CN104078976B - 一种光伏系统并网电流的谐波抑制方法、装置及光伏系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光伏系统并网电流的谐波抑制方法、装置及光伏系统,其中方法包括:获取光伏阵列的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号,将直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值减去补偿电压信号得到补偿后电压信号,并将其输入比例积分PI控制器以获取给定并网电流幅值,再确定并网电流给定值,并将其与实际并网电流值的偏差信号送入比例谐振PR控制器,并将所述PR控制器输出的信号经过脉冲宽度调制产生SPWM脉冲信号,以控制光伏系统中的逆变器。本申请通过添加补偿电压,将直流母线给定电压与实际电压的差值中的交流分量去除,实现了并网电流谐波抑制。
Description
技术领域
本申请涉及光伏系统技术领域,更具体地说,涉及一种光伏系统并网电流谐波抑制方法、装置及光伏系统。
背景技术
随着常规能源的枯竭,太阳能作为一种新型的绿色可再生能源,受到国内外的广泛关注。在多种拓扑结构中,两级式光伏逆变器能够满足不同的输入电压且控制也较为简单,在实际应用中最为广泛。
传统的两级式系统中直流母线处并联大容量电容,为前级与后级提供功率解耦。在正常情况下,前级DC/DC变换器工作于最大功率点跟踪模式,从光伏电池板获取最大功率输入,而后级DC/AC逆变器输出电压和电流均为工频,因此输出瞬时功率含有两倍频的交流变量。光伏阵列最大输入功率与瞬时并网功率之间的功率差值通过母线电容充放电实现动态平衡,母线电压不可避免存在两倍频交流分量扰动。当后级DC/AC逆变环节采用传统母线电压外环、并网电流内环的双闭环控制策略时,实际母线电压与电压给定的偏差值经PI调节器输出作为并网电流的幅值,使得给定并网电流的幅值同样含有两倍频交流分量,这就会导致并网电流存在一定比例的三次谐波,造成谐波污染。
发明内容
有鉴于此,本申请提供了一种光伏系统并网电流谐波抑制方法、装置及光伏系统,用于在不改变现有系统拓扑结构的情况下,减少并网电流的谐波。
为了实现上述目的,现提出的方案如下:
一种光伏系统并网电流的谐波抑制方法,包括:
获取光伏阵列输出的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号;
将直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值减去所述补偿电压信号得到补偿后电压信号;
将所述补偿后电压信号输入比例积分PI控制器以获取给定并网电流幅值;
利用所述电网电压的角频率和初始相位以及所述给定并网电流幅值,确定并网电流给定值;
将所述并网电流给定值与实时获取的实际并网电流值的偏差信号送入比例谐振PR控制器,并将所述PR控制器输出的信号经过脉冲宽度调制产生SPWM脉冲信号,所述SPWM脉冲信号用于控制光伏系统中的逆变器。
优选地,所述预设算法为:
其中,vripple为补偿电压,Ppv=VPV×IPV,VPV为光伏阵列输出的电压,IPV为光伏阵列输出的电流,Ppv为光伏阵列的输入功率,ω和θ分别为电网电压的角频率和初始相位,Udc为直流母线电压的直流分量,Cdc为直流母线上的电容。
一种光伏系统并网电流的谐波抑制装置,用于控制光伏系统中的逆变器,包括:
电压补偿装置,用于接收光伏阵列输出的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号;
第一加法器,用于计算直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值;
第二加法器,用于将所述第一加法器输出的差值信号减去所述补偿电压信号,并输出补偿后电压信号;
PI控制器,用于处理所述补偿后电压信号,并输出给定并网电流幅值;
第一乘法器,用于利用所述电网电压的角频率和初始相位以及所述给定并网电流幅值,计算出并网电流给定值;
第三加法器,用于计算所述并网电流给定值与实时获取的实际并网电流值的偏差信号;
PR控制器,用于处理所述第三加法器输出的所述偏差信号;
脉宽调整模块,用于对所述PR控制器输出的信号进行脉宽调制,生成脉冲宽度调制SPWM信号,以控制光伏系统中的逆变器。
优选地,所述预设算法为:
其中,vripple为补偿电压,Ppv=VPV×IPV,VPV为光伏阵列输出的电压,IPV为光伏阵列输出的电流,Ppv为光伏阵列的输入功率,ω和θ分别为电网电压的角频率和初始相位,Udc为直流母线电压的直流分量,Cdc为直流母线上的电容。
一种光伏系统,包括上述所述的谐波抑制装置,还包括:
光伏阵列,用于将太阳能转换为电能,并输出电压和电流;
设置在直流母线上的电容,以及与所述直流母线相连的DC-DC变换器和逆变器;
太阳能控制器,用于接收光伏阵列输出的电压和电流,产生脉冲宽度调制PWM信号来驱动所述DC-DC变换器中的全控器件;
