CN105226963B - 一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例中，提出了一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法及系统，其中控制方法包括：基于直流母线电压外环，输入功率内环控制，根据所述离网DC‑DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压计算得到输出功率控制信号；将所述输出功率控制信号转换为电流控制信号或电压控制信号；根据所述电流控制信号或电压控制信号的得到PWM信号对所述离网变换器进行控制。本发明实现了直流母线电压稳定及其最大功率控制，无需新增相关硬件检测电路，在程序中通过相应处理机制便实现，降低了算法修改对系统的可靠性影响，改善系统功能，提高系统稳定性。本发明解决了直流母线稳定及其最大功率控制无法兼顾的难点。

Description

一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种离网变换器领域，具体的涉及一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法及系统。

背景技术

针对微电网对新能源的要求，尤其是对光伏逆变器，需要兼顾并网与离网功能，同时在离网功能模式情况下，需要协调逆变器与不同解决方案情况下的相关控制策略，包括系统直流母线电压稳定控制、最大功率追踪控制、逆变输出电压恒定控制、逆变器在RCD(由R、C、D为主要元件构成的负载，属于非线性负载)情况下系统稳态与动态性能控制等。

对于两级式控制系统，前级DC-DC主要负责直流母线电压稳定控制以及系统最大功率跟踪控制，后级DC-AC主要负责逆变输出电压恒定控制、逆变系统稳态及其动态控制。在DC-DC中，无论是并网光伏逆变器还是离网光伏逆变器，需要对直流母线电压稳定及其最大功率追踪控制，这点与不间断电源(Uninterruptible Power System/UninterruptiblePower Supply，UPS)一致，然而不间断电源中一般采用蓄电池，而蓄电池电压或者电流与功率存在单调性，具体如附图1，横轴为电池容量，纵轴为电池电压，从图中可以看出，电池电压与容量具有单调性，也就是说当电压降低，电池容量增加。因此，通过调节电压或者电流便可以实现最大功率控制，对于不间断电源中DC-DC控制框图，具体如附图2，采用直流母线电压外环、电池电流内环控制，从而实现母线电压稳定控制，其中Cv代表电压环补偿器，Ci代表电流环补偿器，Kvf代表电压采样系数，Kif代表电流采样系数。UbusRef为bus电压参考值，Vbus为bus电压，Vpv为pv电压，Z表示pv侧等效阻抗，io表示pv电流信息，Uo表示bus电压受控制变化量，L与r表示boost电路等效感抗与阻抗。电压参考信号和电压反馈信号求差，经过电压补偿器Cv后的信号作为电流环的参考信号，该信号和pv电流反馈信号比较后经过电流补偿器Ci得到控制量，对逆变器进行控制。引入pv电流内环反馈对包含在环内的扰动，如输入电压的波动、母线电压稳定性、电感参数波动等影响起到及时的调节作用，系统特性大大改善。另外当输入功率改变或者其它原因导致逆变器bus电压波动使得pv电流出现过载，所以在控制系统中增加电流限幅环节可以限制pv电流大小，从而可以保护逆变器。

然而太阳能电池板是一种非线性直流电源，输出电流在大部分的工作电压下接近恒流源，在接近开路电压时，电流迅速下降。从图3的特性曲线中可以看出在一定的光照和温度下，光伏电池的输出存在单极值点，这个极值点随光照强度和温度的变化而变化，光照对输出功率的影响远大于温度对输出功率的影响，由于该单极致点，导致电流与功率不再单调一致，若采用不间断电源控制策略，则光伏系统具有不稳定性。尤其是在系统功率处于最大功率点左侧情况，系统出现控制发散，具体测试波形如图4，从图4中可以看出，在最大功率点左侧情况下，为维持直流母线电压稳定而增加系统电流，加剧系统直流母线电压不稳定性，直接导致系统崩溃。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术中，离网DC-DC变换器，非线性电流源中存在的直流母线稳定及其最大功率控制无法兼顾的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法，包括：

