CN103441526A - 一种并网不上网的小型光伏发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于太阳能光伏发电技术领域的一种并网不上网的小型光伏发电系统及其控制方法。该系统包括光伏电池组件、电容、反激变换器、工频逆变器、EMI滤波器、辅助负载、辅助负载断路器、本地负载、并网断路器、电压传感器、电流传感器、驱动模块、控制器。并网前，系统工作于电压跟踪模式，即闭合辅助负载断路器，调节系统输出电压与电网电压的幅值、频率、相位一致，闭合并网断路器完成并网。并网后，断开辅助负载断路器，为保证不对电网输出功率，系统转为负载电流跟踪模式。光伏电池组件输出功率充足时，系统输出电流跟踪本地负载电流；光伏电池组件输出功率不足时，系统工作于最大功率跟踪方式，本地负载所需功率缺额由电网补充。

Description

一种并网不上网的小型光伏发电系统及控制方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，尤其涉及一种小型光伏发电系统及控制方法。

背景技术

随着世界能源需求的快速增长和化石能源的逐渐减少，近年来小型光伏发电系统得到了广泛的应用。现有的运行方式可分为独立运行方式与并网运行方式。独立运行方式即不与电网相连，独立向附近的用户供电。为了保持供电的连续性，系统中需配置蓄电池，成本和维护费用较高，在电网覆盖的地区不易大量推广；并网运行方式即与电网相连，不需要配置蓄电池，直接把能量输送到电网。由于普通并网方式未与本地负载协调，在光照变化较大时容易对电网产生冲击，增大电网末端电压波动。

发明内容

针对以上两种运行方式的缺点，本发明提出一种并网不上网的小型光伏发电系统及控制方法。

该系统与单相电网并联，其特征在于该系统包括光伏电池组件、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、反激变换器、工频逆变器、EMI滤波器、辅助负载R_z、辅助负载断路器K1、本地负载R_L、并网断路器K2、第一电流传感器CT1、第二电流传感器CT2、第三电流传感器CT3、第一电压传感器VT1、第二电压传感器VT2、第三电压传感器VT3、驱动模块、控制器。

