CN110336318A - 一种单相光伏并网发电系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单相光伏并网发电系统及控制方法，它包括功率单元和控制单元两部分，功率单元与控制单元通过导线连接；所述功率单元包括光伏组件，光伏组件与前级Boost变换器输入端连接；前级Boost变换器输出端与后级并网逆变器输入端连接；后级并网逆变器输出端通过滤波电感后与电网连接；解决了现有技术PCI控制在基频附近存在稳态误差及并网电流的动稳态响应速度慢等问题。
Description
技术领域
本发明属于分布式发电与微电网技术，用于两级式单相光伏并网发电系统，尤其涉及一种单相光伏并网发电系统及控制方法。
背景技术
随着全球范围内能源危机和环境问题的日益突出，为了实现新能源（分布式发电）的最大化利用，微电网技术得到越来越多的关注。光伏并网逆变器作为微电网中的关键设备之一，是分布式资源与配电网（微电网）的纽带。因此，光伏单相并网发电系统作为最常用的户用光伏发电设备，其功能被深入挖掘并肯定了其有益的作用。
在单相光伏并网发电系统中，单相并网逆变器最常用的电网电压定向的矢量控制，其在电压定向的基础上，通过输出电流矢量的控制，向电网中注入功率。基于电压定向的矢量控制策略的控制性能又取决电网电压矢量位置的准确获取，定向性能取决于锁相环设计性能。一种基于旋转坐标变换的单相电力信号同步相位快速开环捕获方法，可同时应对幅值、相位和频率的突变。基于电流闭环的矢量控制策略，为实现单相并网逆变器输出交流电流的无静差控制，根据参考坐标系选择的不同，其控制设计主要分为基于同步旋转坐标系以及静止坐标系的两种结构的控制设计。
常用的控制策略有电流H∞重复控制、电流比例谐振控制、电流无差拍预测控制和电流比例积分控制。其中PI控制作为最常用的控制策略之一，简单易实现，受到广泛应用，但是只能对直流量实现无静差控制，对交流控制存在较大的稳态误差。在PI控制的基础上，提出一种基于αβ静止坐标系的比例复数积分控制（Proportional Complex Integral,PCI），可以消除交流量控制存在的稳态误差。PCI控制只有在基频处可以实现交流量稳态误差调节，否则增益会迅速较小，造成较大的偏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
提供一种单相光伏并网发电系统及控制方法，以解决PCI控制在基频附近存在稳态误差及并网电流的动稳态响应速度慢等问题。
本发明的技术方案是：
一种单相光伏并网发电系统，它包括功率单元和控制单元两部分，功率单元与控制单元通过导线连接；所述功率单元包括光伏组件，光伏组件与前级Boost变换器输入端连接；前级Boost变换器输出端与后级并网逆变器输入端连接；后级并网逆变器输出端通过滤波电感后与电网连接。
作为本发明的进一步改进，所述控制单元包括DSP控制系统模块、检测电路模块和驱动电路模块；DSP控制系统模块分别与检测电路模块和驱动电路模块连接。
作为本发明的进一步改进，所述检测电路具体包括与直流电压霍尔传感器连接的直流电压采样电路、与直流电流霍尔传感器连接的直流电流采样电路、与交流电流互感器连接的交流电流采样电路以及与交流电压互感器连接的交流电压采样电路，且所述直流电压采样电路、直流电流采样电路、交流电流采样电路以及交流电压采样电路分别与DSP控制系统中的AD模块相连。
作为本发明的进一步改进，所述驱动电路采用隔离电源和HLP3120驱动芯片组成，所述隔离电源用于给HLP3120驱动芯片供电，用来控制后级并网逆变器的开关管。
本发明还公开了一种单相光伏并网发电系统的控制方法，包括以下步骤：
前级Boost变换器控制和后级并网逆变器控制，前级Boost变换器采用恒定电压控制法；后级并网逆变器控制采用功率下垂控制法。
所述恒定电压控制法采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制方式，直流电压外环负责维持直流母线电压恒定和输出光伏组件电流指令，电流内环用来加快系统响应速度且限制光伏组件输出电流；在直流电压外环、电流内环的双闭环控制作用下，前级Boost变换器进入稳态运行，直流母线电压U dc维持不变。
所述后级并网逆变器控制采用功率下垂控制法，它利用频率下垂控制模拟传统同步发电机一次调频过程，由功频外环、电流内环的双闭环组成；在不考虑无功功率对系统影响的情况下，只采用电流内环控制；在有功部分先利用频率下垂控制模拟传统同步发电机一次调频过程，频率下垂环的输出P ω叠加到有功给定P 0上，响应系统有功功率的输出，功率控制环的输出又作为电感电流内环的给定，电流内环加速系统响应速度，且通过限流来保证逆变器安全运行。
所述采用电流内环控制的方法为：单相并网逆变器的给定电流Iref与经过滤波器后的并网输出电流I o进行做差运算，将所获得的偏差信号送入QPCI控制器进行调节，再将QPCI控制器输出的信号作为调制波信号送入SPWM生成模块，最后生成两对互补带死区且相位相差180的PWM驱动信号。
所述QPCI控制器进行调节的方法为：构造三相或者两相静止坐标系，利用延时来虚拟三相静止坐标系或者两相静止坐标系，把单相电流误差信号转化成三相幅值相等且相位互差120 的偏差信号。
