CN103117557A - 一种组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，所述单相光伏发电系统为两级式结构，包括前级的BOOST升压电路环节和后级的单相全桥逆变电路环节；所述单相全桥逆变电路环节采用双闭环控制策略，外环为直流母线电压环，内环为并网电流环，并引入电网电压前馈控制；所述BOOST升压电路环节实现将光伏电池模块的电压上升到直流母线电压参考值，同时实现最大功率点跟踪；所述单相全桥逆变电路环节实现直流母线电压的稳定以及系统输出电流与电网电压的同频同相。本发明提供的组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，具有稳定性能优异、动态响应灵敏、低次谐波含量低、抗干扰能力强、鲁棒性好、可靠性高等优点。

Description

一种组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法

技术领域

本发明涉及一种单相两级式光伏发电系统中并网电流的控制技术，属于光伏发电控制领域。

背景技术

当今社会，不可再生能源的日益紧缺以及环境污染的日益加剧，使得太阳能等可再生能源的利用受到了政府和社会各界的强烈关注，光伏发电技术也因此得到了快速的发展。并网电流控制技术是光伏发电涉及的主要技术之一。

目前常用的电流控制技术包括：PI控制、滞环控制、无差拍控制、比例谐振（Proportional resonant，简称PR）控制、重复（Repetitive control，简称RC）控制和谐波补偿（Harmonic compensation，简称HC）控制等，还有一些基于上述控制方法的改进技术。PI控制技术实现简单，参数易整定，并不过分依赖系统元件参数，鲁棒性好，可靠性高，是目前使用最为广泛的控制技术之一；但是，由于其产生的是正弦变量，理论上仍然是一个有差调节系统，无法真正实现无静差跟踪。无差拍控制是一种数字化PWM控制技术，动态性能好，并且控制过程中不会产生过冲现象；但是无差拍控制技术对系统元件参数要求较高，参数不准确或者出现波动都会对系统的稳定运行带来极大的影响，瞬态超调量较大。比例谐振控制技术实现简单，鲁棒性好，不依赖系统元件参数，理论上可以实现对并网电流的零误差调节，其在谐振频率处增益无穷大，而在非谐振频率处增益很小，当电网频率发生偏移时，不能有效抑制电网引起的谐波；因此，在实际工程应用中，采用一种准比例谐振控制技术，既能保持PR控制的高增益，又能降低电网频率偏移对并网电流的影响。重复控制技术控制算法简单，只需对输出电压进行采样，就能使逆变器在周期性扰动下获得较低THD的稳态输出波形，稳态性能优异；但由于在重复控制器内存在着基波周期延迟环节，输出是逐周期进行调节的；在负载阶跃变化的第一个基波周期内，重复控制器不产生任何调节作用，近乎处于开环状态，动态响应较差；此外，若扰动是非周期性的，重复控制将增大输出电压的误差。谐波补偿控制是对电流波形中特定次数的谐波进行补偿的技术，能够有效地降低光伏发电系统并网电流中的低次谐波。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，对单相两级式光伏并网发电系统的电流进行控制，具有稳定性能优异、动态响应灵敏、低次谐波含量低、抗干扰能力强、鲁棒性好、可靠性高等优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，所述单相光伏发电系统为两级式结构，包括前级的BOOST升压电路环节和后级的单相全桥逆变电路环节；所述单相全桥逆变电路环节采用双闭环控制策略，外环为直流母线电压环，内环为并网电流环，并引入电网电压前馈控制；所述BOOST升压电路环节实现将光伏电池模块的电压上升到直流母线电压参考值，同时实现最大功率点跟踪；所述单相全桥逆变电路环节实现直流母线电压的稳定以及系统输出电流与电网电压的同频同相；所述电流内环控制采用将重复控制、准比例谐振控制和谐波补偿控制相结合的复合电流控制；所述控制方法包括如下步骤：

（1）光伏发电系统并网运行时，采集光伏电池阵列实际输出的电池电压U_PV、电池电流I_PV信号，并通过MPPT（最大功率点跟踪）控制环节产生参考电压U_PVref，然后将参考电压U_PVref与电池电压U_PV相减，获得的差值依次经过调节器1和PWM发生器后产生驱动信号，以控制BOOST升压电路运行；

（2）采集直流母线电压U_dc信号，将参考电压U_PVref与直流母线电压U_dc相减，获得的差值经过调节器2产生参考电流的幅值I_amref；

（3）利用锁相环获取电网的相位信号，获得的相位信号与参考电流的幅值I_amref相乘后产生并网参考电流I_ref信号，将并网参考电流I_ref与实际的电网电流I_g相减，获得的差值经过调节器3产生V_conref信号；

