CN105515047B - 一种光伏电池的变压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏电池的变压控制方法，包括以下步骤：1)外环控制：实时采集母线电压，根据母线电压和母线电压额定值获得母线电压调控值，根据母线电压调控值和光伏最大功率点电压获得光伏电池输出电压参考值；2)内环控制：实时采集光伏电池输出电压，根据光伏电池输出电压参考值和光伏电池输出电压获得Boost变换器的关断比；3)根据Boost变换器的关断比调控光伏电池的输出功率和输出电压。与现有技术相比，本发明采用电压双闭环控制，使得光伏电池P‑U特性曲线上的所有点都能够稳定于光伏系统的稳定点，具有控制精度高、抗干扰性好、实用性强等优点。

Description

一种光伏电池的变压控制方法

技术领域

本发明涉及光伏储能领域，尤其是涉及一种光伏电池的变压控制方法。

背景技术

近年来随着我国经济的发展，能源短缺与环境污染两大难题日益突出，而这两大问题主要是因为化石能源的消耗与大量使用引起的，因而发展清洁、高效、无污染的能源成为解决这两大难题最有效的途径。

在各种可再生能源中，太阳能无疑是分布最广泛的能源的之一。由于光伏电池具有安全可靠、不受地域限制、维护简便、建站周期短、规模大小随意、可以方便地与建筑物相结合等优点，因此光伏电池发电是太阳能的主要研究热点。光伏电池的各种控制策略主要分为两种：最大功率点跟踪控制和非最大功率控制。目前光伏电池的非最大功率控制策略主要有恒压控制、下垂控制两种。在上述两种控制策略中，恒压控制对于初始条件在某段范围内的光伏系统无能为力；而采用下垂控制时，如果光强、温度等环境变化时，光伏系统的母线电压也会发生变化。

中国专利CN104065103A公开了一种光伏储能系统的光伏Boost变换器双闭环控制方法，当光伏Boost变换器处于恒流供电工作状态下，光伏Boost变换器输出端采集电流和电压信号并反馈至光伏Boost变换器的电流环PI调节器。该专利控制方法外环为Boost电路输出电压环，可改善输出电压波形，提高稳态精度和抗扰性能；内环为Boost电路电感电流环，可提高系统的动态性能。该专利以Boost变换器的输出电流为内环、输出电压为外环构成的双闭环控制，容易因输出电流信号波动而影响控制系统的控制精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光伏电池的变压控制方法，采用电压双闭环控制，使得光伏电池P-U特性曲线上的所有点都能够稳定于光伏系统的稳定点，具有控制精度高、抗干扰性好、实用性强等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光伏电池的变压控制方法，光伏电池通过Boost变换器接入母线并输出功率，负荷接入母线并消耗功率，该变压控制方法包括以下步骤：

1)外环控制：实时采集母线电压，根据母线电压和母线电压额定值获得母线电压调控值，根据母线电压调控值和光伏最大功率点电压获得光伏电池输出电压参考值；

2)内环控制：实时采集光伏电池输出电压，根据光伏电池输出电压参考值和光伏电池输出电压获得Boost变换器的关断比；

3)根据Boost变换器的关断比调控光伏电池的输出功率和输出电压。

所述母线电压调控值满足以下公式：

ΔU_o＝(U_o-U_{o_rat})∫(k_i1+k_p1)dt

式中，ΔU_o为母线电压调控值，U_o为母线电压，U_{o_rat}为母线电压额定值，k_i1为外环PI控制器的比例参数，k_p1为外环PI控制器的积分参数。

所述外环PI控制器的比例参数k_i1的取值范围为1～3，所述外环PI控制器的积分参数k_p1的取值范围为5～15。

所述光伏电池输出电压参考值满足以下公式：

U_{PV_ref}＝U_m-ΔU_o

式中，U_{PV_ref}为光伏电池输出电压参考值，U_m为光伏最大功率点电压，ΔU_o为母线电压调控值。

所述Boost变换器的关断比满足以下公式：

β＝(U_{PV_ref}-U_PV)∫(k_i2+k_p2)dt

式中，β为Boost变换器的关断比，U_{PV_ref}为光伏电池输出电压参考值，U_PV为光伏电池输出电压，k_i2为内环PI控制器的比例参数，k_p2为内环PI控制器的积分参数。

