CN106941262A - 光伏并网发电装置及复合校正控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏并网发电装置及复合校正控制方法，包括光伏电池、全桥逆变电路、采样调理电路、单片机、驱动电路、滤波电路、工频变压器和负载。光伏电池经全桥逆变电路，将直流电逆变成交流电；交流电经滤波电路和工频变压器输出给负载供电；采样调理电路采样光伏电池和负载上的信号，输出至单片机；单片机进行运算，输出信号控制驱动电路；驱动电路用于驱动全桥逆变电路。本发明针对光伏并网发电装置进行相关研究，考虑装置效率和安全稳定性，实现装置优化设计；采用扰动前馈补偿控制与PI反馈控制相结合的复合校正控制方式，在不提高系统开关增益前提下，补偿各种扰动引起的误差，确保并网安全稳定运行。

Description

光伏并网发电装置及复合校正控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电领域，尤其涉及一种光伏并网发电装置及复合校正控制方法。

背景技术

随着经济全球化的发展，传统能源在为我们带来优质生活的同时，也越来越严重地危害着我们的生存环境，越来越多的国家开始关注清洁能源的利用。传统能源将逐渐被可再生清洁能源所替代。人类对能源需求量不断增长，太阳能发电因其环保经济的特点受到各国的关注和青睐。

近几年，光伏发电发展迅猛，有着无污染，无噪音，取之不尽、用之不竭等优点，因而越来越受大家的关注。在中、小型并网电源中，光伏发电已得到广泛的应用并形成了固定产业。同时，随着光伏电池成本的降低以及电力电子技术的不断发展，光伏发电技术将得到进一步推广。

光伏发电分为并网光伏发电及离网光伏发电，并网光伏发电因其投资低、灵活性高而受到广泛关注。光伏并网发电技术通过光伏并网发电装置，对光伏电池进行电能转换同时以微网形式接入电网，已成为各国实现大规模光伏发电的重要技术基础和主要研究方向。

光伏并网发电装置除在法规和政策上需得到进一步完善以外，能否在接入电网后安全高效稳定的运行是当前迫切需要解决的重大问题，这也是光伏并网发电能否实现大规模应用的关键。同时由于光伏电池采用的是半导体硅材料制造而成，其转换效率一般为14％-17％，最高商业转换效率才至22％，提高转换效率也是当前迫切需要解决的重大问题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种光伏并网发电装置及复合校正控制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种光伏并网发电装置，包括光伏电池、全桥逆变电路、采样调理电路、单片机、驱动电路、滤波电路、工频变压器和负载；光伏电池经全桥逆变电路，将直流电逆变成交流电；交流电经滤波电路和工频变压器输出给负载供电；采样调理电路采样光伏电池和负载上的信号，输出至单片机；单片机进行运算，输出信号控制驱动电路；驱动电路用于驱动全桥逆变电路。

全桥逆变电路包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管；滤波电路包括第一电感和第一电容；工频变压器包括工频隔离变压器；负载为第一电阻。

驱动电路包括第一芯片和第二芯片；驱动电路的前级还设置有整形电路和光耦隔离电路；整形电路包括第三芯片和第四芯片；光耦隔离电路包括第五芯片和第六芯片；第一芯片和第二芯片为栅极驱动控制专用集成电路芯片IR21094；第三芯片和第四芯片为同相缓冲器CD4010；第五芯片和第六芯片为光耦隔离芯片TLP521。

采样调理电路包括电压采样电路、电流采样电路、频率捕获电路和信号调理电路；压采样电路包括第七芯片、第二电阻、第三电阻和第二电容，第七芯片为电压传感器VSM025A；电流采样电路包括第八芯片、第四电阻和第三电容，第八芯片为霍尔电流传感器CSM005A；频率捕获电路包括第五电阻、第六电阻、第四电容、第五二极管、第六二极管和过零比较器；信号调理电路包括第一级运算放大器和第二级运算放大器。

