CN104701877A - 新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置，该装置针对建筑光伏并网发电的特点，主电路拓扑结构上采用双级式结构，控制方法上采用在线粒子群优化MPPT算法，并将DSTATCOM无功稳压算法加入到三相光伏逆变器的逆变并网控制中。该装置可以实现建筑物各个朝向的光伏阵列各自最大功率点的跟踪控制，减少光伏阵列的功率损耗，减少传感器的使用，还能避免MPPT算法陷入光伏阵列的局部最大功率点，真正实现光伏阵列功率最优化输出。因三相并网逆变器与DSTATCOM具有相同的主电路结构，因此，该装置将DSTATCOM无功稳压算法加入到三相光伏逆变器的逆变并网控制中，在实现光伏并网的同时稳定配电网的电压水平，改善配电网的电能质量。
Description
技术领域
本发明涉及建筑光伏发电并网技术，尤其涉及一种新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置，该装置涉及到电力电子技术，计算机控制技术，先进测控技术，智能优化等多个技术领域。
背景技术
由于太阳能光伏发电具有可再生、无污染、无噪声等特点，太阳能光伏发电将成为未来绿色电力能源结构的主导力量之一。
光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)是把光伏发电与建筑相结合，利用建筑物的可利用平面及空间，安装太阳能光伏发电系统。光伏建筑一体化不仅能减少光伏发电占地面积、保证建筑自身电力供应，用光伏电池阵列铺设的建筑外墙还大大减少了外墙防护和美化能耗。所以光伏发电与建筑相结合是有极大的社会和经济效益的。
建筑光伏阵列的铺设和安装受到建筑物外围空间的限制，即光伏阵列总是铺设在建筑物外墙或楼顶，这样，每一个光伏阵列的朝向则不同，由于日照规律和遮挡的不同导致每个光伏阵列在同一时刻受到的光照度是不一样的。众所周知，光伏电池阵列是把太阳光转化为直流电能的，即光伏电池的电能输出是依赖它表面所受的光照度和自身温度的。同时，光伏电池的功率输出有强烈的非线性特性，光伏阵列的电压、电流、功率输出随光照和温度的变化而变化。温度一定时，光照均匀情况下，光伏阵列的输出电压-功率曲线呈单峰值特性，但在光照不均匀的情况下，光伏阵列的输出电压-功率曲线具有多峰值特性。目前，一般的光伏并网逆变器都是单级式并网逆变器，即将若干数量的光伏电池组件通过串并联组合直接接到并网逆变器的直流侧，并网逆变器将光伏阵列所发的直流电能转化为交流电能馈送入配电网，一方面供本地负载使用，多余部分馈送入公共电网。单级式并网逆变器是通过控制直流侧电压的改变来控制光伏阵列的输出电压，从而使光伏阵列的输出功率达到最大，这个过程也叫光伏电池阵列的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术。
单级式光伏并网系统结构简单易实现，但存在以下缺点：其一是多个光伏阵列通过简单串并联连接到并网逆变器，光伏阵列的输出功率受到限制，不能充分利用光伏阵列的发电能力；其二，并网逆变器的直流侧电压可控范围受到交流侧电压的限制，不能任意调节，可能会导致并网逆变器的直流侧电压可控范围与光伏阵列的最大功率点电压不匹配，从而不能使光伏阵列输出功率达到最大，造成功率浪费；其三，环境条件改变会导致光伏阵列输出功率改变，由于并网逆变器需要对光伏阵列进行MPPT控制，故其直流侧电压需要频繁变动，这对逆变器的交流侧输出电压、电流造成一定影响(与电网交互无功功率)，同时对并网逆变器的功率器件和直流侧电容的寿命也有一定影响。
随着现代科技的发展，日常工作和生活中会使用到大量的无功和非线性负载，如交流电机和不可控整 流电源等等。在配电网末梢，比如配置有光伏并网的某一建筑配电网，过多的无功和非线性负载对电网产生比较大的影响，主要表现为电网电压跌落和电流谐波激增。对于用户负载来说，电网跌落影响较大，可能导致负载损坏甚至对人身安全造成威胁，因此，对配电网的无功进行补偿和电压稳定进行控制是非常重要的。另外，如上述，光伏输出功率的波动也会影响到并网逆变器交流侧的输出电压波动，即并网接入点及后级配电网的电压会波动。为解决电网末梢的无功和非线性负载对电网带来的影响，目前可采用的方法是在配电网配置无功补偿和有源滤波装置，其中，配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)既能够补偿负荷无功电流、负序电流，以及谐波电流，也能够稳定连接点电压水平，是一种能够有效改善配电网电能质量的设备。
发明内容
针对在光伏并网中存在的上述问题，发明一种新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置。本发明装置的拓扑结构与原理框图如说明书附图中图1所示。发明具体内容如下：
1.针对建筑光伏单级式并网装置中多个光伏阵列只能通过简单串并联连接方式造成的光伏输出功率受限，不能最大化地利用光伏阵列的发电能力的问题，本发明装置采用双级式拓扑结构。主电路拓扑结构为“光伏阵列[1]→Boost变换器[2]→直流侧滤波电容[3]→三相并网逆变器[4]→电抗器[5]→三相隔离变压器[6]”。Boost变换器[2]的作用是把不同朝向的光伏阵列所输出的不同功率隔离传输到三相并网逆变器[4]的直流侧，同时实现各个朝向的光伏阵列MPPT控制，使得光伏阵列的运行效率尽可能高。
