CN102983588A - 一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统 - Google Patents

一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光伏并网逆变器控制技术领域，具体涉及一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，包括光伏阵列模块、DC/DC模块、逆变全桥模块、滤波切换电路模块、采样模块、DSP控制器模块和工频隔离变压器模块。本发明的优点在于逆变全桥模块采用双闭环控制策略，直流母线电压控制外环和并网电流控制内环采用比列积分谐振(PIR)控制器，逆变全桥电路采用SVPWM调制技术，采用DC/DC模块来实现光伏并网逆变系统的最大功率点跟踪(MPPT)，采用工频隔离变压器隔离直流电流分量，减小并网逆变系统对电网用电设备的影响。

Description

一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统
技术领域
本发明属于光伏并网逆变器控制技术领域，具体涉及一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统。
背景技术
在能源日益紧缺和环境严重污染的今天，太阳能的利用备受重视，光伏并网发电因此得到了前所未有的发展。并网逆变器（包括Boost升压电路、逆变全桥电路、DSP控制器和采样电路）作为光伏发电系统与电网的接口设备，是光伏发电系统最为关键的部件，其控制技术成为当今研究的热点之一。目前，光伏并网逆变器广泛采用的是SPWM逆变技术。此方案虽然能够满足太阳能回馈到电网的要求，但由于此技术使用了同步、锁相环(PLL)、SPWM脉冲发生器、低通滤波等诸多模拟环节，使得并网逆变器的控制繁琐，动静态特性较差。这是因为SPWM调制技术主要是靠硬件模拟电路来实现的，而SVPWM调制技术适用于数字化控制系统；同时，由于光伏并网逆变器受到多种非线性因素的影响，如光伏并网逆变器本身的数学模型非线性影响，以及并网逆变器调制时受死区的影响等，直流母线电压含有二次谐波，且输出的并网电流波形畸变较为严重。为了使并网逆变器具有良好的动、静态性能，并且能够输出高质量的电流以降低对电网的影响，现需要设计一套关于光伏并网逆变器的有效优化控制方案成为当今光伏发电行业的迫切需求。 
现有技术对并网系统中二次谐波问题提出了相应的改进，如：申请号为CN200810102070.2，申请日为2008-3-17，名称为“两级并网系统消除中间直流侧二次脉动干扰的方法”的发明，其技术方案为：本发明提供一种两级并网系统消除中间直流侧二次脉动干扰的方法，通过在前级的DC/DC环节加入的二次谐波补偿模块对中间直流环节的二次谐波脉动加以反补偿，消除二次脉动干扰，稳定中间直流电压。但是，上述专利中二次脉动干扰的反馈是通过滤波、计算、采样的方式得到的，而滤波、计算环节带来的繁琐计算和延迟则会影响整个系统的控制精度与动态响应速度，使得消除二次脉动干扰的效果无法达到预期。
发明内容
为了克服上述并网逆变器存在的问题，现在特别提出一种能通过双闭环并网控制策略来实现逆变器单位功率因数运行和输出电流完全正弦的目标的光伏并网逆变器。
为实现上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：包括光伏阵列模块、DC/DC模块、逆变全桥模块、滤波切换电路模块、采样模块、DSP控制器模块和工频隔离变压器模块；
所述光伏阵列模块与DC/DC模块连通，DC/DC模块与逆变全桥模块连通，逆变全桥模块与滤波切换电路模块连通，滤波切换电路模块与工频隔离变压器模块连通，DC/DC模块与工频隔离变压器模块通过采样模块与DSP控制器模块连通，DSP控制器模块分别与逆变全桥模块和DC/DC模块连通；
光伏阵列模块将采集到的太阳能转换成直流电能；基于采样模块采集光伏阵列的电压、电流信号；DSP控制器计算出DC/DC模块的控制信号，将光伏阵列输出的直流电能变换为直流电压源，并实现光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）；基于采样模块从工频隔离变压器所采集到的并网电压、并网电流信号，DSP控制器计算出逆变全桥模块的控制信号来驱动逆变全桥模块运行；滤波切换电路将逆变全桥模块输出的高频SVPWM波经滤波后的正弦基波提供给本地负载，实现独立运行模式，或者经过工频隔离变压器将电能馈入电网，实现并网运行模式。
 