所述内环PI控制器的比例参数..的取值范围为0.0005～0.001，所述内环PI控制器的积分参数k_p2的取值范围为0.0001～0.001。

所述步骤3)具体为：通过PWM控制器根据Boost变换器的关断比获得PWM控制信号，根据PWM控制信号控制Boost变换器，使得光伏电池的输出功率和输出电压稳定在光伏电池P-U特性曲线上的非最大功率模式稳定点上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明针对光伏电池非最大功率控制的两种控制策略不足之处，采用电压双闭环控制，以母线电压作为电压外环的输入量，调控光伏输出电压参考值的大小，以光伏电池输出电压作为电压内环的输入量，调控Boost变换器的关断比的大小，根据Boost电路的关断比β的大小调控光伏电池输出功率和输出电压的大小，双闭环协调控制能够使光伏电池P-U特性曲线上的所有点都能够稳定于光伏系统的稳定点，实现光伏电池的变压控制。

2)恒压控制存在电池P-U特性曲线上的部分点不能稳定于光伏系统的稳定点的情况，而本发明变压控制可以实现光伏电池P-U特性曲线上的所有点都能够稳定于光伏系统的稳定点，因此，变压控制优于恒压控制，本发明的控制策略对光伏系统的抗干扰能力更强。

3)本发明在原光伏系统的硬件结构上改动少，仅需要在母线和光伏电池上加装用于检测电压的电压测量装置进行电压实时采集即可，便于实施，实用性强。

4)本发明采用PI控制方式获取母线电压调控值和Boost变换器的关断比，对PI控制中的参数进行调整即可实现光伏系统变压控制的参数调节，内外环控制效果好，且操作方便。

5)本发明是以光伏输出电压为内环、Boost变换器的输出电压为外环构成的双闭环控制，由于电压的波动可以用电容来平抑，所以相对于电流来说电压的波动更小、更容易控制，因此本发明的输入信号波动对控制系统的影响更小。

6)在外环PI中，如果k_i1、k_p1过小则母线电压稳定在额定值的稳定时间过大，而如果k_p1、k_p1过大则整个系统的抗干扰能力太弱，所以确定k_p1、k_p1的优选取值范围使得时系统的稳定时间较小而且系统的抗干扰能力较强。

7)在内环PI中，如果k_i2、k_p2过小则母线电压稳定在额定值的稳定时间过大，而如果k_i2、k_p2过大则整个系统的抗干扰能力太弱，所以确定k_i2、k_p2的优选取值范围使得系统的稳定时间较小而且系统的抗干扰能力较强。

附图说明

图1为本发明中光伏系统的结构图；

图2为本发明变压控制原理框图；

图3为Boost电路的关断比与光伏电池输出电压关系曲线示意图；

图4为采用两种不同控制策略时光伏系统的P-U特性曲线和额定负荷曲线示意图；

其中，(4a)为恒压控制时光伏系统的P-U特性曲线和额定负荷曲线示意图，(4b)为变压控制时光伏系统的P-U特性曲线和额定负荷曲线示意图；

图5为采用两种不同控制策略时直流微网母线电压变化曲线示意图；

其中，(5a)为恒压控制时母线电压的变化曲线示意图，(5b)为变压控制时母线电压的变化曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明所涉及的光伏系统的结构如图1所示，光伏系统主要由光伏电池、变压控制器、Boost变换器、母线和负荷组成，光伏电池通过Boost变换器接入母线并输出功率到母线上，负荷接入母线并消耗母线上的功率，图1中，PV表示光伏电池，BOOST表示Boost控制器，R表示负荷，本发明所涉及的重点内容是对光伏电池的变压控制方法以及变压控制器的设计，变压控制器包括内外环控制器以及控制Boost变换器开关频率的PWM控制器，图1中，Control表示内外环控制器，PWM表示PWM控制器，U_PV为光伏电池输出电压，I_PV为光伏电池输出电流，U_o为光伏系统母线电压，I_o为光伏系统母线电流，β为Boost变换器的关断比，U_PV和U_o通过在光伏侧及母线上加装电压测量装置测量得到，变压控制器根据U_PV、U_o的大小来调控光伏电池输出功率使其等于额定负荷功率，以维持光伏系统功率的平衡以及母线电压的稳定。如图2所示，光伏电池的变压控制方法具体包括以下步骤：

1)外环控制：在母线上加装电压测量装置，测量母线电压U_o，而控制器根据母线电压U_o、母线电压额定值U_{PV_ref}、光伏最大功率点电压U_m，进而确定光伏电池输出电压的参考值U_{PV_ref}，具体为：

