CN103515974A - 一种高效稳定双mppt功能的光伏单相并网控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高效稳定双MPPT功能的光伏单相并网控制方法属于光伏发电控制技术领域，其特征在于，采用高速数字信号处理器，应用C语言动态定点算法，形成整个光伏单相并网控制系统高性能高可靠性的控制算法；采用的双级式并网控制结构、双MPPT快速平滑的最大功率点跟踪策略以及并网电流预测无差拍控制算法将多串光伏阵列处于优化运行状态，并使其发出的最大能量通过稳定的双极式结构变换输送到当地电网中；实现多串光伏阵列具有双MPPT最大功率点跟踪以及并网电流预测无差拍控制的同时使光伏并网电流完全与当地单相电压相位一致，功率因数为1，并网电流谐波畸变率低于3％，系统运行安全可靠。

Description

一种高效稳定双MPPT功能的光伏单相并网控制方法

技术领域

本发明涉及一种高效稳定双MPPT功能的光伏单相并网控制方法，属于光伏发电系统控制技术应用领域。

背景技术

开发和利用丰富、广阔的太阳能，对环境不产生和少产生污染，既是近期急需的补充能源，又是未来能源结构的基础。目前对这一洁净能源的利用正快步进入商业化成长期。在这样的前提下，太阳能光伏发电技术的发展和应用已成为世人瞩目的焦点。太阳能发电具有的优点是：无枯竭危险、绝对干净、不受资源分布地域的限制、可在用电处就近发电、能源质量高、建设时间比较短，减少了经济与计划调整风险、易于建立分布式发电系统、高度模块化，可以逐渐增加以便与负载匹配。在能源短缺、环境保护问题日益严重的我国，研究可靠的、效率高的分布式光伏并网发电系统关键技术非常重要，不仅可以兼顾环保的方式提供电能，促进市场向电力经济发展，也可提供更可靠的电能品质。随着研制技术的发展，太阳能发电成本也会随之降底，太阳能光伏单相并网发电系统将会成为住宅和办公用电的一种模式，确保以环保为基础建立优质的生活与环境品质。

目前，市场上的光伏单相并网系统多见所有的光伏阵列通过串并联形成一个直流输出端口与单相光伏并网逆变器的输入端口相连接，只具有一个最大功率点跟踪(MPPT)控制策略，其缺点是要求所有串的光伏阵列特性基本相同，特别是当某串光伏阵列遇到阴影时通过软件算法很难捕捉到整个光伏阵列的实际最大功率点，势必降低整个光伏并网系统的效率，严重时还会造成该串光伏阵列的反并联二极管因过压出现烧坏的现象，从而影响整个系统的正常运行。

该算法的提出确保了户用型多串光伏阵列连接的灵活性，能够克服某串光伏阵列遇到影子现象时与其它串的光伏阵列功率不匹配的问题，能够实现对单相光伏并网逆变电流预测无差拍控制，确保了整个系统能够得到优化，高效率的稳定运行，算法实用可靠，能够确保单相光伏并网系统向电网提供优良的电能品质。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效率、稳定、具有双MPPT功能的双极式光伏单相并网控制方法；自主研发的单相光伏并网控制系统可不必考虑负载的性质，能够对电网起到消峰填谷的作用，利用太阳能发电可节省大量的燃煤、石油，使并入当地电网的电流做到功率因数完全为1；多串光伏阵列可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，克服多串光伏阵列性能功率不匹配的问题，避免影子现象对系统效率的影响，提高了太阳能发电的效率；省略了蓄电池作为储能环节，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。

本发明的特点在于：采用高速数字信号处理器，应用C语言动态定点算法，形成整个光伏单相并网控制系统高性能高可靠性的控制算法；采用的双级式并网控制结构以及双MPPT快速平滑的最大功率点跟踪策略将多串光伏阵列处于优化运行状态，并使其发出的最大能量通过稳定的双极式结构变换输送到本地城市电网中；实现光伏阵列最大功率点跟踪的同时使光伏并网电流完全与市电单相电压相位相同，功率因数为1，并网电流谐波畸变率低于3％，系统运行安全可靠。该方法依次含有以下步骤：

步骤(1)，DSP采集第一串光伏阵列直流输出电压信号U_PV1、电流信号I_pV1，并根据电压、电流信号求得当前时刻k的第一串光伏阵列输出功率，计算当前时刻k的第一串光伏阵列输出功率与前一采样时刻输出功率之差ΔP₁，再计算当前时刻k的第一串光伏阵列输出电压与前一采样时刻电压的差值ΔU₁；

