力系统在互联后不久就发生了1分钟发作6次的振荡现象，这种现象直接导致2个系统解列。在混沌理论的帮助下，人们开始研究电力系统中的混沌现象。光伏系统内部有很多的强非线性元件，在DC/DC及DC-AC环节容易发生混沌现象，当光伏系统与大电网并网后，存于光伏系统的混沌现象将会为整个系统的运行埋下隐患。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、工作可靠的系统。

本发明的技术方案：一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统，其特征在于它包括光伏电池阵列、DC/DC直流变换单元、DC/AC交流变换单元、输出LC滤波单元、直流电压电流检测单元、驱动电路单元、采样电路单元、并网电流检测单元、混沌控制器单元、混沌检测单元、电网电压检测单元、DSP控制单元以及电网；其中，所述DC/DC直流变换单元的输入端采集光伏电池阵列的信号和驱动电路发出的驱动信号，其输出端连接DC/AC交流变换单元的输入端；所述DC/AC交流变换单元的输入端还接收驱动电路发出的驱动信号，其输出端连接输出LC滤波单元的输入端；所述LC滤波单元的输出端分别连接采样电路单元的输入端、并网电流检测单元的输入端和混沌控制器单元的输入端；所述混沌控制器单元的输入端还接收混沌检测单元发出的检测信号，其输出端连接电网；所述DSP控制单元的输入端采集故障检测信号、温度检测信号的同时，还与直流电压电流检测单元的输出端、采样电路单元的输出端、并网电流检测单元的输出端以及电网电压检测单元的输出端连接，其输出端连接驱动电路单元的输入端和混沌检测单元的输入端；所述电网电压检测单元的输入端连接电网；所述直流电压电流检测单元的输入端采集光伏电池阵列的电压电流信号。

所述DC/DC直流变换单元采用BOOST升压电路结构。

所述DC/AC交流变换单元(见图2)采用双降压式BUCK全桥逆变器电路结构。

一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由采样电路单元采集光伏并网发电系统并网前的电气状态量，包括电流、电压、相角信号，并将这些状态量通过DSP控制单元提交给检测电路；

②检测电路通过计算判断是否发生混沌的技术指标，即最大李亚普诺夫指数和功率谱，来对光伏系统状态进行判定，若最大李亚普诺夫指数大于1，且功率谱表现为出现噪声背景宽峰的连续谱，则可判定出现混沌，反之则未出现混沌，若系统发生混沌，则发送动作信号给混沌控制器单元，否则，进行正常并网；

③混沌控制器单元利用基于OGY法的微扰法对原有光伏系统电气状态量进行混沌控制，对原有电气量添加微小电气扰动，使得系统可以运行在一条稳定的周期轨道上，将施加控制后的电气状态量提交给检测电路；

④对控制后的系统进行检测，重复步骤②的判定，如对系统判定后不存在混沌，则可以正常并网，且不会对电网造成潜在的稳定性影响。

所述步骤③中的微小电气扰动是小幅度的正弦电流信号。

本发明的工作原理：

1、混沌控制器的设计：

根据OGY法的原理有效抑制混沌，其做法是：1)从混沌内嵌的众多周期轨道中选择一条满足要求的周期轨道(如不动点)作为控制面、目标。2)等待系统状态遍历游荡到控制目标附近，利用其局部流形特征，微调系统参数使系统状态的下一次迭代刚好位于局部稳定流形上；3)将参数复原，位于局部稳定流形上的点自动渐近收敛于控制目标；4)有时由于微调误差或噪声的影响，需要反复调整参数。先检测系统是否处于分岔或混沌等不稳定态，若是，通过施加微扰使系统控制在预定周期轨道附近，以提高系统的稳定性，防止混沌的发生。

混沌控制器工作方法为首先通过采样电路单元对系统状态量进行采样，然后检测电路单元根据测得的系统状态量信号来计算最大李亚普诺夫指数，若该指数计算结果大于零则发出控制信号给混沌控制器，其中混沌控制器是基于OGY方法的控制器，通过不断施加微扰可控制系统在预定周期轨道附近工作，达到抑制混沌的目的，最后由混沌控制器将抑制过混沌的电信号传给电网。

2、采样电路及检测电路的设计：

采样电路通过对电流，电压，相角等状态量的测量，将数据提交给检测电路，检测电路通过计算李亚普洛夫指数以及功率谱来判定系统是否发生了混沌现象。若是，将结果反馈给DSP，若不是，继续检测。用Jacobian方法计算系统的李亚普诺夫指数的具体过程如下：假设一n维系统的方程如： $\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}=F\left(X\right)---\left(1\right)$

