CN107612019A - 一种组串式光伏逆变器有功功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组串式光伏逆变器有功功率控制方法及系统，建立与各光伏电池板对应的Boost电路及与各光伏电池板对应的MPPT模块，采集三相电网电压和三相电网电流，计算逆变器的有功功率值，将有功功率值与有功调度指令值作差，经过PI调节得到电压指令变化值；当电压指令变化值为零时，逆变器进行最大功率跟踪控制；当大于零时，将电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的有功功率值叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路。本发明对多路MPPT有功功率的控制实现起来简单易行，根据有功功率调度指令值和光伏阵列发电能力实现了有功功率不同控制模式之间的平滑切换。

Description

一种组串式光伏逆变器有功功率控制方法及系统

技术领域

本发明属于光伏逆变器并网控制技术领域，特别涉及一种组串式光伏逆变器有功功率控制方法及系统。

背景技术

太阳能光伏发电作为一种可再生能源发电技术可提供清洁环保无污染的太阳能倍受世界范围关注。大部分光伏电站为了提高发电效率，光伏阵列通常以最大功率跟踪控制(Maximum Power Point Tracking，MPPT)进行发电。由于太阳能光照强度、温度、湿度等气候条件的随机性，MPPT控制方式也会使得输出功率不够平稳，波动较大，对电网功率平衡也会造成不利影响。

传统集中式光伏逆变器多采用单路独立控制的MPPT，易受现场各种复杂情况的影响，导致单路MPPT跟踪曲线出现多个波峰，逆变器工作在哪个波峰的电压下都会造成发电量的损失。为应对由于复杂地形及局部阴影遮挡等因素导致的单路MPPT跟踪效果差的问题，具有多路独立MPPT跟踪的组串式逆变器应运而生，多路MPPT跟踪减弱了复杂地形及局部阴影遮挡等因素对MPPT跟踪效果的影响，确保了光伏组件最大功率输出。

如公开号为“CN104104325A”，名称为“一种组串式光伏逆变器的控制方法和系统”的中国专利，公开了一种组串式的光伏逆变器，该逆变器包括多路光伏板和与各光伏板对应的MPPT模块，还包括有两端分别与所有光伏板的输出端和MPPT模块输入端相连，并用于控制光伏板与MPPT模块连通的开关装置，该专利主要讲述的是开关装置的导通规则，并未对逆变器的有功功率如何控制进行说明，由于组串逆变器通过多路独立MPPT跟踪提高光伏组件最大功率输出的同时也带来了有功功率控制难度大的问题，相比与集中式逆变器进行有功功率控制仅需控制单路MPPT功率来说，组串式逆变器需要考虑如何控制多路MPPT功率输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组串式光伏逆变器有功功率控制方法及系统，用于解决现有技术中多路MPPT有功功率控制难度大的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种组串式光伏逆变器有功功率控制方法，包括如下步骤：

1)建立与各光伏电池板对应的Boost电路及与各光伏电池板对应的MPPT模块，各Boost电路的正极与逆变电路的正极相连，各Boost电路的负极与逆变电路的负极相连，构成逆变器；

2)采集三相电网电压和三相电网电流，计算逆变器的有功功率值，将计算得到的逆变器的有功功率值与有功调度指令值作差，经过PI调节得到电压指令变化值；

3)当所述电压指令变化值为零时，有功功率调度指令值大于逆变器的有功功率值，此时，逆变器进行最大功率跟踪控制；

4)当所述电压指令变化值大于零时，将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路。

进一步地，当各Boost电路的输入电流达到所述逆变器允许的最小电流时，控制对应的Boost电路输入的电压值为对应的Boost电路最后一次输入的电压值。

进一步地，当逆变器需要降功率时，通过将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路的导通时间，实现逆变器的降功率。