基于直流母线电压外环，输入功率内环控制，根据DC-DC变换器输入电压、输入电流以及直流母线电压计算得到输出功率控制信号；

将所述输出功率控制信号转换为电流控制信号或电压控制信号；

根据所述电流控制信号或电压控制信号的得到PWM信号对所述DC-DC变换器进行控制。

优选的，所述控制方法还包括：

采集所述DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压。

优选的，所述控制方法应用于光伏逆变器或风电逆变器。

优选的，所述控制方法应用于非线性电流源中。

本发明另一方面还提供一种离网变换器直流母线及最大功率控制系统，包括：

信号采集单元和控制单元；

信号采集单元，用于采集DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压；

所述控制单元，用于基于直流母线电压外环，输入功率内环控制，根据所述DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压计算得到输出功率控制信号，将所述输出功率控制信号转换为电流控制信号或电压控制信号后根据所述电流控制信号或电压控制信号的得到PWM信号对所述离网变换器器进行控制。

优选的，所述控制系统还包括：

电压转换单元，用于将所述信号采集单元采集的电压转换至所述控制单元的接收范围。

优选的，所述控制单元为DSP控制器；所述信号采集单元为电流传感器和电压传感器。

优选的，所述离网变换器应用于光伏逆变器或风电逆变器。

优选的，所述控制系统包含非线性电流源。

本发明提供的直流母线稳定及其最大功率控制方法，通过检测输入电压、输入电流以及直流母线电压，在算法中将相关量处理，从而实现直流母线电压稳定及其最大功率控制，采用当前算法，无需新增相关硬件检测电路，在程序中通过相应处理机制便实现，同时降低算法修改对系统可靠性影响，改善系统功能，提高系统稳定性。本发明解决了直流母线稳定及其最大功率控制无法兼顾的难点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将实施例的所包含技术描述中需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图都在本发明的保护范围之内。

图1为蓄电池功率与电压关系图。

图2为蓄电池的UPS系统DC-DC侧控制原理图。

图3为光伏电池特性曲线。

图4为采用UPS系统控制策略的光伏电池DC-DC侧控制测试波形。

图5为本发明的DC-DC侧控制原理图。

图6为采用本发明方法的光伏电池DC-DC侧控制测试波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清查、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明旨在提出一种离网DC-DC变换器直流母线及其最大功率控制方法，具体为直流母线电压外环控制，内环采用功率环控制，从而实现在直流母线电压稳定情况下最大功率追踪，达到功率最大输出能力。然而，由于光伏电池板的特性，将会出现等功率情况下，也就是功率由于非单调性，从而控制将出现等功率情况下不确定行电流，使得控制无法完成准确控制，因此，在本发明中，将输出功率特性转换为相应具有单调性的电流/电压信号，实现系统非单调性调节与单调性控制的效果。

本发明方法包括：

S11、采集DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压。

S12、基于直流母线电压外环，输入功率内环控制，根据DC-DC变换器输入电压、输入电流以及直流母线电压计算得到输出功率控制信号；即根据实际直流母线电压构建电压外环，输入功率构建功率内环，从而实现系统直流母线电压稳定及其最大功率追踪。

S13、将输出功率控制信号转换为电流控制信号或电压控制信号；

S14、根据电流控制信号或电压控制信号的得到PWM控制信号对DC-DC变换器进行控制，以实现直流母线电压稳定及其最大功率控制。上述输出的控制信号可由驱动来放大。

其控制原理参见图5：其中Cv代表电压环补偿器，Ci代表电流环补偿器，Kvf代表电压采样系数，Kif代表电流采样系数。UbusRef为bus电压参考值，Vbus为bus电压，Vpv为pv电压，Z表示pv侧等效阻抗，io表示pv电流信息，Uo表示bus电压受控制变化量，L与r表示boost电路等效感抗与阻抗。

除bus电压外环外，对于功率内环转电流核心算法为：该处转换为功率环控制，由于当前程序保留相关电流限制量，直接乘以Upv，相反，在后级除以Upv，主要是考虑电流具有单调性。

电压参考信号和电压反馈信号求差，经过电压补偿器Cv后的信号作为电流环的参考信号，该信号和pv电流反馈信号比较后经过电流补偿器Ci得到控制量，对逆变器进行控制。

引入pv电流内环反馈对包含在环内的扰动，如输入电压的波动、母线电压稳定性、电感参数波动等影响起到及时的调节作用，系统特性大大改善。另外当输入功率改变或者其它原因导致逆变器bus电压波动使得pv电流出现过载，所以在控制系统中增加电流限幅环节可以限制pv电流大小，从而可以保护逆变器。