2.本发明提供一种在线粒子群MPPT算法，应用Boost变换器[2]对各个光伏阵列输入功率进行MPPT控制，可以减少传感器的使用、并可避免陷入局部最大功率点。并网逆变器[4]直流侧滤波电容[3]电压是由三相并网逆变器[4]控制稳定在某一个值，前级各个Boost变换器[2]输入侧连接建筑物各个朝向安装的光伏阵列，输出侧并联连接到并网逆变器[4]的直流输入侧(即直流侧滤波电容[3]两端)，根据Boost变换器[2]的电压变换原理，改变Boost变换器[2]的功率开关管VTk(k=1，2，…，n)的PWM开关信号的占空比即可实现Boost变换器[2]输入输出电压的变换。由于Boost变换器[2]的输出侧电压被箝位(由三相并网逆变器[4]控制稳定在某一个值)，改变Boost变换器[2]的功率开关管VTk(k=1，2，…，n)的PWM开关信号的占空比即可改变Boost变换器[2]的输入电压(也就是光伏阵列[1]的输出电压)，从而改变光伏阵列[1]的输出功率。为了使每个光伏阵列[1]的输出功率都达到全局最优点，必须通过某种算法在线计算每个Boost变换器[2]的功率开关管VTk(k=1，2，…，n)的PWM开关信号的占空比的全局最优值。本发明采用粒子群寻优算法，以三相并网逆变器[4]的直流侧输入功率为寻优目标，通过粒子群算法迭代出每个Boost变换器[2]的功率开关管VTk(k=1，2，…，n)的PWM开关信号的占空比的全局最优值。使用本发明的MPPT电路拓扑结构和算法，只需要在三相并网逆变器[4]的直流侧安装一个电压传感器和一个电流传感器，而无需在每个光伏阵列的输出端安装电压传感器和电流传感器，这样既能 使建筑每个朝向的光伏阵列输出全局最大功率点，也降低了系统的成本。
3.三相并网逆变器[4]与DSTATCOM具有相同的主电路结构，因此，为改善建筑光伏并网接入配电网的电能质量，本发明将DSTATCOM无功稳压控制的控制方法加入到光伏并网逆变器中，在光伏发电并网的同时改善配电网的电能质量。本发明中三相并网逆变器[4]与DSTATCOM控制相结合的方法如下：将每个建筑光伏阵列[1]通过Boost变换器[2]和在线粒子群MPPT算法得到的最大功率(直流电能)转化为交流有功功率输入到三相配电网[7]供本地配电网使用(多余部分馈送入公共电网[8])，同时，检测交流侧并网接入点的电压水平，若并网接入点的电压偏离正常值，则控制三相并网逆变器[4]以DSTATCOM无功稳压原理向三相配电网[7]输入无功功率以稳定并网接入点的电压在正常范围。将光伏并网与无功稳压相结合，在实现光伏并网的同时改善配电网的电能质量，具有重大经济效益和社会效益。
附图说明
图1新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置
图中：1、光伏阵列；2、Boost变换器；3、直流侧电容；4、三相并网逆变器；5、电抗器；
6、三相隔离变压器；7、三相配电网；8、公共电网。
Claims (4)
1.一种新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置，该装置由光伏阵列[1]、Boost变换器[2]、直流侧滤波电容[3]、三相并网逆变器[4]、电抗器[5]、三相隔离变压器[6]等构成。其特征在于采用双级式结构，建筑光伏阵列通过Boost变换器[2]输入隔离，输出并联，然后通过直流侧滤波电容[3]与三相并网逆变器[4]串联，三相并网逆变器[4]交流侧通过电抗器[5]、三相隔离变压器[6]与三相配电网[7]、公共电网[8]并联连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置，其特征在于通过粒子群寻优算法在线对各个建筑光伏阵列[1]进行MPPT控制。通过并联的多路Boost变换器[2]和在线粒子群MPPT算法，在直流侧只使用一个电压传感器和电流传感器的情况下实现多路光伏阵列[1]的最大功率点跟踪控制，并可避免陷入光伏阵列[1]局部最大功率点。
3.根据权利要求1所述的一种新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置，其特征在于直流侧滤波电容[3]电压(即三相并网逆变器[4]直流侧电压)由三相并网逆变器[4]控制在某一个恒定值，避免了单级式光伏并网中直流侧电压由MPPT决定而导致的直流侧电压频繁波动带来的各种问题。
4.根据权利要求1所述的一种新型建筑光伏发电最大功率点跟踪与并网控制装置，其特征在于将DSTATCOM无功稳压的控制方法加入到三相并网逆变器[4]的并网逆变控制中。将光伏阵列[1]产生的直流电能逆变为有功交流电能的同时加入无功稳压控制来维持配电网因各种原因导致的交流电压波动，改善配电网的电能质量。
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