光伏电池组件正极与第一电容C1正极连接，光伏电池组件负极接地；

第一电容C1正极与光伏电池组件正极连接，第一电容C1负极接地；

反激变换器输入正端与第一电容C1正极连接，反激变换器输入负端与第一电流传感器CT1一输入端连接；

第一电流传感器CT1一端与反激变换器输入负端连接，第一电流传感器CT1另一端接地，第一电流传感器CT1测量信号输出端与控制器连接；

反激变换器输出正端与工频逆变器输入正端连接，反激变换器输出负端与工频逆变器输入负端连接；

工频逆变器输入正端与反激变换器输出正端连接，工频逆变器输入负端与反激变换器输出负端连接；

工频逆变器输出正端与EMI滤波器一输入端连接，工频逆变器输出负端与EMI滤波器另一输入端连接；

EMI滤波器一输入端与工频逆变器输出正端连接，EMI滤波器另一输入端与工频逆变器输出负端连接；

EMI滤波器一输出端与辅助负载断路器K1一端连接，EMI滤波器另一输出端与辅助负载R_z一端连接；

辅助负载断路器K1一端与EMI滤波器一输出端连接，辅助负载断路器K1另一端与辅助负载R_z连接；

辅助负载R_z一端与EMI滤波器一输出端连接，辅助负载R_z与辅助负载断路器K1一端连接；

第一电压传感器VT1正端与EMI滤波器一输出端连接，第一电压传感器VT1负端与EMI滤波器另一输出端连接，第一电压传感器VT1测量信号输出端与控制器连接；

第二电流传感器CT2一端与EMI滤波器一输出端连接，第二电流传感器CT2另一端与并网断路器一端连接，第二电流传感器CT2测量信号输出端与控制器连接；

并网断路器K2一端与第二电流传感器CT2一端连接，并网断路器K2另一端与单相电网火线接线端连接；

本地负载R_L一端与单相电网火线接线端连接，本地负载R_L另一端与第三电流传感器CT3一端连接；

第三电流传感器CT3一端与本地负载R_L一端连接，第三电流传感器CT3另一端与单相电网零线接线端连接，第三电流传感器CT3测量信号输出端与控制器连接；

第三电压传感器VT3一端与单相电网火线接线端连接，第三电压传感器VT3另一端与单相电网零线接线端连接，第三电压传感器VT3测量信号输出端与控制器连接；

驱动模块分别与反激变换器、工频变换器、控制器连接。

所述反激变换器由变压器TX1、二极管D、第一功率管Q1、第二电容C2组成；

变压器TX1的一输入端与第一功率管Q1的漏极连接，二极管D的输出端与第二电容C2连接，第一功率管Q1的栅极经驱动模块与控制器连接。

所述工频逆变器由第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5组成；

第二功率管Q2的栅极、第三功率管Q3的栅极、第四功率管Q4的栅极、第五功率管Q5的栅极经驱动模块与控制器连接，第二功率管Q2的源极与第四功率管Q4的漏极连接，第二功率管Q2的漏极与第三功率管Q3的漏极连接，第三功率管Q3的源极与第五功率管Q5的漏极连接，第四功率管Q4的源极与第五功率管Q5的源极连接。

所述EMI滤波器由电感L1、第三电容C3组成，电感L1、第三电容C3串联连接。

一种基于上述系统的控制方法，它包括以下步骤：

1）并网前，系统工作于电压跟踪模式，即闭合辅助负载断路器K1，调节系统输出电压与电网电压的幅值、频率、相位一致，然后闭合并网断路器K1完成并网；

2）并网后，断开辅助负载断路器K1，为保证不对电网输出功率，系统工作于负载电流跟踪模式；

3）比较光伏电池组件输出电压与阈值电压的大小，判断光伏电池组件输出功率是否充足，决定系统的输出电流设定值；

当光伏电池组件输出电压不小于阈值电压，光伏电池组件输出功率充足，控制系统输出电流跟踪本地负载电流；

当光伏电池组件输出电压小于阈值电压，光伏电池组件输出功率不足，系统工作于最大功率跟踪方式，本地负载所需功率缺额由电网补充。

在电压跟踪模式中，采用电压瞬时值反馈结合前馈的单闭环PI调节手段，其中前馈调节量D的计算为：

$D=\frac{V_{\mathrm{grid}}}{V_{\mathrm{grid}}+N\·V_{\mathrm{pv}}}$

其中，V_grid为单相电网电压，N为反激变压器原、副边匝比，V_pv为光伏电池组件输出电压。

在电流跟踪模式中，采用电流瞬时值反馈结合前馈的单闭环PI调节手段，并利用遗传算法对电流PI控制器参数进行优化。遗传算法中适应度函数为

$J=-\underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^{\∞}t\left|e_i\left(t\right)\right|\mathrm{dt}$

设G_i(s)为并网电流i_ac与反激变换器PWM占空比d之间在第i个稳态工作点处的传递函数，e_i(t)为G_i(s)的阶跃响应的误差（i=1,…,9)。

本发明具有如下优点：（1）适合于单块光伏电池组件，硬件拓扑采用基于反激变换器的设计思路，具有结构简单、体积小、效率高的优点；（2）采用并网不上网的运行模式，即该系统与单相电网并联运行，但不对电网输出功率，并借助于遗传算法进行控制器参数的优化，可有效减少对电网的影响。

附图说明

图1为本发明系统硬件结构图；

图2为系统等效电路；

图3为电压控制模式框图；

图4为电流控制模式框图；

图5为MPPT算法流程图；

图6为并网前系统运行曲线；

图7为负载电流突变时的系统运行试验曲线；

其中，1）为负载电流突升100%时的系统运行试验曲线；

2）为负载电流突降50%时的系统运行试验曲线；

图8为最大功率跟踪过程试验曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。

图1为本发明系统硬件结构图。该系统包括光伏电池组件、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，反激变换器、工频逆变器、EMI滤波器、辅助负载R_z、辅助负载断路器K1、本地负载R_L、并网断路器K2、第一电流传感器CT1、第二电流传感器CT2、第三电流传感器CT3，第一电压传感器VT1、第二电压传感器VT2、第三电压传感器VT3、驱动模块、控制器。反激变换器由变压器TX1、二极管D、第一功率管Q1、第二电容C2组成；工频逆变器由第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5组成，EMI滤波器由电感L1、第三电容C3组成。