一种应用于光伏并网发电装置的复合校正控制方法，具体包括以下步骤：

取输出并网电流I_S作为控制变量：

其中，L为滤波电感，R为电感和线路等效电阻，U_S为电网电压，U_AB为逆变器输出并网电压。

频域上：

其中，H₃(S)为滤波器传递函数。

PI调节器的传递函数H₁(S)为：

系统的开环传递函数H(S)为：

其中，K_P为比例调节系数，K_I为积分调节系数，K_HPWM为逆变器放大倍数，α为占空比；H₂(S)为逆变器的传递函数。

系统扰动误差为：

加入扰动前馈控制，系统扰动误差为：

有益效果：本发明针对光伏并网发电装置进行相关研究，考虑装置效率和安全稳定性，实现装置优化设计；采用扰动前馈补偿控制与PI反馈控制相结合的复合校正控制方式，在不提高系统开关增益前提下，补偿各种扰动引起的误差，确保并网安全稳定运行。

附图说明

图1是光伏并网发电装置组成示意图；

图2是主电路与控制电路的电路图；

图3是采样调理电路的电路图；

图4是并网发电装置等效电路图；

图5是光伏并网发电装置结构图；

图6(a)是PI反馈控制系统扰动阶跃响应图；图6(b)是复合校正控制系统扰动阶跃响应图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示是本发明所述的光伏并网发电装置组成示意图，光伏并网发电装置包括光伏电池1、全桥逆变电路2、采样调理电路3、单片机4、驱动电路5、滤波电路6、工频变压器7和负载8。

光伏电池1经全桥逆变电路2，将光伏电池直流电压逆变成高频矩阵脉冲式交流电压。相比于传统的半桥逆变电路，全桥逆变电路具有直流电压利用率高、输出谐波含量小等特点，控制方式灵活，开关管所受电压电流应力小，便于实现软开关技术。为降低功率开关管开关损耗，提高系统效率，装置采用混合单极性逆变调制技术。

滤波电路6用于滤除全桥输出中的谐波分量，输出正弦交流电。滤波电路采用低通LC滤波，考虑输出波形失真度及系统无功损耗，优化设计滤波器滤波时间常数。

采用带中心抽头的工频隔离变压器实现装置与电网的连接，工频变压器7输出高压侧接入电网，输出低压侧作为输出并网电流反馈信号，实时反馈并网电流频率及相位信息。

采样调理电路3采集电网电压正弦参考信号及输出并网电流信号。采样调理电路3同时采集光伏电池输出电压U_d及输出电流I_d，实时检测光伏电池输出功率，采用滞环比较的思想实现光伏电池最大功率跟踪，确保光伏电池实时工作于最大功率点，提高光伏电池输出功率。采样调理电路3将采样信号调理至单片机的电平幅值范围内。

单片机4负责采集信号的运算处理，通过内部EV模块产生HPWM控制信号通过驱动电路5灵活控制功率开关管。

如图2所示是主电路与控制电路的电路图。全桥逆变电路2包括四个功率开关管，第一功率开关管M1、第二功率开关管M2、第三功率开关管M3和第四功率开关管M4。为保证开关管不被击穿并留有一定裕量，开关管选择IRF540。由于无功功率回馈到输入侧，功率场效应管体二极管性能变差，全桥逆变电路的功率开关管管反并四个二极管，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，选用肖特基二极管为SB560，耐压60V、压降0.67V、额定电流5A。

为保证并入电网的电压质量，降低装置输出波形失真度，在逆变器输出端接入低通LC滤波器，滤除逆变器全桥输出中高频谐波分量。滤波电路6包括第一电感L1和第一电容C1。工频变压器7包括工频隔离变压器T1，变压器包括输入侧、输出高压侧和输出低压侧。负载8为第一电阻R1。