其中：X=[x₁(t),x₂(t),…,x_n(t)]^T，则系统轨线切向量W的演化满足下列变分方程：

$\frac{\mathrm{dW}}{\mathrm{dt}}=J\left[X\left(t\right)\right]W---\left(2\right)$

其中，X(t)为式(1)的解，J[X(t)]是方程的Jacobian矩阵.为计算李亚普诺夫指数λ₁,λ₂,…,λ_n,选取时间区间T>0和迭代数N.对于k(k=1,2，...,N)迭代,矩阵的变分方程式(2)初始正交条件为经过Ts积分后得到向量然后通过G-S正交化,将上述向量变为并加以规范化,最后得到向量重复这个过程，直到李亚普诺夫指数收敛或者达到最大迭代次数N为止。因此当N足够大时，可以得到：

${\mathrm{\λ}}_i=\underset{k\→\∞}{\lim }\frac{1}{\mathrm{NT}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\ln \left|\right|v_i^{\left(k\right)}\left|\right|$

得出最大李亚普诺夫指数后然后看其是否大于零，如果大于零表示系统有可能处于混沌态，再通过计算功率谱看其是否连续及是否频谱很宽对系统状态进一步判断是否发生混沌现象。

3、最大功率跟踪控制器的设计：

在不同的光伏发电系统中，在DC/DC直流转换环节实现MPPT时，需要依据不同的变量来实现。其中功率扰动观察法的工作原理为：功率扰动观察法的工作原理为:先给出一个扰动输出信号((+ΔU，再测量光伏电池阵列输出功率的变化，与扰动之前其输出功率值相比，若扰动后的功率小于扰动前，则表示扰动方向错误，可按反方向(-ΔU)扰动;如果功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续朝同一方向((+ΔU)扰动。经过大量的实验得出:最大功率点对应的输出电压近似为光伏电池阵列开路电压的76%，故系统的初始值根据阵列的开路电压选择，可以使系统的工作点快速接近最大功率点。而增量电导法的工作原理为：光伏电池阵列的输出功率与输出电压之间的关系是一条只有一个峰值的曲线，我们知道，功率对电压的导数在输出最大功率点处为零，因此要寻找这个峰值，当处于功率对电压的导数小于零的区域内时，递减电压;当处于功率对电压的导数大于零的区域内时，递增电压;而在功率对电压的导数等于零(或非常接近于零)的时候，保持当前电压值不变。当电流减小时，减小工作电压;电压不变，电流增加时，增大工作电压在电压不变。增量电导法是跟踪准确性最高的一种方法它最大的优点是:①在快速变化的环境情况下，仍可以使系统具有良好的跟踪性能。②能使光伏电池阵列的输出电压在太阳光照强度和环境温度变化的情况下，能平稳地追随环境变化并且其输出电压波动小。增量电导法存在的缺陷是：因为在实际的光伏电池阵列中可能存在一个局部的功率最大点，而这种算法可能会将这一局部的功率最大点误判为电池的最大功率点，从而产生误判。

4并网逆变器的拓扑结构(见图2)：

双BUCK逆变器是指两个BUCK电路通过反并联，且互补工作组合起来的逆变器。它在电路稳态运行时，可以分别以简单的BUCK电路理论对两个桥臂电路进行分析，得到输入输出电压的关系。双BUCK并网逆变器由两个BUCK电路组成。其中S1、S2是功率开关管；VD1、VD2是续流二极管；L1,L2:是输出滤波电感；C_f是输出滤波电容；U_net是电网电压；i₀是逆变器输出给电网的电流；i_l1、i_l2分别代表经过滤波电感L₁和L₂的电流。当i₁₁+i_l2>0时，由S1,VD1,L1和C_f组成的BUCK变换器工作;当i_l1+i_l2<0时，由S2、VD2、i_l2和C_f组成的BUCK变换器工作。双BUCK全桥并网逆变器是由两个双BUCK半桥逆变结构组成，其中S1、S2、S3、S4为功率开关管，D1、D2、D3、D4为续流二极管，输出滤波器由电感L1、L2、L3、L4及电容C_f构成，Unet为电网电压。为减小器件的开关损耗和导通损耗，从而进一步提高逆变器效率，逆变器工作于半周期运行模式，即S 1、S4在前半输出周期共同调制工作，S2、S3在后半输出周期共同调制工作。当逆变器实际的输出电流i₀的方向同图中标定的方向一致时，系统工作在模态1和模态2，模态1是开关管S1和S4导通，直流端的电压为+Ui;模态2为D1和D4续流，电压为一Ui。当逆变器的输出电流i₀的方向与图中标定的方向相反时，系统工作在模态3和模态4，模态3是开关管S2和S3导通，直流端的电压为+Ui；模态4为D2和D4续流，直流端电压为-Ui。