其中，光伏电池组件正极与第一电容C1正极连接，光伏电池组件负极接地；第一电容C1正极与光伏电池组件正极连接，第一电容C1负极接地；第一电压传感器VT1正端接第一电容C1正极，第一电压传感器VT1负端接地，第一电压传感器VT1测量信号输出端接控制器，可测量光伏电池组件电压V_pv；反激变换器输入正端与第一电容C1正极连接，反激变换器输入负端接第一电流传感器CT1一输入端；第一电流传感器CT1一端接反激变换器输入负端，第一电流传感器CT1另外一端接地，第一电流传感器CT1测量信号输出端接控制器，可测量反激变换器原边电流i_m；反激变换器输出正端与工频逆变器输入正端连接，反激变换器输出负端与工频逆变器输入负端连接；工频逆变器输入正端与反激变换器输出正端连接，工频逆变器输入负端与反激变换器输出负端连接；工频逆变器输出正端与EMI滤波器一输入端连接，工频逆变器输出负端与EMI滤波器另一输入端连接；EMI滤波器一输入端与工频逆变器输出正端连接，EMI滤波器另一输入端与工频逆变器输出负端连接，EMI滤波器一输出端与辅助负载断路器K1一端连接，EMI滤波器另一输出端与辅助负载R_Z一端连接；辅助负载断路器K1一端与EMI滤波器一输出端连接，辅助负载断路器K1另一端与辅助负载R_Z一端连接；辅助负载R_Z一端与辅助负载断路器K1一端连接，辅助负载R_Z另一端与EMI滤波器一输出端连接；第二电压传感器VT2正端接EMI滤波器一输出端，第二电压传感器VT2负端接EMI滤波器另一输出端，第二电压传感器VT2测量信号输出端接控制器，可测量系统输出电压V_o；第二电流传感器CT2一端接EMI滤波器一输出端，第二电流传感器CT2另一端接并网断路器K2一端，第二电流传感器CT2测量信号输出端接控制器，可测量系统输出电流i_ac；并网断路器K2一端接第二电流传感器CT2一端，并网断路器K2另一端接单相电网火线接线端；负载R_L一端与单相电网火线接线端连接，负载R_L另一端与第三电流传感器CT3一端连接；第三电流传感器CT3一端与负载R_L一端连接，第三电流传感器CT3另一端与单相电网零线接线端连接，第三电流传感器CT3测量信号输出端接控制器，可测量负载电流i_L；第三电压传感器VT3一端与单相电网火线接线端连接，第三电压传感器VT3另外一端与单相电网零线接线端连接，第三电压传感器VT3测量信号输出端接控制器，可测量电网电压V_grid；反激变换器中的第一功率管Q1的栅极、工频逆变器中的第二功率管Q2的栅极、第三功率管Q3的栅极、第四功率管Q4的栅极、第五功率管Q5的栅极经驱动模块后与控制器连接；反激变换器中的第一功率管Q1的漏极与变压器TX1的一输入端连接，二极管D的输出端与第二电容C2连接；工频逆变器中的第二功率管Q2的源极与第四功率管Q4的漏极连接，第二功率管Q2的漏极与第三功率管Q3的漏极连接，第三功率管Q3的源极与第五功率管Q5的漏极连接，第四功率管Q4的源极与第五功率管Q5的源极连接；EMI滤波器中的电感L1和第三电容C3串联连接。

图2为系统等效电路，为了便于分析，将电网电压V_grid等效为正弦半波。可见，电路中具有电感L_M、电容C_o、电感L_f三个储能元件，所以该系统为三阶系统。取电感L_M的电流i_m、电容C_o的电压V_ac、电感L_f的电流i_ac做为状态变量，则在一个开关周期内，根据基尔霍夫电压、电流定律，可得到一个周期的平均电压、电流方程如下

$V_{\mathrm{LM}}=L_M\frac{d\left(i_m\right)}{d\left(t\right)}=d\·V_{\mathrm{pv}}-d\·i_m(R_{\mathrm{ON}}+R_P)-d^{\′}\left(\frac{V_{\mathrm{ac}}+i_m\·R_s}{N}\right)---\left(1\right)$

$i_s=\frac{i_m}{N}\·d^{\′}---\left(2\right)$

$V_{\mathrm{LF}}=L_f\·\frac{d\left(i_{\mathrm{ac}}\right)}{d\left(t\right)}=V_{\mathrm{ac}}-i_{\mathrm{ac}}\·R_f-V_{\mathrm{grid}}---\left(3\right)$

$i_c=C_o\·\frac{d\left(V_{\mathrm{ac}}\right)}{d\left(t\right)}=i_s-i_{\mathrm{ac}}---\left(4\right)$