进一步地，还包括对逆变器的晶闸管导通时间控制的步骤：将采集的三相电流经过dq变换得到有功电流反馈值、无功电流反馈值和零序电流反馈值，将有功电流指令值与所述有功电流反馈值作差经过PI调节得到d轴调制度；将无功电流指令值与所述无功电流反馈值作差经过PI调节得到q轴调制度；通过均压控制得到零序电流指令值，将所述零序电流指令值与所述零序电流反馈值作差经过PR调节得到0轴调制度，将所述d轴调制度、q轴调制度和0轴调制度经过dq反变换得到三相调制波，利用所述三相调制波控制逆变器的IGBT的导通时间。

进一步地，均压控制的步骤为：采集上半母线电压值和下半母线电压值，将上半母线电压值和下半母线电压值作差得到上下母线电压偏差；将上下母线电压偏差与0作差经PI控制得到0序电流指令值，将0序电流指令值与0序电流反馈值作差经PR控制器得到0轴调制度。

本发明还提供了一种组串式光伏逆变器有功功率控制系统，包括有功功率控制器、逆变器有功功率计算模块、采集模块、与各光伏板对应的MPPT模块及与各光伏板对应的Boost电路，各Boost电路的正极与逆变电路的正极相连，各Boost电路的负极与逆变电路的负极相连，构成逆变器；

所述采集模块用于采集三相电网电压和三相电网电流，所述逆变器有功功率计算模块用于计算逆变器的有功功率值，所述有功功率控制器用于将计算得到的逆变器的有功功率值与有功调度指令值作差，经过PI调节得到电压指令变化值；

所述MPPT模块用于当所述电压指令变化值为零时，有功功率调度指令值大于逆变器的有功功率值，此时，逆变器进行最大功率跟踪控制；当所述电压指令变化值大于零时，将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路。

进一步地，当各Boost电路的输入电流达到所述逆变器允许的最小电流时，控制对应的Boost电路输入的电压值为对应的Boost电路最后一次输入的电压值。

进一步地，当逆变器需要降功率时，通过将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路的导通时间，实现逆变器的降功率。

进一步地，还包括对逆变器的晶闸管导通时间控制的模块：将采集的三相电流经过dq变换得到有功电流反馈值、无功电流反馈值和零序电流反馈值，将有功电流指令值与所述有功电流反馈值作差经过PI调节得到d轴调制度；将无功电流指令值与所述无功电流反馈值作差经过PI调节得到q轴调制度；通过均压控制得到零序电流指令值，将所述零序电流指令值与所述零序电流反馈值作差经过PR调节得到0轴调制度，将所述d轴调制度、q轴调制度和0轴调制度经过dq反变换得到三相调制波，利用所述三相调制波控制逆变器的IGBT的导通时间。

进一步地，还包括均压控制模块，所述均压控制模块用于采集上半母线电压值和下半母线电压值，将上半母线电压值和下半母线电压值作差得到上下母线电压偏差；将上下母线电压偏差与0作差经PI控制得到0序电流指令值，将0序电流指令值与0序电流反馈值作差经PR控制器得到0轴调制度。

本发明的有益效果是：

本发明通过建立与各光伏电池板对应的Boost电路及与各光伏电池板对应的MPPT模块，各Boost电路的正极与逆变电路的正极相连，各Boost电路的负极与逆变电路的负极相连，构成逆变器；采集三相电网电压和三相电网电流，计算逆变器的有功功率值，将计算得到的逆变器的有功功率值与有功调度指令值作差，经过PI调节得到电压指令变化值；当所述电压指令变化值为零时，有功功率调度指令值大于逆变器的有功功率值，此时，逆变器进行最大功率跟踪控制；当所述电压指令变化值大于零时，将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的有功功率值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路。本发明针对多路MPPT有功功率的控制实现起来简单易行，根据有功功率调度指令值和光伏阵列发电能力实现了有功功率不同控制模式之间的平滑切换。

附图说明

图1为四路MPPT组串式逆变器控制框图；

图2为四路MPPT组串式逆变器MPPT控制模式与有功功率调度模式切换流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