步骤(2)，根据步骤(1)得到的ΔP₁、ΔU₁值，依下列情况置第一串光伏阵列MPPT跟踪方向标志Sign1的值：

若，ΔP₁和ΔU₁同时大于0或小于0，则将跟踪方向标志Sign1置1，

若，ΔP₁和ΔU₁不同时大于0或小于0，则将跟踪方向标志Sign1置-1，

若，ΔP₁或ΔU₁为0，则将跟踪方向标志Sign1置0；

步骤(3)，根据步骤(2)得到的Sign1的值，按下式计算当前时刻k的第一串光伏阵列处于最大功率点处的参考电压U_refl(k)：

U_ref1(k)＝U_ref1(k-1)+Step1×Sign1

Step1为设定的步长值，其值的大小与第一串光伏阵列的开路电压和DSP数据采样保持时间相关；

步骤(4)，DSP采集第二串光伏阵列直流输出电压信号U_PV2、电流信号I_PV2，并根据电压、电流信号求得当前时刻k的第二串光伏阵列输出功率，计算当前时刻k的第二串光伏阵列输出功率与前一采样时刻输出功率之差ΔP₂，再计算当前时刻k的第二串光伏阵列输出电压与前一采样时刻电压的差值ΔU₂；

步骤(5)，根据步骤(4)得到的ΔP₂、ΔU₂值，依下列情况置第二串光伏阵列MPPT跟踪方向标志Sign2的值：

若，ΔP₂和ΔU₂同时大于0或小于0，则将跟踪方向标志Sign2置1，

若，ΔP₂和ΔU₂不同时大于0或小于0，则将跟踪方向标志Sign2置-1，

若，ΔP₂或ΔU₂为0，则将跟踪方向标志Sign2置0；

步骤(6)，根据步骤(5)得到的Sign2的值，按下式计算当前时刻k的第二串光伏阵列处于最大功率点处的参考电压U_ref2(k）：

U_ref2(k)＝U_ref2(k-1)+Step2×Sign2

Step2为设定的步长值，其值的大小与第二串光伏阵列的开路电压和DSP数据采样保持时间相关；

步骤(7)，DSP采集第一串光伏阵列和第二串光伏阵列的boost型升压变换器共同输出端的直流母排电压信号U_DC，并利用步骤(1)得到的U_PV1、步骤(3)得到的U_ref1(k)、步骤(4)得到的U_PV2和步骤(6)得到的U_ref2(k)，按以下步骤进一步求得boost型升压变换器1的功率开关管S₃的占空比D₃和boost型升压变换器2的功率开关管S₄的占空比D₄：

步骤(7.1)，计算 $D_3=\frac{U_{\mathrm{DC}}-U_{\mathrm{ref}1}}{U_{\mathrm{DC}}}-\mathrm{PID}(U_{\mathrm{ref}1}-U_{\mathrm{PV}1});$

步骤(7.2)，计算 $D_4=\frac{U_{\mathrm{DC}}-U_{\mathrm{ref}2}}{U_{\mathrm{DC}}}-\mathrm{PID}(U_{\mathrm{ref}2}-U_{\mathrm{PV}2});$

根据上述得到的D₃和D₄值，通过DSP控制器发出相应的PWM脉冲信号并经相应的驱动电路触发boost型升压变换器1和升压变换器2工作，达到二串光伏阵列都快速运行在其最大功率点，并且使直流母排电压运行稳定的目的；

步骤(8)，DSP采集市电单相电网电压信号u_s，通过锁相环(PLL)设计得到与单相电网电压基波频率相同，相位一致，幅值为1的正弦波信号sin(ω₁t)；

步骤(9)，根据光伏单相并网逆变器所选择的宽范围输入电压值以及单相电网电压的幅值选定合适的直流母排电压运行值U_DCref，并按以下步骤求得光伏单相并网逆变器向电网输出基波电流的最大参考幅值I_ref：

步骤(9.1)，计算ΔU＝U_DC-U_DCref；

步骤(9.2)，把步骤(9.1)得到的ΔU输入到PI调节器，其输出得到光伏单相并网逆变器向电网输出基波电流的最大参考幅值I_ref；

步骤(10)，利用步骤得(9)到的I_ref作为幅值乘以步骤(8)得到的sin(ω₁t）求得单相光伏并网逆变器应当输出的基波电流参考值I_refsin(ω₁t)；