V_grid=R_load·i_ac    （5）

i_pv=d·i_m    （6）

其中，d为PWM占空比，d'=1-d，N为反激变压器原、副边匝比，R_on为反激变换器中原边开关管的通态电阻，R_p、R_s分别为反激变换器的原边电阻和副边电阻。设X，U，Y分别是系统的稳态工作点，

是稳态工作点处的扰动量，则有

$x=X+\tilde{x}=\left[\begin{array}{ccc}{I}_m& I_{\mathrm{ac}}& V_{\mathrm{ac}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{\tilde{i}}_m& {\tilde{i}}_{\mathrm{ac}}& {\tilde{v}}_{\mathrm{ac}}\end{array}\right]---\left(7\right)$

$u=U+\tilde{u}=\left[\begin{array}{ccc}D& V_{\mathrm{grid}}& V_{\mathrm{pv}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}\tilde{d}& {\tilde{v}}_{\mathrm{grid}}& {\tilde{v}}_{\mathrm{pv}}\end{array}\right]---\left(8\right)$

$y=Y+\tilde{y}=\left[I_{\mathrm{ac}}\right]+\left[{\tilde{i}}_{\mathrm{ac}}\right]---\left(9\right)$

将式(7)-(9)带入式(1)-(6)，即进行小信号线性化，可得到系统的状态方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{i}}_m\\ {\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{i}}_{\mathrm{ac}}\\ {\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{V}}_{\mathrm{ac}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{R}{L_m}& 0& -\frac{D^{\′}}{L_m\·N}\\ 0& \frac{R_f}{L_f}& \frac{1}{L_f}\\ \frac{D^{\′}}{N\·C_o}& -\frac{1}{C_o}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{i}}_m\\ {\tilde{i}}_{\mathrm{ac}}\\ {\tilde{V}}_{\mathrm{ac}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{k}{L_m}\\ 0\\ -\frac{I_m}{N\·C_o}\end{array}\right]\left[\tilde{d}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{D}{L_m}\\ 0\\ 0\\ \end{array}\right]\left[{\tilde{V}}_{\mathrm{pv}}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{1}{L_f}\\ 0\end{array}\right]\left[{\tilde{V}}_{\mathrm{grid}}\right]---\left(10\right)$

${\tilde{i}}_{\mathrm{ac}}=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{i}}_m\\ {\tilde{i}}_{\mathrm{ac}}\\ {\tilde{V}}_{\mathrm{ac}}\end{array}\right]---\left(11\right)$

其中

D'=1-D

$k=V_{\mathrm{pv}}-I_m(R_{\mathrm{ON}}+R_P)+\frac{V_{\mathrm{ac}}+I_m\·R_s}{N}$

$R=D(R_{\mathrm{ON}}+R_P)+\frac{D^{\′}{R}_s}{N}$

则系统输出电流i_ac和PWM占空比d之间的传递函数为：

$G\left(S\right)=\frac{\frac{k{D}^{\′}-I_{m}R}{L_{m}N{L}_f{C}_o}-\frac{I_m}{L_m{C}_{o}N}s}{s^3+(\frac{R}{L_m}+\frac{R_f}{L_f})s^2+(\frac{{\mathrm{RR}}_f}{L_m{L}_f}+\frac{1}{L_f{C}_o}+\frac{D^{\′2}}{N^2{L}_m{C}_o})s+(\frac{R}{L_m{L}_f{C}_o}+\frac{R_f{D}^{\′2}}{N^2{L}_m{C}_o})}---\left(12\right)$

图3为电压控制模式框图。并网前，系统工作于电压控制模式，需要控制系统输出电压V_o跟踪单相电网电压V_grid的幅值、相位和频率。此时，对于图2，可认为R_load=R_z。由于R_z阻值较大，逆变器输出电流i_ac的峰值较小，采用电压瞬时值反馈的单闭环控制方法，并引入前馈以补偿提高系统的稳定性。

其中前馈调节量D的计算依据反激变换器的输入电压V_pv与输出电压V_ac的关系

$V_{\mathrm{ac}}=\frac{N\·D}{1-D}{V}_{\mathrm{pv}}---\left(13\right)$

得

$D=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{V_{\mathrm{ac}}+N\·V_{\mathrm{pv}}}---\left(14\right)$

由于R_f、L_f较小，V_ac≈V_grid，则有

$D=\frac{V_{\mathrm{grid}}}{V_{\mathrm{grid}}+N\·V_{\mathrm{pv}}}---\left(15\right)$