一种组串式光伏逆变器有功功率调度控制系统，如图1所示，该组串式逆变器采用Boost+NPC两级拓扑结构，包含四路独立输入Boost电路，各Boost电路设置有最大功率跟踪控制模块(即MPPT)，因此，本实施例中以四个最大功率跟踪控制模型为例来说明。包括有功功率控制器、逆变器有功功率计算模块、采集模块、与各光伏板对应的MPPT模块及与各光伏板对应的Boost电路，各Boost电路的正极与逆变电路的正极相连，各Boost电路的负极与逆变电路的负极相连，构成逆变器；以有功功率控制器的输出作为各最大功率跟踪控制模型的电压指令变化值，有功功率控制器的输出等于逆变器最大输出功率值与有功功率调度指令值的作差后经过PI调节得到的值；当有功功率控制器的输出为零时，此时，有功功率调度指令值大于逆变器当前最大输出功率值，逆变器进行最大功率跟踪控制；当有功功率控制器的输出大于零时，逆变器从最大功率跟踪控制切换至有功功率调度控制模式。

利用本发明的组串式光伏逆变器有功功率调度控制系统对逆变器有功功率进行控制的方法流程如下：

1、采集模块采集三相电网线电压瞬时值和三相电流瞬时值，由于电网电压采样的为线电压，逆变器有功功率计算模块计算逆变器的有功功率值P_fdb，在进行逆变器有功功率计算前首先通过下述的公式将采集的相电压转化为相电压，公式如下：

其中，Uab、Ubc、Uca为三相电网线电压瞬时采样值；Ua、Ub、Uc为三相电网相电压瞬时计算值。

然后利用上面公式中提供的参数计算逆变器的有功功率值，公式如下：

P＝Ua*Ia+Ub*Ib+Uc*Ic

其中，P为有功功率瞬时计算值；Ia、Ib、Ic分别为三相电流瞬时采样值。

2、设有功功率调度指令值为P_ref，将上述计算得到的逆变器的有功功率值P_fdb与有功功率调度指令值P_ref作差，作差后经过PI调节输出一个值△Udc_ref，将该值作为MPPT的电压指令变化值。

3、判断△Udc_ref的大小，如图2所示，当MPPT模块电压指令变化值△Udc_ref＝0阶段，逆变器进行最大功率跟踪控制，即将MPPT模块输出的电压指令值与MPPT模块的电压指令变化值△Udc_ref相加得到对应Boost电路的电压指令值，将对应Boost电路的电压指令值与对应Boost电路的电压反馈值作差，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路导通最长的时间，实现最大功率跟踪控制。

将MPPT模块的电压指令值表示为Udc_ref_mppt(1，2，3，4)，此时有功调度指令P_ref大于逆变器当前最大输出功率值P_fdb，功率控制器输出达到下限限幅0(即△Udc_ref＝0)；此时，各MPPT模块输出的最后的电压指令分别表示为：

Udc_ref1_0＝Udc_ref1_mppt1，Udc_ref2_0＝Udc_ref2_mppt2；

Udc_ref3_0＝Udc_ref3_mppt3，Udc_ref4_0＝Udc_ref4_mppt4；

由于△Udc_ref＝0，所以逆变器的各Boost电路的电压指令值分别表示为：

Udc_ref1＝Udc_ref1_mppt1，Udc_ref2＝Udc_ref2_mppt2；

Udc_ref3＝Udc_ref3_mppt3，Udc_ref4＝Udc_ref4_mppt4。

当MPPT模块的电压指令变化值△Udc_ref>0阶段，逆变器从最大功率跟踪控制切至有功功率调度控制模式，最大功率跟踪控制器停止运行，Boost电路的电压指令值Udc_ref(1，2，3，4)由逆变器切至有功调度控制模式前的MPPT模块输出最后电压指令Udc_ref(1，2，3，4)_0与有功控制器输出的MPPT模块的电压指令变化值△Udc_ref共同决定，即可表示为：

Udc_ref1＝Udc_ref1_0+△Udc_ref，Udc_ref2＝Udc_ref2_0+△Udc_ref；

Udc_ref3＝Udc_ref3_0+△Udc_ref，Udc_ref4＝Udc_ref4_0+△Udc_ref。

将MPPT模块的电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，得到对应Boost电路的电压指令值，将对应Boost电路的电压指令值与对应Boost电路的电压反馈值作差，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路的导通时间。