（4）采集电网电压U_g信号，将电网电压U_g乘以系数K后与V_conref信号相加，获得驱动信号V_con驱动单相全桥逆变电路工作。

优选的，所述MPPT控制环节采用将短路电流法和电导增量法相结合的MPPT控制策略。

优选的，所述调节器1采用PI调节控制。

优选的，所述调节器2采用PI调节控制。

优选的，所述调节器3采用重复控制、准比例谐振控制和谐波补偿控制的复合控制。

有益效果：本发明提供的组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，与现有技术相比，具有如下优势：1）鲁棒性好，不依赖系统元件参数；2）可靠性高；3）稳态性能优异，包含有重复控制技术，能够通过对误差的周期性补偿，实现稳态的无静差跟踪；4）动态响应灵敏，包含有准比例谐振控制技术，基于内模原理具有良好的动态响应性能；5）低次谐波含量低，包含有谐波补偿控制技术，能够大大降低电流波形中3、5、7、9、11等低次谐波，对波形的优化具有十分重要的作用；6）抗干扰能力强，引入了电网电压前馈控制，大大降低了电网电压扰动对系统稳定运行造成的影响，提高了系统的抗干扰能力。

附图说明

图1为单相两级式光伏并网发电系统拓扑结构；

图2为单相两级式光伏并网发电系统控制框图；

图3为电流环控制流程图；

图4为采用本发明方法的电流内环控制方案；

图5为采用重复控制得到的电流波形；

图6为采用准比例谐振和谐波补偿控制得到的电流波形；

图7为采用本发明得到的电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，如图1所示，所述单相光伏发电系统为两级式结构，包括前级的BOOST升压电路环节和后级的单相全桥逆变电路环节；所述单相全桥逆变电路环节采用双闭环控制策略，外环为直流母线电压环，内环为并网电流环，采用电网电压前馈控制；所述BOOST升压电路环节实现将光伏电池模块的电压上升到直流母线电压参考值，同时实现最大功率点跟踪；所述单相全桥逆变电路环节实现直流母线电压的稳定以及系统输出电流与电网电压的同频同相；所述电流内环控制采用将重复控制、准比例谐振控制和谐波补偿控制相结合的复合电流控制；该案，将前后两级的控制功能互相分开，使得控制策略实现了解耦控制。

图2给出了系统的整体控制方案，该案的控制方法包括如下步骤：

（1）光伏发电系统并网运行时，采集光伏电池阵列实际输出的电池电压U_PV、电池电流I_PV信号，并通过MPPT（最大功率点跟踪）控制环节产生参考电压U_PVref，然后将参考电压U_PVref与电池电压U_PV相减，获得的差值依次经过调节器1和PWM发生器后产生驱动信号，以控制BOOST升压电路运行；

（2）采集直流母线电压U_dc信号，将参考电压U_PVref与直流母线电压U_dc相减，获得的差值经过调节器2产生参考电流的幅值I_amref；

（3）利用锁相环获取电网的相位信号，获得的相位信号与参考电流的幅值I_amref相乘后产生并网参考电流I_ref信号，将并网参考电流I_ref与实际的电网电流I_g相减，获得的差值经过调节器3产生V_conref信号；

（4）采集电网电压U_g信号，将电网电压U_g乘以系数K后与V_conref信号相加，获得驱动信号V_con驱动单相全桥逆变电路工作。

所述MPPT控制环节采用短路电流法和电导增量法相结合的方法，这样既能够保证跟踪的快速性，同时也能够提高跟踪的精度。所述调节器1采用PI调节控制。

所述单相全桥逆变电路环节中，引入了电网电压前馈控制，该控制技术可以从理论上消除电网电压波动对系统的影响。其理论依据为：由于逆变器开关频率为10KHz，远高于电网频率，为了便于分析，可忽略其对系统的影响，将PWM逆变单元看作一个增益环节K_PWM；图3给出了并网电流环的控制流程，由图可知，要消除电压的影响，需要满足如下数学关系式：

U_g·K·K_PWM-U_g=0       （1）式中，U_g为电网电压，K值应取为K=1/K_PWM，由此可以从理论上消除电网波动对系统产生的影响。所述调节器2采用PI调节控制。

所述调节器3采用结合重复控制、准比例谐振控制和谐波补偿控制的复合控制，具体方案如图4所示；电流误差信号同时经过重复控制、准比例谐振控制和谐波补偿控制后，再将各自的输出结果相加，就能够得到最后的驱动信号。其中，准比例谐振控制是基于比例谐振控制优化而来的，其理论依据是：比例谐振控制是基于内模原理的一种控制技术，借助对传递函数的分析：

$G\left(S\right)=K_P+\frac{{2K}_{R}S}{S^2+{\mathrm{\ω}}^2}---\left(2\right)$

其中，K_P为比例系数，K_R为谐振系数，ω为谐振频率；由式（2）可知，其在谐振频率处增益无穷大，而在非谐振频率处增益很小；但在实际系统中，当电网频率偏移时，不能有效抑制电网引起的谐波。因此，在实际工程应用中，采用一种准比例谐振控制技术，其公式如式下：