驱动电路5包括第一芯片P1和第二芯片P2。驱动电路采用栅极驱动控制专用集成电路芯片IR21094。IR21094芯片由两个独立的高端和低端输出通道产生互补的逻辑信号，可驱动同桥臂的两个功率开关管，内部自举工作，高边输出与输入同相，低边输出死区时间调整后与输入反向。驱动电路的作用是将控制电路输出的HPWM脉冲放大到足以驱动功率管，所以单从原理上来说，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。同时驱动电路还需要实现控制电路与主电路之间的隔离。一般采用光电耦合器来实现隔离。由于光耦的压摆率较低，驱动电路与隔离电路中间还要设置整形电路。

驱动电路5的前级还设置有整形电路9和光耦隔离电路10。整形电路9包括第三芯片P3和第四芯片P4，采用同相缓冲器CD4010控制信号整形。光耦隔离电路10包括第五芯片P5和第六芯片P6，采用光耦芯片TLP521进行隔离，具有电气隔离的功能，内部还带有图腾柱驱动电路，最小峰值驱动电流达2A，能够直接实现隔离驱动。光耦隔离电路10前级连接控制电路，控制电路即单片机4。

如图3所示是采样调理电路3的电路图。为了实现闭环控制，必须对系统各部分运行参数进行全面的检测，对各种信号进行及时的采样。光伏发电系统逆变器的运行信号包括逆变器输出电压相位、输出电压频率、输出电感电流以及光伏电池直流输入电压、电流等。采样、调理电路必须对这些信号进行有效的预处理，使之符合数字控制部分的输入幅值要求，以方便数字控制部分根据相应的反馈信号，采用合适的算法实现有效的闭环控制。

采样调理电路3包括电压采样电路11、电流采样电路12、频率捕获电路13和信号调理电路14。

电压信号采样对电压量的采样选用电压传感器VSM025A，其原边与副边相互隔离，额定测量电压为500V，原边额定电流为10mA，原、副边转换率为2500∶1000，具有出色的精度和线性度、抗外界干扰能力强、温漂低、共模抑制比强、反应时间快、频带宽等特点，适用于逆变电源系统。电压采样电路11包括第七芯片P7、第二电阻R2、第三电阻R3和第二电容C2。

电流信号采样对电流量的采样选用霍尔电流传感器CSM005A，是应用霍尔效应原理的新一代电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。额定测量电流达5A，原、副边匝数比为5∶1000，具有高精度、高线性度、低温漂、抗干扰能力强等优点，广泛的应用于逆变器系统中。电流采样电路12包括第八芯片P8、第四电阻R4和第三电容C3。

根据指标要求，输出交流电压信号必须与模拟基准正弦信号同频，因此需要采样输出电压的频率，以便有效地控制输出电压频率。信号通过一级的过零比较器，得到相应的频率捕获信号，并将信号送入单片机的捕获引脚。频率捕获电路13包括第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4、第五二极管D5、第六二极管D6和过零比较器A1。

逆变器的数字控制部分内部集成的A/D转换器允许输入电压范围是0～3V，因此必须要选取合适的测量电阻，采样信号才能输入到处理器的A/D采样单元。信号调理电路14，输出电压经过电压采样后，输出幅值范围为-15V～+15V，经第一级运算放大器A2，信号幅值范围缩小10倍，变为-1.5～+1.5V；再经第二级运算放大器A3的加法运算，使信号整体抬升1.5V，幅值范围变为0～3V，进入单片机的A/D采样引脚。输入电压的调理电路以及输出电感电流的调理电路与之类似。

并网发电装置等效电路图如图4所示，M1、M2、M3及M4为功率开关管。HPWM调制方式工作过程为：在输出电压的正半周期内，M2功率开关管与M4功率开关管工作于低频状态，两者控制波形互补，M4导通，M2关断。同时M1功率开关管与M3功率开关管工作于高频状态，两管所在桥臂受高频脉宽调制，互补通断。在输出电压负半周期内，两桥臂工作状态互换，M1与M3低频互补，M3导通，M1关断，M2与M4所在桥臂实现高频脉宽调制，互补通断。两桥臂工作状态均衡，逆变器输出电压正负半周相对称。