滤波器,用于对所述逆变器输出的电流进行滤波处理;
锁相环,与所述电网连接,用于检测电网的电压角频率和初始相位;
所述谐波抑制装置通过与所述直流母线相连来获取直流母线的电压信号,所述谐波抑制装置通过与所述锁相环相连来获取电网电压角频率和初始相位,所述谐波抑制装置的信号输出端与所述逆变器相连。
优选地,所述DC-DC变换器为升压型Boost变换器。
优选地,所述太阳能控制器为最大功率点跟踪MPPT控制器。
优选地,所述逆变器为H桥逆变器。
优选地,所述滤波器为LCL滤波器。
优选地,所述锁相环为模拟锁相环。
从上述的技术方案可以看出,本申请实施例提供的光伏系统并网电流的谐波抑制方法,通过获取光伏阵列输出的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号,将直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值减去所述补偿电压信号得到补偿后电压信号,将所述补偿后电压信号输入比例积分PI控制器以获取给定并网电流幅值,利用所述电网电压的角频率和初始相位以及所述给定并网电流幅值,确定并网电流给定值,将所述并网电流给定值与实时获取的实际并网电流值的偏差信号送入比例谐振PR控制器,并将所述PR控制器输出的信号经过脉冲宽度调制产生SPWM脉冲信号,所述SPWM脉冲信号用于控制光伏系统中的逆变器。本申请在不改变原有系统拓扑结构的情况下,通过添加补偿电压,将直流母线给定电压与实际电压的差值中的交流分量去除,实现了并网电流谐波抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种光伏系统并网电流的谐波抑制方法流程图;
图2为现有的双闭环控制结构示意图;
图3为本申请实施例公开的一种光伏系统并网电流的谐波抑制装置结构示意图;
图4为本申请实施例公开的一种光伏系统结构示意图;
图5为采用传统策略时给定并网电流幅值Iinv *曲线图;
图6为采用传统策略时对并网电流进行FFT分析的示意图;
图7为采用本申请的方法时给定并网电流幅值以及电压补偿前后扰动量对比图;
图8为采用本申请方法时对并网电流进行FFT分析的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请实施例公开了一种光伏系统并网电流的谐波抑制方法,参见图1。
谐波抑制方法包括:
步骤100:获取光伏阵列输出的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号;
步骤110:将直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值减去所述补偿电压信号得到补偿后电压信号;
具体地,传统的方式并没有添加补偿电压这一过程,其直接求解直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值。但是,该差值中包含有两倍频的交流分量,从而产生谐波污染。
步骤120:将所述补偿后电压信号输入比例积分PI控制器以获取给定并网电流幅值;
其中,PI控制器为(proportional integral controller)比例调节和积分调节控制器。
步骤130:利用所述电网电压的角频率和初始相位以及所述给定并网电流幅值,确定并网电流给定值;
步骤140:将所述并网电流给定值与实时获取的实际并网电流值的偏差信号送入比例谐振PR控制器,并将所述PR控制器输出的信号经过脉冲宽度调制产生SPWM脉冲信号。
其中,PR控制器为(Proportional Resonant)比例谐振控制器。
其中,所述SPWM脉冲信号用于控制光伏系统中的逆变器。PWM为Sinusoidal PWM的缩写,就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式,脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列,这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等,比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出,在变频器领域被广泛的采用。
本申请实施例提供的光伏系统并网电流的谐波抑制方法,通过获取光伏阵列输出的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号,将直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值减去所述补偿电压信号得到补偿后电压信号,将所述补偿后电压信号输入比例积分PI控制器以获取给定并网电流幅值,利用所述电网电压的角频率和初始相位以及所述给定并网电流幅值,确定并网电流给定值,将所述并网电流给定值与实时获取的实际并网电流值的偏差信号送入比例谐振PR控制器,并将所述PR控制器输出的信号经过脉冲宽度调制产生SPWM脉冲信号,所述SPWM脉冲信号用于控制光伏系统中的逆变器。本申请在不改变原有系统拓扑结构的情况下,通过添加补偿电压,将直流母线给定电压与实际电压的差值中的交流分量去除,实现了并网电流谐波抑制。