5、PWM中断子程序和CAP捕获中断子程序(见图3、图4)，可知，主程序响应中断，通过A/D口对逆变器直流侧电压、和电流Ipv、逆变器交流侧并网电流I_O、功率开关管IGBT的温度T进行采样，判断并网电流和温度值是否超过给定标准值，如果超过，立即返回主程序，停止整个系统的运行。如果没有超过，程序进行MPPT计算，得到光伏阵列最大功率值处的一参考电流I_m，将这个参考电流与正弦波相乘，得到基准电流l_ref，再和交流侧反馈回的并网电流i₀相比较，得到电流i_e,i_e一滞环得到滞环PWM驱动信号，最后返回主程序。CAP捕获中断程序是通过控制并网电流可以实时跟踪电网，确保和电网电压同频，同相。CAP程序流程图如附图所示，通过计算、判断电网电压的频率和相位，通过滞环调节使并网电流很好地跟踪电网电压。

本发明的优越性在于：①采用改进型的并网逆变器的电流滞环控制策略，通过改进逆变器拓扑结构的方法来提高并网逆变系统的效率，同时通过增设混沌控制器有效的抑制混沌，用以改善电能的质量；②通过OGY方法把不稳定轨道抑制在稳定的周期轨道附近，已提高系统的可靠性；③混沌控制器结构简单，工作可靠，主要用于MPPT控制、孤岛效应的检测、逆变器并网工作等控制策略的验证和实施；④提出一种新的并网逆变器的拓扑结构，双降压式(BUCK)全桥逆变器拓扑结构，提高了并网逆变器的输入直流电压的利用率和可靠性；⑤MPPT算法采用功率扰动法以及增量电导法。适用于环境因素较为稳定的情况，能以平稳的方式快速追踪外界环境的变化，电压波动较功率扰动观测法要小。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统的总电路结构框图。

图2为本发明所涉一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统中DC/AC交流变换单元的结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统的主程序流程图。

图4为本发明所涉一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统的PWM中断程序流程图和CAP捕捉中断流程图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统(见图1)，其特征在于它包括光伏电池阵列、DC/DC直流变换单元、DC/AC交流变换单元、输出LC滤波单元、直流电压电流检测单元、驱动电路单元、采样电路单元、并网电流检测单元、混沌控制器单元、混沌检测单元、电网电压检测单元、DSP控制单元以及电网；其中，所述DC/DC直流变换单元的输入端采集光伏电池阵列的信号和驱动电路发出的驱动信号，其输出端连接DC/AC交流变换单元的输入端；所述DC/AC交流变换单元的输入端还接收驱动电路发出的驱动信号，其输出端连接输出LC滤波单元的输入端；所述LC滤波单元的输出端分别连接采样电路单元的输入端、并网电流检测单元的输入端和混沌控制器单元的输入端；所述混沌控制器单元的输入端还接收混沌检测单元发出的检测信号，其输出端连接电网；所述DSP控制单元的输入端采集故障检测信号、温度检测信号的同时，还与直流电压电流检测单元的输出端、采样电路单元的输出端、并网电流检测单元的输出端以及电网电压检测单元的输出端连接，其输出端连接驱动电路单元的输入端和混沌检测单元的输入端；所述电网电压检测单元的输入端连接电网；所述直流电压电流检测单元的输入端采集光伏电池阵列的电压电流信号。

所述DC/DC直流变换单元采用BOOST升压电路结构。

所述DC/AC交流变换单元(见图2)采用双降压式BUCK全桥逆变器电路结构。

一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统的工作方法(见图3、图4)，其特征在于它包括以下步骤：

①由采样电路单元采集光伏并网发电系统并网前的电气状态量，包括电流、电压、相角信号，并将这些状态量通过DSP控制单元提交给检测电路；

②检测电路通过计算判断是否发生混沌的技术指标，即最大李亚普诺夫指数和功率谱，来对光伏系统状态进行判定，若最大李亚普诺夫指数大于1，且功率谱表现为出现噪声背景宽峰的连续谱，则可判定出现混沌，反之则未出现混沌，若系统发生混沌，则发送动作信号给混沌控制器单元，否则，进行正常并网；