$G\left(S\right)=K_P+\frac{{2K}_R{\mathrm{\ω}}_{C}S}{S^2+{2\mathrm{\ω}}_{C}S+{{\mathrm{\ω}}_O}^2}---\left(3\right)$

其中，K_P为比例系数，K_R为谐振系数，ω₀为谐振频率，ω_C为谐振频率附加项；由式（3）可知，采用准比例谐振控制，既能够保持比例谐振控制的高增益，又能够降低电网频率偏移对并网电流的影响。

所述谐波补偿控制作为准比例谐振控制的辅助控制，其传递函数如下：

$G_{\mathrm{HC}}\left(S\right)=\underset{h=\mathrm{3,5,7,9}\·\·\·\·\·\·}{\mathrm{\Σ}}\frac{2K_{\mathrm{RH}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ch}}S}{S^2+{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ch}}S+{\left({\mathrm{h\ω}}_0\right)}^2}---\left(4\right)$

其中，K_RH为h次谐波对应的谐振系数，ω_ch为h次谐波对应的谐振频率附加项，hω₀为h次谐波对应的谐振频率；由式（4）可知，引入的谐波补偿控制能够明显降低3、5、7、9等低次谐波对波形的影响。

所述重复控制是基于控制理论中的内模原理，其传递函数如下：

$G_{\mathrm{RC}}\left(S\right)=\frac{\mathrm{\ω}}{S^2+{\mathrm{\ω}}^2}---\left(5\right)$

其中，ω为谐振频率；由式（5）可知，引入的重复控制能够实现电流的无静差控制。

如上述分析，K值应取为K=1/K_PWM，该值根据系统运行电压等级的不同而有所差异。

该案将重复控制技术、准比例谐振技术、谐波补偿技术以并联的方式结合起来，并引入电网电压前馈技术，优势互补，既体现了重复控制优异的稳态性能，又体现了准比例谐振控制突出的动态性能，同时利用谐波补偿技术大大降低低次谐波对输出电流的影响，再加上引入电网电压前馈技术，明显减少电网电压扰动对系统造成的影响。下面将结合具体实例说明本案的优越性。

光伏并网发电系统采用重复控制，得到的波形如图5所示，其THD（总谐波失真度）为10%；使用带有谐波补偿功能的准比例谐振控制，得到的波形如图6所示，其THD为3.3%；采用本案方法得到的波形如图7所示，其THD为1.7%。由三者的对比结果可以得出，对于波形的优化，THD的降低，本发明方法具有明显的优势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，其特征在于：

所述单相光伏发电系统为两级式结构，包括前级的BOOST升压电路环节和后级的单相全桥逆变电路环节；所述单相全桥逆变电路环节采用双闭环控制策略，外环为直流母线电压环，内环为并网电流环，并引入电网电压前馈控制；所述BOOST升压电路环节实现将光伏电池模块的电压上升到直流母线电压参考值，同时实现最大功率点跟踪；所述单相全桥逆变电路环节实现直流母线电压的稳定以及系统输出电流与电网电压的同频同相；所述电流内环控制采用将重复控制、准比例谐振控制和谐波补偿控制相结合的复合电流控制；

所述控制方法包括如下步骤：

（1）光伏发电系统并网运行时，采集光伏电池阵列实际输出的电池电压U_PV、电池电流I_PV信号，并通过MPPT控制环节产生参考电压U_PVref，然后将参考电压U_PVref与电池电压U_PV相减，获得的差值依次经过调节器1和PWM发生器后产生驱动信号，以控制BOOST升压电路运行；

（2）采集直流母线电压U_dc信号，将参考电压U_PVref与直流母线电压U_dc相减，获得的差值经过调节器2产生参考电流的幅值I_amref；

（3）利用锁相环获取电网的相位信号，获得的相位信号与参考电流的幅值I_amref相乘后产生并网参考电流I_ref信号，将并网参考电流I_ref与实际的电网电流I_g相减，获得的差值经过调节器3产生V_conref信号；

（4）采集电网电压U_g信号，将电网电压U_g乘以系数K后与V_conref信号相加，获得驱动信号V_con驱动单相全桥逆变电路工作。

2.根据权利要求1所述的组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，其特征在于：所述MPPT控制环节采用将短路电流法和电导增量法相结合的MPPT控制策略。

3.根据权利要求1所述的组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，其特征在于：所述调节器1采用PI调节控制。

4.根据权利要求1所述的组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，其特征在于：所述调节器2采用PI调节控制。

5.根据权利要求1所述的组合式单相两级光伏发电系统并网电流控制方法，其特征在于：所述调节器3采用重复控制、准比例谐振控制和谐波补偿控制的复合控制。

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