步骤(11)，DSP采集光伏单相并网逆变器输出电流i_O，利用步骤(7)得到的直流母排电压信号U_DC、步骤(8)得到单相电网电压信号u_s、步骤(9)得到的单相光伏并网逆变器输出的基波电流参考值I_refsin(ω₁t)、光伏单相并网逆变器输出所连接的滤波电抗器L值、并网逆变器功率开关管的脉冲调制周期T_s，按下式计算得到光伏单相并网逆变器双桥臂的占空比D值：

$D=[u_s+\frac{L}{T_s}{I}_{\mathrm{ref}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)-\frac{L}{T_s}{i}_o]/U_{\mathrm{DC}};$

步骤(12)，利用步骤(11)得到的光伏单相并网逆变器双桥臂的占空比D值，经过DSP控制器PWM输出端口形成双极型电压调制方式的4路PWM脉冲s₁、

s₂、

信号，通过接口电路驱动光伏单相并网逆变器二个桥臂相应的功率开关器件，从而把光伏阵列发出的最大功率转换为交流输送到本地电网中。

附图说明

图1.具有双MPPT功能的双极式单相光伏并网控制系统结构拓扑图；

具体实施方式

本发明所述的具有高效稳定双MPPT功能的单级式光伏单相并网控制系统以图1具体设计为例进行说明：

1)太阳能光伏阵列：太阳能光伏阵列是单相光伏并网系统的输入，可以根据房屋屋顶结构、朝向不同形成两串独立分离运行，能够使两串光伏阵列都能快速稳定在最大功率点处。

2)Boost型升压变换器：使光伏阵列快速稳定运行在最大功率点处，同时配合后极桥式逆变器使直流母排电压稳定运行在系统设定值。

3)直流母线并联的电容：对直流母线电压起一定的滤波作用。

4)单相二桥臂逆变器：作为直流到交流电能变换环节起着非常关键的作用，通过控制电路形成的4路双极型PWM脉冲驱动单相逆变器相应的4只IGBT功率开关器件，使光伏并网逆变器输出与市电相电压同步的交流电流。

5)滤波电感：对单相逆变器输出电流进行滤波。

6)控制系统：控制系统核心芯片为DSP处理器TMS320F2808，利用其片内AD模块对经过传感电路输送进来的信号进行采样，然后将信号进行复原，根据发明内容中所说明的步骤经过计算得到合适的6路PWM调制波形，生成占空比并由TMS320F2808片内PWM模块形成对应的6路PWM脉冲，通过驱动接口电路接入至相应的IGBT门极驱动电路，实现对Boost型升压变换器和桥式逆变器可靠稳定的控制。

Claims (1)

1.一种高效稳定双MPPT功能的光伏单相并网控制方法，其特征在于，该方法是在数字信号处理器DSP中依以下步骤实现的：

步骤(1)，DSP采集第一串光伏阵列直流输出电压信号U_PV1、电流信号I_PV1，并根据电压、电流信号求得当前时刻k的第一串光伏阵列输出功率，计算当前时刻k的第一串光伏阵列输出功率与前一采样时刻输出功率之差ΔP₁，再计算当前时刻k的第一串光伏阵列输出电压与前一采样时刻电压的差值ΔU₁；

步骤(2)，根据步骤(1)得到的ΔP₁、ΔU₁值，依下列情况置第一串光伏阵列MPPT跟踪方向标志Sign1的值：

若，ΔP₁和ΔU₁同时大于0或小于0，则将跟踪方向标志Sign1置1，

若，ΔP₁和ΔU₁不同时大于0或小于0，则将跟踪方向标志Sign1置-1，

若，ΔP₁或ΔU₁为0，则将跟踪方向标志Sign1置0；

步骤(3)，根据步骤(2)得到的Sign1的值，按下式计算当前时刻k的第一串光伏阵列处于最大功率点处的参考电压U_ref1(k）：

U_ref1(k)＝U_ref1(k-1)+Step1×Sign1

Step1为设定的步长值，其值的大小与第一串光伏阵列的开路电压和DSP数据采样保持时间相关；

步骤(4)，DSP采集第二串光伏阵列直流输出电压信号U_PV2、电流信号I_PV2，并根据电压、电流信号求得当前时刻k的第二串光伏阵列输出功率，计算当前时刻k的第二串光伏阵列输出功率与前一采样时刻输出功率之差ΔP₂，再计算当前时刻k的第二串光伏阵列输出电压与前一采样时刻电压的差值ΔU₂；