考虑系统动态性能及稳态特性，将电网电压作为可量测扰动，采用扰动前馈补偿控制与PI反馈控制相结合的复合校正控制方式，实现对系统中由主要扰动引起的误差通过前馈控制进行全补偿，对系统中由次要扰动引起的误差通过PI反馈控制予以抑制，在不提高系统开关增益前提下，补偿各种扰动引起的误差，保证系统在出现外部扰动情况下可在0.5s内调节至稳定状态，确保并网安全稳定运行。

U_d为光伏电池输出直流电压，I_d为光伏电池输出直流电流，L为滤波电感，R为电感和线路等效电阻，U_S为电网电压，U_AB为逆变器输出并网电压。直流侧电容C确保光伏电池的小信号扰动频率远小于HPWM波调制波频率。由等效电路示意图可知，当取输出并网电流I_S作为控制变量时有：

频域上：

其中，H₃(S)为滤波器传递函数。设计采用HPWM调制方式控制功率开关管，由此可忽略功率开关管死区时间造成的非线性影响，逆变器环节可等效为一个比例环节，其传递函数设为H₂(S)。

为提高系统稳态性能和动态性能，将U_S作为可量测扰动，采用扰动前馈补偿控制和PI反馈控制相结合的复合校正控制方式，设计的光伏并网发电装置结构图如图5所示。

H₁(S)为PI调节器传递函数，H_S(S)为前馈补偿传递函数，i*为输出电流设定值。

PI调节器的传递函数为：

系统在i*输入下的开环传递函数为：

当系统不增设扰动前馈控制调节时，扰动信号U_s对输出电流I_s的影响可表示为(由于外部扰动是影响系统稳定性的一个重要因素，本文主要研究外部扰动U_S对系统输出及稳定性的影响，故以下分析均默认i*＝0)：

其中，K_P为比例调节系数，K_I为积分调节系数，K_HPWM为逆变器放大倍数，α为占空比。

扰动对系统输出及稳定性影响可由系统扰动误差表示，不增设扰动前馈控制调节时的系统扰动误差为：

当系统加入扰动前馈控制调节后，扰动信号通过前馈补偿环节H_S(S)对系统输出产生补偿作用，抵消扰动通过滤波器对输出产生的影响。前馈控制本质是一种开环控制，增设前馈补偿不影响系统稳定性。此时系统扰动误差为：

根据以上对光伏并网发电装置传递函数的建立以及在小信号下对系统扰动误差的分析，利用MTALAB对光伏发电系统进行建模仿真，分析比较PI反馈控制与复合校正控制对系统性能的影响。由于本设计主要研究外部扰动U_S对系统输出及系统稳定性的影响，所以默认有i*＝0，外部扰动U_S采用阶跃函数。PI反馈控制系统与复合校正控制系统扰动阶跃响应如图6所示，图6(a)是PI反馈控制系统，图6(b)是复合校正控制系统。

分析图6可知，两种控制系统均具有较快响应速度，当外部干扰发生变化时，其调节时间远小于0.5s。同时，相比于PI反馈控制系统，采用复合校正控制可有效补偿扰动信号对系统输出的影响，提高系统控制精确度，系统超调量明显减小。本设计最终可实现对由主要扰动U_S引起的误差通过前馈控制进行全补偿，对系统中次要扰动引起的误差通过PI反馈控制予以抑制，在不提高系统开关增益的前提下，补偿各种扰动引起的误差，系统的动态性能和稳态性能好。

Claims (5)

1.一种光伏并网发电装置，其特征在于：包括光伏电池(1)、全桥逆变电路(2)、采样调理电路(3)、单片机(4)、驱动电路(5)、滤波电路(6)、工频变压器(7)和负载(8)；

光伏电池经全桥逆变电路，将直流电逆变成交流电；交流电经滤波电路和工频变压器输出给负载供电；采样调理电路采样光伏电池和负载上的信号，输出至单片机；单片机进行运算，输出信号控制驱动电路；驱动电路用于驱动全桥逆变电路。