所述逆变全桥模块为IGBT模块，所述逆变全桥模块采用基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的调制算法，生成逆变全桥模块的运行开关信号                                                
Figure 2012104553211100002DEST_PATH_IMAGE001
，驱动逆变全桥模块并网运行。
所述DSP控制器模块为TMS320F28335芯片，实现光伏并网逆变系统的运行模式选择、SVPWM波的产生、并网控制算法的实现、检测参数的处理和保护。
所述DC/DC模块包括一种闭环数字PI控制器，PI控制器的参考值为最大功率跟踪（MPPT）算法所计算出的直流母线电压值，PI控制器的直流母线电压反馈值作为下一级逆变全桥电路的直流母线电压控制外环的参考值。
所述光伏并网逆变系统使用一种新型并网控制算法，所述算法为双闭环控制算法，所述算法由DSP控制器模块实现，用于控制逆变全桥模块，所述算法包括直流母线电压控制外环和并网电流控制内环，直流母线电压外环采用比例积分谐振（PIR）控制器，直流母线电压的给定值与反馈值的偏差经PIR控制器后作为d轴电流控制内环的参考值，其中直流母线电压谐振控制器的输出部分作为d轴电流二次谐波的参考值，相应的q轴电流控制内环的参考值为d轴电流二次谐波的参考值延迟90度后再反相，电流控制内环同样采用比例积分谐振（PIR）控制器来计算相应的控制电压，内环的方法与外环相同。
所述直流母线电压控制外环的原理为保证在三相静止坐标系下，三相正序输出电流不发生畸变现象；在三相电网电压不平衡下，若谐振系数为0，则三相电流平衡，但直流母线电压存在二次谐波，若谐振系数足够大，则直流母线电压中的二次谐波将被抑制，且三相并网电流不平衡度较小。
并网电流控制内环的原理为在d-q坐标系下，PI控制器控制并网电流的正序分量，谐振调节器则对频率为100Hz的2倍频负序电流分量进行放大增益，而对100Hz以外的频率成分进行抑制，从而来对并网电流的负序分量进行调节。
所述比例积分谐振（PIR）控制器的传递函数为：
Figure 432875DEST_PATH_IMAGE002
其中，为比列系数，
Figure 552141DEST_PATH_IMAGE004
为积分系数，为谐振系数，为滤波切换电路的电感，
Figure 2012104553211100002DEST_PATH_IMAGE007
为基波频率。
本发明的优点在于：
1、本发明的逆变全桥模块采用双闭环控制策略，直流母线电压控制外环和并网电流控制内环采用比列积分谐振(PIR)控制器，逆变全桥电路采用SVPWM调制技术，采用DC/DC模块来实现光伏并网逆变系统的最大功率点跟踪(MPPT)，采用工频隔离变压器隔离直流电流分量，减小并网逆变系统对电网用电设备的影响，不需要对二次脉动干扰的反馈进行滤波、计算，而是直接将二次脉动的干扰采样反馈到电压环的比列积分谐振(PIR)控制器来进行抑制，避免了现有技术中滤波、计算环节带来的繁琐计算和延迟，提高了系统控制的精确性能和动态快速响应性能。
2、本系统能适应逆变器馈出电能时的动态特性和强烈的非线性等运行特点，并且同时能够消除直流母线电压、并网电流的二次谐波。
3、逆变全桥电路采用双闭环控制策略能够适应并网逆变系统馈出电能时的动态特性、强烈的非线性等运行特点。
4、逆变全桥电路采用SVPWM调制技术能够完全使并网逆变系统输出电流正弦化且以单位功率因数运行。
5、直流母线电压控制外环和并网电流控制内环采用比列积分谐振(PIR)控制器能够消除直流母线电压和逆变系统输出电流中的二次谐波，能够较好的适应电网电压不平衡工况。
附图说明
图1为光伏并网发电逆变系统的结构图。
图2为逆变全桥模块的直流母线电压控制外环框图。
图3为逆变全桥电路的d轴电流控制内环框图。
图4为逆变全桥电路的q轴电流控制内环框图。
上图中
Figure 392369DEST_PATH_IMAGE008
为比列积分谐振控制器的传递函数，为比列系数，
Figure 260148DEST_PATH_IMAGE004
为积分系数，
Figure 391413DEST_PATH_IMAGE005
为谐振系数，
Figure 778532DEST_PATH_IMAGE006
为滤波切换电路的电感，
Figure 148333DEST_PATH_IMAGE007