步骤(5)，根据步骤(4)得到的ΔP₂、ΔU₂值，依下列情况置第二串光伏阵列MPPT跟踪方向标志Sign2的值：

若，ΔP₂和ΔU₂同时大于0或小于0，则将跟踪方向标志Sign2置1，

若，ΔP₂和ΔU₂不同时大于0或小于0，则将跟踪方向标志Sign2置-1，

若，ΔP₂或ΔU₂为0，则将跟踪方向标志Sign2置0；

步骤(6)，根据步骤(5)得到的Sign2的值，按下式计算当前时刻k的第二串光伏阵列处于最大功率点处的参考电压U_ref2(k)：

U_ref2(k)＝U_ref2(k-1)+Step2×Sign2

Step2为设定的步长值，其值的大小与第二串光伏阵列的开路电压和DSP数据采样保持时间相关；

步骤(7)，DSP采集第一串光伏阵列和第二串光伏阵列的boost型升压变换器共同输出端的直流母排电压信号U_DC，并利用步骤(1)得到的U_PV1、步骤(3)得到的U_ref1(k)、步骤(4)得到的U_PV2和步骤(6)得到的U_ref2(k)，按以下步骤进一步求得boost型升压变换器1的功率开关管S₃的占空比D₃和boost型升压变换器2的功率开关管S₄的占空比D₄：

步骤(7.1)，计算 $D_3=\frac{U_{\mathrm{DC}}-U_{\mathrm{ref}1}}{U_{\mathrm{DC}}}-\mathrm{PID}(U_{\mathrm{ref}1}-U_{\mathrm{PV}1});$

步骤(7.2)，计算 $D_4=\frac{U_{\mathrm{DC}}-U_{\mathrm{ref}2}}{U_{\mathrm{DC}}}-\mathrm{PID}(U_{\mathrm{ref}2}-U_{\mathrm{PV}2});$

根据上述得到的D₃和D₄值，通过DSP控制器发出相应的PWM脉冲信号并经相应的驱动电路触发boost型升压变换器1和升压变换器2工作，达到二串光伏阵列都快速运行在其最大功率点，并且使直流母排电压运行稳定的目的；

步骤(8)，DSP采集市电单相电网电压信号u_s，通过锁相环(PLL)设计得到与单相电网电压基波频率相同，相位一致，幅值为1的正弦波信号sin(ω₁t)；

步骤(9)，根据光伏单相并网逆变器所选择的宽范围输入电压值以及单相电网电压的幅值选定合适的直流母排电压运行值U_DCref，并按以下步骤求得光伏单相并网逆变器向电网输出基波电流的最大参考幅值I_ref：

步骤(9.1)，计算ΔU＝U_DC-U_DCref；

步骤(9.2)，把步骤(9.1)得到的ΔU输入到PI调节器，其输出得到光伏单相并网逆变器向电网输出基波电流的最大参考幅值I_ref；

步骤(10)，利用步骤得(9)到的I_ref作为幅值乘以步骤(8)得到的sin(ω₁t)求得光伏单相并网逆变器应当输出的基波电流参考值I_refsin(ω₁t)；

步骤(11)，DSP采集光伏单相并网逆变器输出电流i_O，利用步骤(7)得到的直流母排电压信号U_DC、步骤(8)得到单相电网电压信号u_s、步骤(9)得到的单相光伏并网逆变器输出的基波电流参考值Irefsin(ω₁t)、光伏单相并网逆变器输出所连接的滤波电抗器L值、并网逆变器功率开关管的脉冲调制周期T_s，按下式计算得到光伏单相并网逆变器双桥臂的占空比D值：

$D=[u_s+\frac{L}{T_s}{I}_{\mathrm{ref}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)-\frac{L}{T_s}{i}_o]/U_{\mathrm{DC}};$

步骤(12)，利用步骤(11)得到的光伏单相并网逆变器双桥臂的占空比D值，经过DSP控制器PWM输出端口形成双极型电压调制方式的4路PWM脉冲S₁、

s₂、

信号，通过接口电路驱动光伏单相并网逆变器二个桥臂相应的功率开关器件，从而使光伏阵列发出的最大功率转换为交流输送到本地电网中。

Images