实时采集母线电压，根据母线电压和母线电压额定值获得母线电压调控值，母线电压调控值满足以下公式：

ΔU_o＝(U_o-U_{o_rat})∫(k_i1+k_p1)dt

式中，ΔU_o为母线电压调控值，U_{o_rat}为光伏系统母线电压的额定值，k_i1为外环PI控制器的比例参数，k_i1的取值范围为1～3，k_p1为外环PI控制器的积分参数，k_p1的取值范围为5～15，在外环PI中，如果k_i1、k_p1过小则母线电压稳定在额定值的稳定时间过大，而如果k_i1、k_p1过大则整个系统的抗干扰能力太弱，所以k_i1、k_p1的值取上述范围时系统的稳定时间较小而且系统的抗干扰能力较强；

根据母线电压调控值和光伏最大功率点电压获得光伏电池输出电压参考值，光伏电池输出电压参考值满足以下公式：

U_{PV_ref}＝U_m-ΔU_o

式中，U_{PV_ref}为光伏电池输出电压参考值，U_m为光伏最大功率点电压，ΔU_o为母线电压调控值。

则步骤1)可以归纳为：

U_{PV_ref}＝U_m-(U_o-U_{o_rat})∫(k_i1+k_p1)dt

2)内环控制：实时采集光伏电池输出电压，根据光伏电池输出电压参考值和光伏电池输出电压确定Boost变换器的关断比的大小，从而调控光伏电池的输出功率使其等于负荷的额定功率，进而维持光伏系统功率的平衡和母线电压的稳定，Boost变换器的关断比满足以下公式：

β＝(U_{PV_ref}-U_PV)∫(k_i2+k_p2)dt

式中，β为Boost变换器的关断比，U_{PV_ref}为光伏电池输出电压参考值，U_PV为光伏电池输出电压，k_i2为内环PI控制器的比例参数，k_i2的取值范围为0.0005～0.001，k_p2为内环PI控制器的积分参数，k_p2的取值范围为0.0001～0.001，在内环PI中，如果k_i2、k_p2过小则母线电压稳定在额定值的稳定时间过大，而如果k_i2、k_p2过大则整个系统的抗干扰能力太弱，所以k_i2、k_p2的值取上述范围时系统的稳定时间较小而且系统的抗干扰能力较强。

3)根据Boost变换器的关断比调控光伏电池的输出功率和输出电压，具体为：通过PWM控制器根据Boost变换器的关断比获得PWM控制信号，根据PWM控制信号控制Boost变换器，使得光伏电池的输出功率和输出电压稳定在光伏电池P-U特性曲线上的非最大功率模式稳定点上，且光伏电池的输出功率和输出电压满足以下公式：

U_PV＝U_{PV_ref}

P_PV＝P_{o_rat}

式中，P_PV为光伏电池的输出功率，P_{load_rat}为光伏系统的额定负荷功率。

由P_PV＝P_{o_rat}可知，此时系统功率已经保持平衡，则系统的母线电压就能保持稳定，即：

U_o＝U_{o_rat}

图2中PI₁表示外环PI控制器，PI₂表示内环PI控制器。

通常来说，如果光伏系统内出现功率冗余，那么光伏电池久不能以最大功率发电，此时光伏电池处于非最大功率控制模式。在光伏电池处于非最大功率模式时，光伏系统的额定负荷曲线与光伏电池的P-U特性曲线有2个交点，即图4所示的A、B两个点，在这2个交点中B点的电压较大电流较小，所以光伏系统一般选取A点作为光伏系统非最大功率模式的稳定点，图4中，P_m为光伏电池的最大功率点处的输出功率，ω表示光伏系统的额定负荷曲线，表示光伏电池的P-U特性曲线。光伏系统的负荷线和光伏系统的最大功率点将光伏系统的P-U的特性曲线分成OA、AM、MB、BN 4段，如图4所示。如果光伏系统的初始条件分别在这4段曲线，然后经过协调控制最后都能稳定于A点，说明光伏系统的控制策略是有效的。

在光伏系统中，如果温度、光照强度和负荷等参数恒定，而仅仅boost电路的关断比发生变化，则光伏电池输出电压的变化趋势，如图3所示。由图3可见，当关断比增大时，光伏电池输出电压也增大，这说明光伏系统中关断比β和光伏电池电压U_PV成正向关系。