进一步地，当Boost输入电流值Ibst(1，2，3，4)达到单路Boost允许的最小输入电流Ibst_min时，则令Boost的电压指令值Udc_ref(1，2，3，4)维持最后的电压指令Udc_ref(1，2，3，4)_last，控制该路Boost输入电压不再向功率减小的方向偏移，保持最小功率运行，以第一个Boost电路为例，若该Boost电路输入电流值Ibst1满足(Ibst1≤Ibst_min)&&(Udc_ref1>Udc_ref1_last)，则控制该Boost电路的输入电压指令维持最后输出的电压指令不变，即维持Udc_ref1＝Udc_ref1_last不变，同理控制其他的Boost电路的输入电压指令维持最后输出的电压指令不变，以控制Boost输入电压不再向功率小的方向偏移。

4、当系统需要逆变器降功率运行时，前级四路Boost通过MPPT跟踪得到的Boost输入电压环指令Udc_ref(1，2，3，4)，将对应Boost电路的电压指令值Udc_ref(1，2，3，4)与对应Boost电路的电压反馈值Udc_ref(1，2，3，4)作差，经过PI调节得到Boost电路占空比BMP(1，2，3，4)，进而控制Boost电路导通时间缩短，阵列电压Ubst(1，2，3，4)向最大功率点电压增大方向偏移，实现降功率控制。

本发明的后级NPC主要负责通过控制直流母线电容电压来实现将能量从直流侧输送至交流侧，具体实现方法为：根据电网电压采样Uab、Ubc、Uca锁相得到电网的相角θ，根据电流采样Ia、Ib、Ic经3/2变换得到有功电流反馈值Id_fdb、无功电流反馈值Iq_fdb以及0序电流反馈值I0_fdb；根据设定的电压指令值Udc_ref和反馈值Udc_fdb经电压外环PI控制器得到电流内环有功电流指令值Id_ref，有功电流指令值Id_ref和有功电流反馈值Id_fdb作差经电流环PI控制器得到d轴调制度；无功电流指令值Iq_ref和无功电流反馈值Iq_fdb作差经电流环PI控制器得到q轴调制度；采集上半母线电压值Udc1和下半母线电压值Udc2，将上半母线电压值和下半母线电压值作差得到上下母线电压偏差；将上下母线电压偏差与0作差经PI控制得到0序电流指令值I0_ref，将0序电流指令值I0_ref与0序电流反馈值I0_fdb作差经PR控制器得到0轴调制度；d轴、q轴和0轴调制度经3/2反变换得到三相调制波Sa、Sb和Sc，三相调制波与三角载波比较得到PWM脉冲，控制逆变电路的导通时间，进而控制NPC电路实现从直流侧将能量输送至交流侧。

本发明实现了有功功率定额与最大功率跟踪控制模式下的切换方法，且该方法易于工程实现，对光照快速变化时的有功功率进行了准确控制，对具有差异的四路MPPT模块，进行了直流电压统一偏差控制，并对MPPT模块进行了限电压控制。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种组串式光伏逆变器有功功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立与各光伏电池板对应的Boost电路及与各光伏电池板对应的MPPT模块，各Boost电路的正极与逆变电路的正极相连，各Boost电路的负极与逆变电路的负极相连，构成逆变器；

2)采集三相电网电压和三相电网电流，计算逆变器的有功功率值，将计算得到的逆变器的有功功率值与有功调度指令值作差，经过PI调节得到电压指令变化值；

3)当所述电压指令变化值为零时，有功功率调度指令值大于逆变器的有功功率值，此时，逆变器进行最大功率跟踪控制；

4)当所述电压指令变化值大于零时，将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路。

2.根据权利要求1所述的组串式光伏逆变器有功功率控制方法，其特征在于，当各BOOST电路的输入电流达到所述逆变器允许的最小电流时，控制对应的Boost电路输入的电压值为对应的Boost电路最后一次输入的电压值。