为基波频率；
Figure 2012104553211100002DEST_PATH_IMAGE009
为直流母线电压外环的设定值，
Figure 976612DEST_PATH_IMAGE010
为直流母线电压的反馈值；
Figure 2012104553211100002DEST_PATH_IMAGE011
为d轴电流内环的给定值，
Figure 773667DEST_PATH_IMAGE012
为d轴电流内环的反馈值；
Figure 2012104553211100002DEST_PATH_IMAGE013
为q轴电流内环的给定值，
Figure 320186DEST_PATH_IMAGE014
为q轴电流内环的反馈；
Figure 2012104553211100002DEST_PATH_IMAGE015
 为电网电压d轴分量，
Figure 493678DEST_PATH_IMAGE016
为电网电压q轴分量。
图5为并网逆变系统输出的并网电流波形。图5中下部是上部所选中的方框部分的电流波形的放大图。
具体实施方式
实施例1
一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：包括光伏阵列模块、DC/DC模块、逆变全桥模块、滤波切换电路模块、采样模块、DSP控制器模块和工频隔离变压器模块；
所述光伏阵列模块与DC/DC模块连通，DC/DC模块与逆变全桥模块连通，逆变全桥模块与滤波切换电路模块连通，滤波切换电路模块与工频隔离变压器模块连通，DC/DC模块与工频隔离变压器模块通过采样模块与DSP控制器模块连通，DSP控制器模块分别与逆变全桥模块和DC/DC模块连通；
光伏阵列模块将采集到的太阳能转换成直流电能；基于采样模块采集光伏阵列的电压、电流信号；DSP控制器计算出DC/DC模块的控制信号，将光伏阵列输出的直流电能变换为直流电压源，并实现光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）；基于采样模块从工频隔离变压器所采集到的并网电压、并网电流信号，DSP控制器计算出逆变全桥模块的控制信号来驱动逆变全桥模块运行；滤波切换电路将逆变全桥模块输出的高频SVPWM波经滤波后的正弦基波提供给本地负载，实现独立运行模式，或者经过工频隔离变压器将电能馈入电网，实现并网运行模式。
采样模块包括电压/电流采样部分、并网电流采样部分和电网电压采样部分，其中电压/电流采样部分负责对DC/DC模块采样，并网电流采样部分负责对工频隔离变压器模块的采样，电网电压采样部分负责对电网采样。
所述逆变全桥模块为IGBT模块，所述逆变全桥模块采用基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的调制算法，生成逆变全桥模块的运行开关信号
Figure 442043DEST_PATH_IMAGE001
，驱动逆变全桥模块并网运行。
所述DSP控制器模块为TMS320F28335芯片，实现光伏并网逆变系统的运行模式选择、SVPWM波的产生、并网控制算法的实现、检测参数的处理和保护。
所述DC/DC模块包括一种闭环数字PI控制器，PI控制器的参考值为最大功率跟踪（MPPT）算法所计算出的直流母线电压值，PI控制器的直流母线电压反馈值作为下一级逆变全桥电路的直流母线电压控制外环的参考值。
所述光伏并网逆变系统使用一种新型并网控制算法，所述算法为双闭环控制算法，所述算法由DSP控制器模块实现，用于控制逆变全桥模块，所述算法包括直流母线电压控制外环和并网电流控制内环，直流母线电压外环采用比例积分谐振（PIR）控制器，直流母线电压的给定值与反馈值的偏差经PIR控制器后作为d轴电流控制内环的参考值，其中直流母线电压谐振控制器的输出部分作为d轴电流二次谐波的参考值，相应的q轴电流控制内环的参考值为d轴电流二次谐波的参考值延迟90度后再反相，电流控制内环同样采用比例积分谐振（PIR）控制器来计算相应的控制电压，内环的方法与外环相同。
所述直流母线电压控制外环的原理为保证在三相静止坐标系下，三相正序输出电流不发生畸变现象；在三相电网电压不平衡下，若谐振系数为0，则三相电流平衡，但直流母线电压存在二次谐波，若谐振系数足够大，则直流母线电压中的二次谐波将被抑制，且三相并网电流不平衡度较小。
并网电流控制内环的原理为在d-q坐标系下，PI控制器控制并网电流的正序分量，谐振调节器则对频率为100Hz的2倍频负序电流分量进行放大增益，而对100Hz以外的频率成分进行抑制，从而来对并网电流的负序分量进行调节。