需要解释的是,为了确定补偿电压的大小,我们进行了下述求解过程:
当并网逆变器工作于单位功率因数条件下,电网电压和并网电流分别表示为e和iinv,不失一般性记为e=Ugsin(ωt+θ),iinv=Iinvsin(ωt+θ)(Ug和Iinv分别为电网电压和并网电流幅值、ω和θ分别是电网电压角频率和初始相位),逆变器瞬时输出功率 在光伏系统的输入侧,光伏阵列输出电压和电流分别记作VPV和IPV,输入功率记作Ppv=VPV×IPV。当不考虑系统能量损耗时,逆变器周期平均输出功率与光伏阵列输入功率相等,即直流母线Cdc电容实现前、后级功率解耦,光伏阵列最大输入功率与瞬时并网功率之间的功率差值(两倍频交流分量)通过母线电容充放电实现动态平衡, 记直流母线电压udc的直流分量为Udc,交流分量vdc=udc-Udc,且满足vdc<<Udc,故 代入母线电容充放电平衡表达式,可得 因此母线电压存在两倍频交流分量扰动。
当后级逆变环节采用传统双闭环控制策略时如图2所示,并网电流幅值中会存在两倍频交流分量(幅值记为I2)。记并网电流幅值Iinv *=Iinv+I2sin[2(ωt+θ)],因此实际给定并网电流iinv *=Iinv *sin(ωt+θ),代入得 从而引入三次谐波。
根据上述的计算可知,为了消除三次谐波,我们可以在直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值中增添电压补偿信号,而补偿电压如上文的公式:
本申请还公开了一种光伏系统并网电流的谐波抑制装置,用于控制光伏系统中的逆变器,参见图3,图3为光伏系统并网电流的谐波抑制装置结构示意图。
如图3所述,该谐波抑制装置3包括:
电压补偿装置31,用于接收光伏阵列输出的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号;
第一加法器32,用于计算直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值;
其中,直流母线给定电压信号用Udc *表示,实际直流母线电压信号用udc表示。二者经过第一加法器32后得到差值Δudc。
第二加法器33,用于将所述第一加法器输出的差值信号减去所述补偿电压信号,并输出补偿后电压信号;
其中,电压补偿装置输出的补偿电压信号vripple与Δudc进入第二加法器33,得到补偿后电压信号。
PI控制器34,用于处理所述补偿后电压信号,并输出给定并网电流幅值;
这里,给定并网电流幅值可以用Iinv *来表示。
第一乘法器35,用于利用所述电网电压的角频率和初始相位以及所述给定并网电流幅值,计算出并网电流给定值;
具体地,我们知道了给定并网电流幅值Iinv *以及通过锁相环得到的电网电压的角频率ω和初始相位θ,即可相乘得到并网电流给定值iinv *,iinv *=Iinv *sin(ωt+θ)。
第三加法器36,用于计算所述并网电流给定值与实时获取的实际并网电流值的偏差信号;
其中,实际并网电流值可以用iinv表示。
PR控制器37,用于处理所述第三加法器36输出的所述偏差信号;
脉宽调整模块38,用于对所述PR控制器37输出的信号进行脉宽调制,生成脉冲宽度调制SPWM信号,以控制光伏系统中的逆变器。
上述提到的生成补偿电压所使用的预设算法与上一实施例中相同,为
其中,vripple为补偿电压,Ppv=VPV×IPV,VPV为光伏阵列输出的电压,IPV为光伏阵列输出的电流,Ppv为光伏阵列的输入功率,ω和θ分别为电网电压的角频率和初始相位,Udc为直流母线电压的直流分量,Cdc为直流母线上的电容。
本申请实施例还公开了一种光伏系统,包括上述所述的谐波抑制装置,其结构可以参见图4所示,图4为本申请实施例公开的一种光伏系统结构示意图。
该光伏系统包括:
光伏阵列41,用于将太阳能转换为电能,并输出电压和电流;
设置在直流母线上的电容Cdc,以及与所述直流母线相连的DC-DC变换器42和逆变器43;
太阳能控制器44,用于接收光伏阵列41输出的电压和电流,产生脉冲宽度调制PWM信号来驱动所述DC-DC变换器42中的全控器件;
滤波器45,用于对所述逆变器43输出的电流进行滤波处理;
锁相环46,与所述电网连接,用于检测电网的电压角频率和初始相位;
所述谐波抑制装置3通过与所述直流母线相连来获取直流母线的电压信号,所述谐波抑制装置3通过与所述锁相环46相连来获取电网电压角频率和初始相位,所述谐波抑制装置3的信号输出端与所述逆变器43相连。
经过谐波抑制装置3输出的脉宽调制信号发送给逆变器43的逆变桥臂。
其中,所述DC-DC变换器可以选用升压型Boost变换器。所述太阳能控制器可以选用最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制器。所述逆变器可以选用H桥逆变器。所述滤波器选用LCL滤波器。所述锁相环选用模拟锁相环。