2.根据权利要求1所述的光伏并网发电装置，其特征在于：全桥逆变电路(2)包括第一功率开关管(M1)、第二功率开关管(M2)、第三功率开关管(M3)和第四功率开关管(M4)；滤波电路(6)包括第一电感(L1)和第一电容(C1)；工频变压器(7)包括工频隔离变压器(T1)；负载(8)为第一电阻(R1)。

3.根据权利要求1所述的光伏并网发电装置，其特征在于：驱动电路(5)包括第一芯片(P1)和第二芯片(P2)；驱动电路(5)的前级还设置有整形电路(9)和光耦隔离电路(10)；整形电路(9)包括第三芯片(P3)和第四芯片(P4)；光耦隔离电路(10)包括第五芯片(P5)和第六芯片(P6)；

第一芯片(P1)和第二芯片(P2)为栅极驱动控制专用集成电路芯片IR21094；第三芯片(P3)和第四芯片(P4)为同相缓冲器CD4010；第五芯片(P5)和第六芯片(P6)为光耦隔离芯片TLP521。

4.根据权利要求1所述的光伏并网发电装置，其特征在于：采样调理电路(3)包括电压采样电路(11)、电流采样电路(12)、频率捕获电路(13)和信号调理电路(14)；

压采样电路(11)包括第七芯片(P7)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第二电容(C2)，第七芯片(P7)为电压传感器VSM025A；电流采样电路(12)包括第八芯片(P8)、第四电阻(R4)和第三电容(C3)，第八芯片(P8)为霍尔电流传感器CSM005A；频率捕获电路(13)包括第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第四电容(C4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)和过零比较器(A1)；信号调理电路(14)包括第一级运算放大器(A2)和第二级运算放大器(A3)。

5.一种应用于权利要求1-4所述光伏并网发电装置的复合校正控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

取输出并网电流I_S作为控制变量：

$L\frac{{\mathrm{dI}}_S}{dt}=U_{AB}-U_S-I_{S}R$

其中，L为滤波电感，R为电感和线路等效电阻，U_S为电网电压，U_AB为逆变器输出并网电压；

频域上：

$I_S\left(S\right)=\frac{1}{LS+R}\left(U_{AB}\right(S)-U_S(S\left)\right)=H_3\left(S\right)\left(U_{AB}\right(S)-U_S(S\left)\right)$

其中，H₃(S)为滤波器传递函数；

PI调节器的传递函数H₁(S)为：

$H_1\left(S\right)=\frac{K_{P}s+K_I}{s}$

系统的开环传递函数H(S)为：

$H\left(S\right)=H_1\left(S\right)H_2\left(S\right)H_3\left(S\right)=\frac{K_{P}s+K_I}{s}\×\frac{K_{HPWM}\×\frac{1}{R}}{\frac{L}{R}s+1}=\frac{K_{HPWM}(K_{P}s+K_I)}{s(Ls+R)}$

$I_S\left(S\right)=\frac{H_3\left(S\right)}{1+\mathrm{\α}H\left(S\right)}{U}_S\left(S\right)=H_S\left(S\right)U_S\left(S\right)$

其中，K_P为比例调节系数，K_l为积分调节系数，K_HPWM为逆变器放大倍数，α为占空比；H₂(S)为逆变器的传递函数；

系统扰动误差为：

${E_S}^{\′}\left(S\right)=-I_S\left(S\right)=-\frac{H_3\left(S\right)}{1+\mathrm{\α}H\left(S\right)}{U}_S\left(S\right)$

加入扰动前馈控制，系统扰动误差为：

$E_S\left(S\right)=-I_S\left(S\right)=-\frac{H_3\left(S\right)(1+H_2(S)H_S\left(S\right))}{1+\mathrm{\α}H\left(S\right)}{U}_S\left(S\right).$