由本发明可以知道，采用直流母线电压外环可以实现母线电压稳定控制，采用输入功率环可以实现系统最大功率输出，而将控制信号再次转换为电流控制量，从而实现系统单调性控制，达到系统稳定且可确定性控制，从而可以实现对离网情况下非线性源的控制。

具体的上述控制方法可应用于光伏逆变器或风电逆变器，也可以应用于非线性源的不间断电源UPS。

对应上述方法，本发明另一实施例还提供一种离网变换器直流母线及最大功率控制系统，包括：

信号采集单元和控制单元；

其中，信号采集单元，用于采集DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压；

控制单元，用于基于直流母线电压外环，输入功率内环控制，根据所述DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压计算得到输出功率控制信号，将所述输出功率控制信号转换为电流控制信号或电压控制信号后根据所述电流控制信号或电压控制信号的得到PWM信号对离网变换器进行控制。

上述控制单元可以采用DSP(digital signal processor的简称，即数字信号处理器)芯片。在实施时，电网母线侧输出电压为交流，信号采集单元使用电压传感器检测出电网母线侧的电压，电流传感器检测出电流。由于控制单元使用的是DSP芯片，其片上自带的A/D转换器是单极性的，只能接收0～3.3V的电压信号，因此控制系统还包括电压转换单元，对采集的电压进行转换，这样才能和DSP相连接。在DSP中实现DC-DC变换器的低电压穿越算法，同与上述控制算法相结合来控制逆变器输出，实现DC-DC变换器的低电压穿越。

本发明对比了光伏电池板采用直流母线电压外环、电流/电流内环控制策略以及本发明所公布控制策略对比效果，如图4与图6所示，图4为UPS系统DC-DC侧控制策略(采用直流母线电压外环、电流/电流内环控制策略)测试波形，图6为本发明公布DC-DC侧控制策略测试波形，从图中可以看出，采用UPS系统DC-DC侧控制策略，当电压位于光伏电池板最大功率点左侧情况下，系统直流母线电压无法稳定，从而使得系统崩溃，而采用本发明公布的DC-DC侧控制策略，无论电压位于何处，系统直流母线电压均能稳定控制，并且系统能搜索到系统最大功率点，从而实现系统最高效率输出。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

基于直流母线电压外环，输入功率内环控制，根据DC-DC变换器输入电压、输入电流以及直流母线电压计算得到输出功率控制信号；

将所述输出功率控制信号转换为电流控制信号或电压控制信号；

根据所述电流控制信号或电压控制信号得到PWM信号对所述DC-DC变换器进行控制。

2.如权利要求1所述的一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

采集所述DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压。

3.如权利要求1所述的一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于光伏逆变器或风电逆变器。

4.如权利要求1所述的一种离网变换器直流母线及最大功率控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于非线性电流源中。

5.一种离网变换器直流母线及最大功率控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

信号采集单元和控制单元；

信号采集单元，用于采集DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压；

所述控制单元，用于基于直流母线电压外环，输入功率内环控制，根据所述DC-DC变换器的输入电压、输入电流以及直流母线电压计算得到输出功率控制信号，将所述输出功率控制信号转换为电流控制信号或电压控制信号后根据所述电流控制信号或电压控制信号得到PWM信号对所述离网变换器进行控制。

6.如权利要求5所述的一种离网变换器直流母线及最大功率控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：

电压转换单元，用于将所述信号采集单元采集的电压转换至所述控制单元的接收范围。

7.如权利要求5所述的一种离网变换器直流母线及最大功率控制系统，其特征在于，所述控制单元为DSP控制器；所述信号采集单元为电流传感器和电压传感器。

8.如权利要求5所述的一种离网变换器直流母线及最大功率控制系统，其特征在于，所述离网变换器应用于光伏逆变器或风电逆变器。

9.如权利要求5所述的一种离网变换器直流母线及最大功率控制系统，其特征在于，所述控制系统包含非线性电流源。