图4为电流控制模式框图。逆变器并网后，当光伏电池组件输出功率充足时，应控制系统的输出电流i_ac跟踪本地负载电流i_L；当光伏电池组件输出功率不足时，应控制系统工作于最大功率跟踪方式，利用扰动观察法（P&O）得出系统输出电流幅值设定I_ref。根据光伏电池组件的特性，当其最大功率输出能力大于本地负载需求时，若限制其功率输出等于负载所需功率，则输出电压V_pv将上升并稳定至P-V曲线的右侧；当环境发生变化使得其最大功率输出能力小于本地负载需求时，由于光伏电池的第一电容C1较小，保持其功率输出等于负载所需功率将引起输出电压V_pv下降。因此，可通过将V_pv的大小与阈值电压V_min进行比较来判断光伏出力是否充足，从而决定系统的输出电流设定值I_ref。这里的阈值电压V_min由所选光伏电池组件的特性参数决定。

与电压控制模式相似，对系统输出电流的i_ac的控制采用瞬时值反馈结合前馈补偿的调节方式。由式(12)可知，G(s)随着稳态工作点I_m、D以及V_ac的不同而变化。进一步分析，由于D主要由V_grid相位决定，而I_ac又与V_grid同相位，可认为D近似由I_ac的相位决定。而依据反激变换器的原理，近似有

$I_m=\frac{I_{\mathrm{ac}}\·N}{1-D}---\left(16\right)$

即I_m也由I_ac与D决定。因此，可认为G(s)主要随着I_ac的幅值与相位不同而变化。并网运行过程中，对于线性负载，电流i_L为正弦波，幅值变化范围很大，在四分之一周期内将从零变化至峰值。由于逆变器输出电流i_ac需要跟踪负载电流i_L，所以其工作点I_ac的变化范围也比较大，为了提高控制品质，本发明利用遗传算法对PI控制器参数进行优化，使其对I_ac的变化具有鲁棒性。设光伏电池的额定输出功率为P，电网电压有效值为V_grm，I_ac的有效值为I_rms，额定功率输出时的有效值为I_acmax，则有

$I_{\mathrm{ac}\max }\text{=}\frac{P}{V_{\mathrm{grm}}}---\left(16\right)$

本发明取I_rms分别为

相位θ分别为{30°,60°,90°}时共9个不同的稳态工作点进行PI控制器参数的寻优。具体实现步骤如下：

1)编码

本发明采用二进制码表示。PI控制器包括K_p，K_i两个参数，每个参数采用10位无符号二进制码表示，则每个基因编码长度为20。

2)初始群体的产生

首先，根据经验估计出K_p，K_i的取值范围。然后，在此范围内按照均匀分布生成初始种群，以保证遗传算法能够在整个可行参数解范围内进行搜索。

3）计算个体适应度值

适应度函数即优化问题的目标函数，用于对群体中的个体进行适应度计算，以评价个体的性能。设对于第i个稳态工作点，e_i(t)为G(S)的阶跃响应的绝对误差（i=1,…,9)，本发明选取绝对误差的一阶矩型(ITAE)的积分作为性能评价指标，则适应度函数为：

$J=-\underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^{\∞}t\left|e_i\left(t\right)\right|\mathrm{dt}---\left(17\right)$

4)进行遗传操作。进行选择、交叉和变异操作，产生新的种群。

5)计算新种群的适应度，如步骤3)。若满足终止条件，则表示找到最佳参数，否则，回到步骤4)，重新进行新的遗传操作过程，直至满足终止条件。

图5为MPPT算法流程图。本发明采用扰动观察法（P&O）进行最大功率跟踪，考虑到光伏电池P-V曲线在MPP左右斜率的不对称性，在MPP右侧区域内，采用较小的输出电流扰动步长ΔI以保证跟踪精度，在MPP左侧区域内，采用较大的输出电流扰动步长K·ΔI来提高跟踪速度（K>1），以减少光伏电池在低功率输出区的运行时间。