下面通过实验来对比本申请的方法与传统方法的区别:
参见图5,图5为采用传统策略时给定并网电流幅值Iinv *曲线图。由图5可知,给定幅值存在较明显的两倍频交流量,从15.8A到16.8A之间周期性扰动。采用此给定幅值并网,并网电流中三次谐波分量最为明显。图6为采用传统策略时对并网电流进行FFT分析的示意图。其中,三次谐波分量占基波幅值的比重远远高于其他谐波,总谐波畸变率THD=1.48%。
再看本申请,参见图7,图7为采用本申请的方法时给定并网电流幅值以及电压补偿前后扰动量对比图。由图可见,增加电压补偿装置后的偏差输出Δu'与未补偿之前的偏差Δudc相比,两倍频扰动被明显抵消,从而大大降低了并网电流幅值Iinv *中的两倍频扰动。进一步参见图8,图8为采用本申请方法时对并网电流进行FFT分析的示意图。对比图6可见,采用本申请的方法并网电流中三次谐波分量占基波幅值的比重降至原先的1/10以下,总谐波畸变率THD=0.91%。
因此,综合上述分析可知,本申请提出的并网电流谐波抑制方法,在不改变系统拓扑的前提下很好的改善了并网电流中三次谐波分量。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种光伏系统并网电流的谐波抑制方法,其特征在于,包括:
获取光伏阵列输出的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号;
将直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值减去所述补偿电压信号得到补偿后电压信号;
将所述补偿后电压信号输入比例积分PI控制器以获取给定并网电流幅值;
利用所述电网电压的角频率和初始相位以及所述给定并网电流幅值,确定并网电流给定值;
将所述并网电流给定值与实时获取的实际并网电流值的偏差信号送入比例谐振PR控制器,并将所述PR控制器输出的信号经过脉冲宽度调制产生SPWM脉冲信号,所述SPWM脉冲信号用于控制光伏系统中的逆变器;
所述预设算法为:
其中,vripple为补偿电压,Ppv=VPV×IPV,VPV为光伏阵列输出的电压,IPV为光伏阵列输出的电流,Ppv为光伏阵列的输入功率,ω和θ分别为电网电压的角频率和初始相位,Udc为直流母线电压的直流分量,Cdc为直流母线上的电容。
2.一种光伏系统并网电流的谐波抑制装置,用于控制光伏系统中的逆变器,其特征在于,包括:
电压补偿装置,用于接收光伏阵列输出的电压与电流以及电网电压的角频率和初始相位,并参照预设算法,生成补偿电压信号,其中,所述预设算法为:
其中,vripple为补偿电压,Ppv=VPV×IPV,VPV为光伏阵列输出的电压,IPV为光伏阵列输出的电流,Ppv为光伏阵列的输入功率,ω和θ分别为电网电压的角频率和初始相位,Udc为直流母线电压的直流分量,Cdc为直流母线上的电容;
第一加法器,用于计算直流母线给定电压信号与实际直流母线电压信号的差值;
第二加法器,用于将所述第一加法器输出的差值信号减去所述补偿电压信号,并输出补偿后电压信号;
PI控制器,用于处理所述补偿后电压信号,并输出给定并网电流幅值;
第一乘法器,用于利用所述电网电压的角频率和初始相位以及所述给定并网电流幅值,计算出并网电流给定值;
第三加法器,用于计算所述并网电流给定值与实时获取的实际并网电流值的偏差信号;
PR控制器,用于处理所述第三加法器输出的所述偏差信号;
脉宽调整模块,用于对所述PR控制器输出的信号进行脉宽调制,生成脉冲宽度调制SPWM信号,以控制光伏系统中的逆变器。
3.一种光伏系统,其特征在于,包括权利要求2所述的谐波抑制装置,还包括:
光伏阵列,用于将太阳能转换为电能,并输出电压和电流;
设置在直流母线上的电容,以及与所述直流母线相连的DC-DC变换器和逆变器;
太阳能控制器,用于接收光伏阵列输出的电压和电流,产生脉冲宽度调制PWM信号来驱动所述DC-DC变换器中的全控器件;
滤波器,用于对所述逆变器输出的电流进行滤波处理;
锁相环,与所述电网连接,用于检测电网的电压角频率和初始相位;
所述谐波抑制装置通过与所述直流母线相连来获取直流母线的电压信号,所述谐波抑制装置通过与所述锁相环相连来获取电网电压角频率和初始相位,所述谐波抑制装置的信号输出端与所述逆变器相连。
4.根据权利要求3所述的光伏系统,其特征在于,所述DC-DC变换器为升压型Boost变换器。
5.根据权利要求3所述的光伏系统,其特征在于,所述太阳能控制器为最大功率点跟踪MPPT控制器。
6.根据权利要求3所述的光伏系统,其特征在于,所述逆变器为H桥逆变器。
7.根据权利要求3所述的光伏系统,其特征在于,所述滤波器为LCL滤波器。
8.根据权利要求3所述的光伏系统,其特征在于,所述锁相环为模拟锁相环。
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