3.根据权利要求1所述的组串式光伏逆变器有功功率控制方法，其特征在于，当逆变器需要降功率时，通过将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路的导通时间，实现逆变器的降功率。

4.根据权利要求1所述的组串式光伏逆变器有功功率控制方法，其特征在于，还包括对逆变器的晶闸管导通时间控制的步骤：将采集的三相电流经过dq变换得到有功电流反馈值、无功电流反馈值和零序电流反馈值，将有功电流指令值与所述有功电流反馈值作差经过PI调节得到d轴调制度；将无功电流指令值与所述无功电流反馈值作差经过PI调节得到q轴调制度；通过均压控制得到零序电流指令值，将所述零序电流指令值与所述零序电流反馈值作差经过PR调节得到0轴调制度，将所述d轴调制度、q轴调制度和0轴调制度经过dq反变换得到三相调制波，利用所述三相调制波控制逆变器的IGBT的导通时间。

5.根据权利要求4所述的组串式光伏逆变器有功功率控制方法，其特征在于，均压控制的步骤为：采集上半母线电压值和下半母线电压值，将上半母线电压值和下半母线电压值作差得到上下母线电压偏差；将上下母线电压偏差与0作差经PI控制得到0序电流指令值，将0序电流指令值与0序电流反馈值作差经PR控制器得到0轴调制度。

6.一种组串式光伏逆变器有功功率控制系统，其特征在于，包括有功功率控制器、逆变器有功功率计算模块、采集模块、与各光伏板对应的MPPT模块及与各光伏板对应的Boost电路，各Boost电路的正极与逆变电路的正极相连，各Boost电路的负极与逆变电路的负极相连，构成逆变器；

所述采集模块用于采集三相电网电压和三相电网电流，所述逆变器有功功率计算模块用于计算逆变器的有功功率值，所述有功功率控制器用于将计算得到的逆变器的有功功率值与有功调度指令值作差，经过PI调节得到电压指令变化值；

所述MPPT模块用于当所述电压指令变化值为零时，有功功率调度指令值大于逆变器的有功功率值，此时，逆变器进行最大功率跟踪控制；当所述电压指令变化值大于零时，将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路。

7.根据权利要求6所述的组串式光伏逆变器有功功率控制系统，其特征在于，当各Boost电路的输入电流达到所述逆变器允许的最小电流时，控制对应的Boost电路输入的电压值为对应的Boost电路最后一次输入的电压值。

8.根据权利要求6所述的组串式光伏逆变器有功功率控制系统，其特征在于，当逆变器需要降功率时，通过将所述电压指令变化值与对应的MPPT模块输出的电压指令值进行叠加，经过PI调节得到控制指令控制对应的Boost电路的导通时间，实现逆变器的降功率。

9.根据权利要求6所述的组串式光伏逆变器有功功率控制系统，其特征在于，还包括对逆变器的IGBT导通时间控制的模块：将采集的三相电流经过dq变换得到有功电流反馈值、无功电流反馈值和零序电流反馈值，将有功电流指令值与所述有功电流反馈值作差经过PI调节得到d轴调制度；将无功电流指令值与所述无功电流反馈值作差经过PI调节得到q轴调制度；通过均压控制得到零序电流指令值，将所述零序电流指令值与所述零序电流反馈值作差经过PR调节得到0轴调制度，将所述d轴调制度、q轴调制度和0轴调制度经过dq反变换得到三相调制波，利用所述三相调制波控制逆变器的IGBT的导通时间。

10.根据权利要求9所述的组串式光伏逆变器有功功率控制系统，其特征在于，还包括均压控制模块，所述均压控制模块用于采集上半母线电压值和下半母线电压值，将上半母线电压值和下半母线电压值作差得到上下母线电压偏差；将上下母线电压偏差与0作差经PI控制得到0序电流指令值，将0序电流指令值与0序电流反馈值作差经PR控制器得到0轴调制度。