③混沌控制器单元利用基于OGY法的微扰法对原有光伏系统电气状态量进行混沌控制，对原有电气量添加微小电气扰动，使得系统可以运行在一条稳定的周期轨道上，将施加控制后的电气状态量提交给检测电路；

④对控制后的系统进行检测，重复步骤②的判定，如对系统判定后不存在混沌，则可以正常并网，且不会对电网造成潜在的稳定性影响。

所述步骤③中的微小电气扰动是小幅度的正弦电流信号。

Claims (5)

1.一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统，其特征在于它包括光伏电池阵列、DC/DC直流变换单元、DC/AC交流变换单元、输出LC滤波单元、直流电压电流检测单元、驱动电路单元、采样电路单元、并网电流检测单元、混沌控制器单元、混沌检测单元、电网电压检测单元、DSP控制单元以及电网；其中，所述DC/DC直流变换单元的输入端采集光伏电池阵列的信号和驱动电路发出的驱动信号，其输出端连接DC/AC交流变换单元的输入端；所述DC/AC交流变换单元的输入端还接收驱动电路发出的驱动信号，其输出端连接输出LC滤波单元的输入端；所述LC滤波单元的输出端分别连接采样电路单元的输入端、并网电流检测单元的输入端和混沌控制器单元的输入端；所述混沌控制器单元的输入端还接收混沌检测单元发出的检测信号，其输出端连接电网；所述DSP控制单元的输入端采集故障检测信号、温度检测信号的同时，还与直流电压电流检测单元的输出端、采样电路单元的输出端、并网电流检测单元的输出端以及电网电压检测单元的输出端连接，其输出端连接驱动电路单元的输入端和混沌检测单元的输入端；所述电网电压检测单元的输入端连接电网；所述直流电压电流检测单元的输入端采集光伏电池阵列的电压电流信号；

其工作方法为：

①由采样电路单元采集光伏并网发电系统并网前的电气状态量，包括电流、电压、相角信号，并将这些状态量通过DSP控制单元提交给检测电路；

②检测电路通过计算判断是否发生混沌的技术指标，即最大李亚普诺夫指数和功率谱，来对光伏系统状态进行判定，若最大李亚普诺夫指数大于1，且功率谱表现为出现噪声背景宽峰的连续谱，则可判定出现混沌，反之则未出现混沌，若系统发生混沌，则发送动作信号给混沌控制器单元，否则，进行正常并网；

③混沌控制器单元利用基于OGY法的微扰法对原有光伏系统电气状态量进行混沌控制，对原有电气量添加微小电气扰动，使得系统可以运行在一条稳定的周期轨道上，将施加控制后的电气状态量提交给检测电路；

④对控制后的系统进行检测，重复步骤②的判定，如对系统判定后不存在混沌，则可以正常并网，且不会对电网造成潜在的稳定性影响。

2.根据权利要求1所述一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统，其特征在于所述DC/DC直流变换单元采用BOOST升压电路结构。

3.根据权利要求1所述一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统，其特征在于所述DC/AC交流变换单元采用双降压式BUCK全桥逆变器电路结构。

4.一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由采样电路单元采集光伏并网发电系统并网前的电气状态量，包括电流、电压、相角信号，并将这些状态量通过DSP控制单元提交给检测电路；

②检测电路通过计算判断是否发生混沌的技术指标，即最大李亚普诺夫指数和功率谱，来对光伏系统状态进行判定，若最大李亚普诺夫指数大于1，且功率谱表现为出现噪声背景宽峰的连续谱，则可判定出现混沌，反之则未出现混沌，若系统发生混沌，则发送动作信号给混沌控制器单元，否则，进行正常并网；

③混沌控制器单元利用基于OGY法的微扰法对原有光伏系统电气状态量进行混沌控制，对原有电气量添加微小电气扰动，使得系统可以运行在一条稳定的周期轨道上，将施加控制后的电气状态量提交给检测电路；

④对控制后的系统进行检测，重复步骤②的判定，如对系统判定后不存在混沌，则可以正常并网，且不会对电网造成潜在的稳定性影响。

5.根据权利要求4所述一种基于DSP的抑制混沌的光伏并网发电系统的工作方法，其特征在于所述步骤③中的微小电气扰动是小幅度的正弦电流信号。