为了进一步验证本发明的有效性，制作了300W系统样机进行试验。其中，光伏电池组件参数为：额定功率P=235W，开路电压V_oc=37V，短路电流I_sc=8.54A，最大功率点电压V_mpp=29.5V，最大功率点电流I_mpp=7.97A；主控制芯片采用dsPIC33系列单片机，反激变压器原、副边匝比1:6，第一功率管Q1作为原边开关管，选用IRF3710，开关频率为120kHz，副边二极管D为C2D05120E，第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5作为全桥逆变部分开关管，选用IPB60R190C6，第一电容C1=12000uF，第二电容C2=0.1uF，第三电容C3=0.47uF，L1=600uH，第一电压传感器VT1、第二电压传感器VT2、第三电压传感器VT3选用LV28-P；第一电流传感器CT1、第二电流传感器CT2、第三电流传感器CT3选用LA25-NP，驱动模块选用MCP14E3，辅助负载R_z=2KΩ，本地负载R_L=400Ω。

图6为并网前系统运行曲线。并网前，闭合辅助负载断路器K1，使系统工作于电压跟踪模式，取电压PI控制器参数K_p=0.1，K_i=100。利用示波器所记录的逆变器输出电压曲线和电网电压曲线，可见系统输出电压V_o的幅值、相位和频率都能够与电网电压V_grid较好的保持一致，满足并网条件，闭合并网断路器K2则可完成并网。

图7为负载电流突变时的系统运行试验曲线。利用Matlab的遗传算法工具箱GA进行电流PI控制器参数的优化，K_p取值范围为[0,1]，K_i取值范围为[0,5000]，群体规模为20，选择操作利用轮盘赌模型，设置交叉概率为0.85，变异概率为0.01，迭代终止条件为J=-0.5，寻优结果为K_p=0.22，K_i=860。并网后，利用优化后获得的电流PI控制器参数分别进行负载电流突升100%与负载电流突降50%试验。经过试验所得图1）为负载电流突升100%时的系统运行试验曲线，图2）为负载电流突降50%时的系统运行试验曲线。可见，两种负载突变情况下系统输出电流i_ac都能够快速的跟踪负载电流i_L，并且稳态时向电网注入的电流i很小，说明利用遗传算法优化后的电流PI控制器参数具有良好的鲁棒性，从而可以减少对电网的影响。

图8为最大功率跟踪过程试验曲线。采用的参数为n=2，ΔI=0.01A，K=2，并利用反激变换器原边电感电流i_m的平均值代替光伏电池输出电流i_pv平均值。初始时刻t=0s时，未进行最大功率跟踪，此时光伏电池输出电压V_pv为32.6V，系统输出电流i_ac有效值为0.35A。当t=0.2s时，开始进行最大功率跟踪，每个扰动周期为0.04s，经过25次扰动之后，在t=1.2s时进入稳态，此时光伏电池输出电压V_pv约为30.2V，系统输出电流i_ac有效值设定在0.57A左右波动，负载所需功率缺额由电网补充。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种并网不上网的小型光伏发电系统，与单相电网并联，其特征在于，该小型光伏发电系统包括光伏电池组件、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、反激变换器、工频逆变器、EMI滤波器、辅助负载R_z、辅助负载断路器K1、本地负载R_L、并网断路器K2、第一电流传感器CT1、第二电流传感器CT2、第三电流传感器CT3、第一电压传感器VT1、第二电压传感器VT2、第三电压传感器VT3、驱动模块、控制器；