所述比例积分谐振（PIR）控制器的传递函数为：
Figure 409999DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 506131DEST_PATH_IMAGE003
为比列系数，为积分系数，
Figure 20606DEST_PATH_IMAGE005
为谐振系数，
Figure 159463DEST_PATH_IMAGE006
为滤波切换电路的电感，
Figure 742891DEST_PATH_IMAGE007
为基波频率。
实施例2
一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：包括光伏阵列模块、DC/DC模块、逆变全桥模块、滤波切换电路模块、采样模块、DSP控制器模块和工频隔离变压器模块；光伏阵列模块与DC/DC模块连通，DC/DC模块与逆变全桥模块连通，逆变全桥模块与滤波切换电路模块连通，滤波切换电路模块与工频隔离变压器模块连通，DC/DC模块与工频隔离变压器模块通过采样模块与DSP控制器模块连通，DSP控制器模块分别与逆变全桥模块和DC/DC模块连通；光伏阵列模块将采集到的太阳能转换成直流电能；基于采样模块采集光伏阵列的电压、电流信号；DSP控制器计算出DC/DC模块的控制信号，将光伏阵列输出的直流电能变换为直流电压源，并实现光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）；基于采样模块从工频隔离变压器所采集到的并网电压、并网电流信号，DSP控制器计算出逆变全桥模块的控制信号来驱动逆变全桥模块运行；滤波切换电路将逆变全桥模块输出的高频SVPWM波经滤波后的正弦基波提供给本地负载，实现独立运行模式，或者经过工频隔离变压器将电能馈入电网，实现并网运行模式。
光伏阵列模块将采集到的太阳能转换成直流电能；该直流电能再流经DC/DC模块（Boost升压电路），DC/DC模块控制变换器不断调整占空比进行最大功率点跟踪(MPPT)，输出不受控的直流母线电压并将其作为后级逆变全桥电路的直流母线电压控制外环的参考值。
直流母线电压进入逆变全桥电路模块，直流母线电压控制外环的比例积分谐振(PIR)控制器为
Figure 2012104553211100002DEST_PATH_IMAGE017
，其中，
Figure 930290DEST_PATH_IMAGE003
为比列系数，
Figure 915563DEST_PATH_IMAGE004
为积分系数，
Figure 163005DEST_PATH_IMAGE005
为谐振系数，
Figure 233729DEST_PATH_IMAGE006
为滤波切换电路的电感，
Figure 287136DEST_PATH_IMAGE007
为基波频率。
将直流母线电压稳定在DC/DC模块电路输出的参考值上，且逆变全桥电路的直流母线电压的参考值与反馈值的偏差经PIR控制器后作为电流控制内环d轴电流的参考值，其中直流母线电压谐振控制器的输出部分作为d轴电流二次谐波的参考值，相应的q轴电流参考值为d轴电流二次谐波的参考值延迟90度后再反相；电流控制内环同样采用比例积分谐振(PIR)控制器，计算出并网逆变器三相控制电压；根据三相控制电压，DSP芯片TMS320F28335计算出六路SVPWM波形的占空比，从而生成逆变全桥电路运行的开关信号来驱动IGBT功率模块。
滤波切换电路既可将逆变全桥电路输出的高频SVPWM波经滤波后的正弦基波提供给本地负载，实现独立运行模式，也可经过工频隔离变压器将电能馈入电网，实现并网运行模式；工频隔离变压器(变比= 1：1)可隔离直流电流分量，并减小并网逆变器对电网用电设备的影响。
基于本发明所设计的光伏并网逆变系统，采用新型的并网控制算法，编写相应的DSP底层程序，并在自主型500KW光伏并网逆变器上进行调试验证。图3显示了在本发明所设计的光伏并网逆变系统中实施新型双闭环并网控制算法后，并网逆变系统的输出电流值为573A，其电流波形完全正弦且以单位功率因数运行。

Claims (8)

1.一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：包括光伏阵列模块、DC/DC模块、逆变全桥模块、滤波切换电路模块、采样模块、DSP控制器模块和工频隔离变压器模块；