光伏系统传统的非最大功率控制为恒压控制，其主要原理为当母线电压大于(小于)其额定值时，Boost电路关断比增加(减小)，而图3中的boost电路关断比增加(减小)而会导致光伏电池的电压增加(减小)。如果光伏电池P-U在额定负荷曲线上方(下方)，即P_PV>P_{load_rat}(P_PV<P_{load_rat})，此时光伏系统母线电压大于(小于)其额定值，光伏电池的电压会增加(减小)。在光伏电池P-U特性曲线的4段曲线中各自选出一点，则这点的冗余功率变化趋势如图4a所示。由图4a可见，采用恒压控制时，光伏电池P-U特性曲线中的OA、AM、MB 3段曲线中的点能稳定于A点，而BN曲线上的点则无法稳定于A点。

光伏系统的变压控制原理框图如图2所示，对应的光伏系统P-U特性曲线如图4b所示，在光伏电池P-U特性曲线的4段曲线中各自选出一点，则这点的冗余功率变化趋势为：

1)D点。P_PV<P_{load_rat}，U_o<U_{o_rat}，ΔU_o减小，U_{PV_ref}增大，直到U_{PV_ref}＝(U_m-ΔU_o)>U_PV＝U_D，β增大，U_PV增大，P_PV增大，最后稳定于A点；

2)E点。P_PV>P_{load_rat}，U_o>U_{o_rat}，ΔU_o增大，U_{PV_ref}减小，直到U_{PV_ref}＝(U_m-ΔU_o)<U_PV＝U_E，β减小，U_PV减小，P_PV减小，最后稳定于A点；

3)F点。P_PV>P_{load_rat}，U_o>U_{o_rat}，ΔU_o增大，U_{PV_ref}减小，直到U_{PV_ref}＝(U_m-ΔU_o)<U_PV＝U_F，β减小，U_PV减小，P_PV增大，然后经过M点进入AM曲线段，最后稳定于A点；

4)L点。P_PV<P_{load_rat}，U_o<U_{o_rat}，ΔU_o减小，在参数合适的情况下，U_{PV_ref}＝(U_m-ΔU_o)<U_PV＝U_L，β减小，U_PV减小，P_PV增大，然后分别进入BM、MA段曲线，最后稳定于A点。

由此可见，光伏系统采取变压控制时，光伏系统的P-U特性曲线的整条曲线上的点最后都能稳定于A点，即经过干扰后，无论光伏系统工作于P-U特性曲线上的哪个点，经过一段时间的运行，最后都能稳定于A点，本发明的控制策略对光伏系统的抗干扰能力更强。

图5为当光伏系统初始条件在P-U特性曲线中BN曲线段上的L点时，在t＝10s，光伏系统分别采取恒压控制、变压控制时的母线电压变化曲线，其中额定母线电压为U_{o_rat}＝400V。

从图5可见，变压控制时光伏的母线电压能够稳定于其额定值(400V)，而恒压控制则不能使光伏的母线电压能够稳定于其额定值，由此可知，变压控制优于恒压控制。

Claims (4)

1.一种光伏电池的变压控制方法，光伏电池通过Boost变换器接入母线并输出功率，负荷接入母线并消耗功率，其特征在于，该变压控制方法包括以下步骤：

1)外环控制：实时采集母线电压，对母线电压和母线电压额定值之差进行PI控制得到母线电压调控值，将光伏最大功率点电压和母线电压调控值相减获得光伏电池输出电压参考值，

2)内环控制：实时采集光伏电池输出电压，对光伏电池输出电压参考值和光伏电池输出电压之差进行PI控制得到Boost变换器的关断比，

3)根据Boost变换器的关断比调控光伏电池的输出功率和输出电压；

所述步骤3)具体为：通过PWM控制器根据Boost变换器的关断比获得PWM控制信号，根据PWM控制信号控制Boost变换器，使得光伏电池的输出功率和输出电压稳定在光伏电池P-U特性曲线上的非最大功率模式稳定点上。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电池的变压控制方法，其特征在于，外环PI控制的比例参数k_i1的取值范围为1～3，积分参数k_p1的取值范围为5～15。

3.根据权利要求1所述的一种光伏电池的变压控制方法，其特征在于，所述光伏电池输出电压参考值满足以下公式：

U_{PV_ref}＝U_m-ΔU_o

式中，U_{PV_ref}为光伏电池输出电压参考值，U_m为光伏最大功率点电压，ΔU_o为母线电压调控值。

4.根据权利要求1所述的一种光伏电池的变压控制方法，其特征在于，内环PI控制的比例参数k_i2的取值范围为0.0005～0.001，积分参数k_p2的取值范围为0.0001～0.001。