光伏电池组件正极与第一电容C1正极连接，光伏电池组件负极接地；

第一电容C1正极与光伏电池组件正极连接，第一电容C1负极接地；

反激变换器输入正端与第一电容C1正极连接，反激变换器输入负端与第一电流传感器CT1一输入端连接；

第一电流传感器CT1一端与反激变换器输入负端连接，第一电流传感器CT1另一端接地，第一电流传感器CT1测量信号输出端与控制器连接；

反激变换器输出正端与工频逆变器输入正端连接，反激变换器输出负端与工频逆变器输入负端连接；

工频逆变器输入正端与反激变换器输出正端连接，工频逆变器输入负端与反激变换器输出负端连接；

工频逆变器输出正端与EMI滤波器一输入端连接，工频逆变器输出负端与EMI滤波器另一输入端连接；

EMI滤波器一输入端与工频逆变器输出正端连接，EMI滤波器另一输入端与工频逆变器输出负端连接；

EMI滤波器一输出端与辅助负载断路器K1一端连接，EMI滤波器另一输出端与辅助负载R_z一端连接；

辅助负载断路器K1一端与EMI滤波器一输出端连接，辅助负载断路器K1另一端与辅助负载R_z连接；

辅助负载R_z一端与EMI滤波器一输出端连接，辅助负载R_z与辅助负载断路器K1一端连接；

第一电压传感器VT1正端与EMI滤波器一输出端连接，第一电压传感器VT1负端与EMI滤波器另一输出端连接，第一电压传感器VT1测量信号输出端与控制器连接；

第二电流传感器CT2一端与EMI滤波器一输出端连接，第二电流传感器CT2另一端与并网断路器一端连接，第二电流传感器CT2测量信号输出端与控制器连接；

并网断路器K2一端与第二电流传感器CT2一端连接，并网断路器K2另一端与单相电网火线接线端连接；

本地负载R_L一端与单相电网火线接线端连接，本地负载R_L另一端与第三电流传感器CT3一端连接；

第三电流传感器CT3一端与本地负载R_L一端连接，第三电流传感器CT3另一端与单相电网零线接线端连接，第三电流传感器CT3测量信号输出端与控制器连接；

第三电压传感器VT3一端与单相电网火线接线端连接，第三电压传感器VT3另一端与单相电网零线接线端连接，第三电压传感器VT3测量信号输出端与控制器连接；

驱动模块分别与反激变换器、工频变换器、控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种并网不上网的小型光伏发电系统，其特征在于，所述反激变换器由变压器TX1、二极管D、第一功率管Q1、第二电容C2组成；

变压器TX1的一输入端与第一功率管Q1的漏极连接，二极管D的输出端与第二电容C2连接，第一功率管Q1的栅极经驱动模块与控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种并网不上网的小型光伏发电系统，其特征在于，所述工频逆变器由第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5组成；

第二功率管Q2的栅极、第三功率管Q3的栅极、第四功率管Q4的栅极、第五功率管Q5的栅极经驱动模块与控制器连接，第二功率管Q2的源极与第四功率管Q4的漏极连接，第二功率管Q2的漏极与第三功率管Q3的漏极连接，第三功率管Q3的源极与第五功率管Q5的漏极连接，第四功率管Q4的源极与第五功率管Q5的源极连接。

4.根据权利要求1所述的一种并网不上网的小型光伏发电系统，其特征在于，所述EMI滤波器由电感L1、第三电容C3组成，电感L1、第三电容C3串联连接。

5.一种基于并网不上网的小型光伏发电系统的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1）并网前，系统工作于电压跟踪模式，即闭合辅助负载断路器K1，调节系统输出电压与电网电压的幅值、频率、相位一致，然后闭合并网断路器K1完成并网；

2）并网后，断开辅助负载断路器K1，为保证不对电网输出功率，系统工作于负载电流跟踪模式；

3）比较光伏电池组件输出电压与阈值电压的大小，判断光伏电池组件输出功率是否充足，决定系统的输出电流设定值；

当光伏电池组件输出电压不小于阈值电压，光伏电池组件输出功率充足，控制系统输出电流跟踪本地负载电流；

当光伏电池组件输出电压小于阈值电压，光伏电池组件输出功率不足，系统工作于最大功率跟踪方式，本地负载所需功率缺额由电网补充。

6.根据权利要求5所述的基于并网不上网的小型光伏发电系统的的控制方法，其特征在于，所述阈值电压由所选光伏电池组件的特性参数决定。

7.根据权利要求5所述的基于并网不上网的小型光伏发电系统的的控制方法，其特征在于，在所述的电压跟踪模式中，采用电压瞬时值反馈结合前馈的单闭环PI调节手段，其中前馈调节量D的计算为：

$D=\frac{V_{\mathrm{grid}}}{V_{\mathrm{grid}}+N\·V_{\mathrm{pv}}}$

其中，V_grid为单相电网电压，N为反激变换器原、副边匝比，V_pv为光伏电池组件输出电压。

8.根据权利要求5所述的的基于并网不上网的小型光伏发电系统的控制方法，其特征在于，在所述的负载电流跟踪模式中，采用电流瞬时值反馈结合前馈的单闭环PI调节手段，并利用遗传算法对PI控制器参数进行优化。

9.如权利要求8所述的基于遗传算法的PI控制器参数优化，其特征在于，遗传算法中适应度函数为

$J=-\underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^{\∞}t\left|e_i\left(t\right)\right|\mathrm{dt}$

设G_i(s)为系统输出电流i_ac与反激变换器PWM占空比d之间在第i个稳态工作点处的传递函数，e_i(t)为G_i(s)的阶跃响应的绝对误差（i=1,…,9)。

Images