所述光伏阵列模块与DC/DC模块连通，DC/DC模块与逆变全桥模块连通，逆变全桥模块与滤波切换电路模块连通，滤波切换电路模块与工频隔离变压器模块连通，DC/DC模块与工频隔离变压器模块通过采样模块与DSP控制器模块连通，DSP控制器模块分别与逆变全桥模块和DC/DC模块连通；
光伏阵列模块将采集到的太阳能转换成直流电能；基于采样模块采集光伏阵列的电压、电流信号；DSP控制器计算出DC/DC模块的控制信号，将光伏阵列输出的直流电能变换为直流电压源，并实现光伏阵列的最大功率点跟踪；基于采样模块从工频隔离变压器所采集到的并网电压、并网电流信号，DSP控制器计算出逆变全桥模块的控制信号来驱动逆变全桥模块运行；滤波切换电路将逆变全桥模块输出的高频SVPWM波经滤波后的正弦基波提供给本地负载，实现独立运行模式，或者经过工频隔离变压器将电能馈入电网，实现并网运行模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：所述逆变全桥模块为IGBT模块，所述逆变全桥模块采用基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的调制算法，生成逆变全桥模块的运行开关信号                                               
Figure 2012104553211100001DEST_PATH_IMAGE002
，驱动逆变全桥模块并网运行。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：所述DSP控制器模块为TMS320F28335芯片，实现光伏并网逆变系统的运行模式选择、SVPWM波的产生、并网控制算法的实现、检测参数的处理和保护。
4.根据权利要求1所述的一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：所述DC/DC模块包括一种闭环数字PI控制器，PI控制器的参考值为最大功率跟踪（MPPT）算法所计算出的直流母线电压值，PI控制器的直流母线电压反馈值作为下一级逆变全桥电路的直流母线电压控制外环的参考值。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：所述光伏并网逆变系统使用一种新型并网控制算法，所述算法为双闭环控制算法，所述算法由DSP控制器模块实现，用于控制逆变全桥模块，所述算法包括直流母线电压控制外环和并网电流控制内环，直流母线电压外环采用比例积分谐振（PIR）控制器，直流母线电压的给定值与反馈值的偏差经PIR控制器后作为d轴电流控制内环的参考值，其中直流母线电压谐振控制器的输出部分作为d轴电流二次谐波的参考值，相应的q轴电流控制内环的参考值为d轴电流二次谐波的参考值延迟90度后再反相，电流控制内环同样采用比例积分谐振（PIR）控制器来计算相应的控制电压，内环的方法与外环相同。
6.根据权利要求5所述的一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：所述直流母线电压控制外环的原理为保证在三相静止坐标系下，三相正序输出电流不发生畸变现象；在三相电网电压不平衡下，若谐振系数为0，则三相电流平衡，但直流母线电压存在二次谐波，若谐振系数足够大，则直流母线电压中的二次谐波将被抑制，且三相并网电流不平衡度较小。
7.根据权利要求6所述的一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：并网电流控制内环的原理为在d-q坐标系下，PI控制器控制并网电流的正序分量，谐振调节器则对频率为100Hz的2倍频负序电流分量进行放大增益，而对100Hz以外的频率成分进行抑制，从而来对并网电流的负序分量进行调节。
8.根据权利要求7所述的一种基于新型并网控制算法的光伏并网逆变系统，其特征在于：所述比例积分谐振（PIR）控制器的传递函数为：
Figure 2012104553211100001DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 2012104553211100001DEST_PATH_IMAGE006
为比列系数，为积分系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为谐振系数，为滤波切换电路的电感，为基波频率。
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