本发明有益效果：
本发明采用基于QPCI控制，使得系统的输出量在QPCI控制下跟随参考量，基本不受扰动量的影响；采用虚拟两相ab坐标系QPCI控制或全通滤波器实现QPCI控制减少坐标变换运算，使得控制结构简单、易于实现；同时提高并网电流的动稳态响应速度；解决了现有技术PCI控制在基频附近存在稳态误差及并网电流的动稳态响应速度慢等问题。
附图说明
图1为单相光伏并网发电系统的结构框图；
图2为前级Boost变换器控制框图；
图3为后级并网逆变器控制框图；
图4为单相并网逆变器的控制原理图；
图5为单相并网逆变器的电流环控制结构；
图6为虚拟三相abc坐标系QPCI控制框图；
图7为虚拟两相ab坐标系QPCI控制框图；
图8为全通滤波器幅频特性曲线；
图9为利用全通滤波器实现QPCI控制框图；
图10-a为虚拟坐标系实现单相QPCI控制的电流暂态仿真波形；
图10-b为全通滤波器实现单相QPCI控制的电流暂态仿真波形；
图11为单相并网电流稳态仿真波形；
图12为单相并网电流暂态实验波形；
图13为单相并网电流稳态实验波形；
图14为检测电路的电路原理图。
具体实施方式
参照附图1所示，本发明中的光伏并网发电系统由功率单元和控制单元两部分组成。
具体地，在系统的功率部分，单相光伏并网发电系统由光伏组件，前级Boost变换器和后级并网逆变器组成。
所述的的光伏组件由5并10串的光伏板（型号为：Suntech Power STP200-18-UB-1）组成，其最大功率输出为10kW。
所述的前级Boost变换器将光伏输出的电压升高至后级并网逆变器正常工作的范围，同时对光伏组件进行最大功率跟踪控制。
所述的后级并网逆变器将光伏组件和前级Boost变换器输出的直流电转换交流电。
光伏组件的输出端接前级Boost变换器的输入端，而前级Boost变换器的输出端经过直流母线接后级并网逆变器的输入端，后级并网逆变器的输出端接滤波电感后，向电网注入功率。
在系统的控制单元部分，由DSP控制系统模块、检测模块和驱动模块组成。
所述的DSP控制系统单元由PWM模块、AD模块、控制算法模块和保护模块组成，其属于DSP的内部单元，具体地，PWM模块和AD模块都是DSP中的硬件模块，而控制算法模块是DSP中执行的程序部分。
具体地，参照附图14，所述检测电路具体包括与直流电压连接的霍尔电压传感器VSM025A、与直流电流连接的霍尔直流电流传感器HDC-10SY、与交流电流连接的交流电流互感器HX-10-P以及与交流电压连接的交流电压互感器DL-PT202H，且所述霍尔电压电流传感器、交流电压电流互感器与DSP控制系统中的AD模块相连。，
所述的检测模块利用电压、电流霍尔传感器将功率电路中的电压电流转换成普通信号，再经过信号调理电路送入DSP控制系统的AD模块。
使用时，霍尔电流传感器作为测量工具，可以直接测量；
通过上述这些电路器件，具有电气隔离的作用，同时通过信号调理电路，使得大信号转换为小信号。
本实施例中，在驱动电路采用隔离电源和HLP3120驱动芯片组成，用来控制开关管。HLP3120驱动芯片，其同时包含隔离以及功率放大的作用，进而能够实现隔离以及功率调节的作用。
单相光伏并网发电系统的控制部分由前级Boost变换器和后级并网逆变器的控制共同组成。其中，前级Boost变换器采用恒定电压法（CVT），其由直流电压外环、电流内环的双闭环控制组成；而后级并网逆变器采用功率下垂控制的控制策略，利用频率下垂控制模拟传统同步发电机一次调频过程，其由功频外环、电流内环的双闭环组成。
光伏组件输出的电压等级一般不足以用于并网逆变器并网，所以一般先采用前级Boost变换器升压，再进行逆变器并网。其中前级Boost变换器的控制框图如附图2所示，采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制策略。直流电压外环负责维持直流母线电压恒定和输出光伏组件电流指令，电流内环用来加快系统响应速度且限制光伏组件输出电流。在直流电压外环、电流内环的双闭环控制作用下，前级Boost变换器进入稳态运行，直流母线电压U dc几乎维持不变，光伏组件和前级Boost变换器可以近似为一个直流电压源。
在前级Boost变换器采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制来维持直流母线恒定的前提下，为了保证系统在电源侧或者负荷侧发生波动的情况下，系统仍然保持正常运行，只能通过后级并网逆变器进行动态响应，抑制外界的扰动。为此，采用如附图3所示的功频下垂控制策略，在不考虑无功功率对系统影响的情况下，只采用电流内环控制即可；而在有功部分，先利用频率下垂控制模拟传统同步发电机一次调频过程，频率下垂环的输出P ω叠加到有功给定P 0上，响应系统有功功率的输出，功率控制环的输出又作为电感电流内环的给定，电流内环加速系统响应速度，且通过限流来保证逆变器安全运行。
在单相光伏并网发电系统的后级并网逆变器控制中，如何选择合适的电流内环控制器至关重要，本发明的核心是提出一种适用于后级并网逆变器的QPCI控制策略，如附图4所示是只考虑电流内环的单相并网逆变器的控制原理图。采用非隔离拓扑结构，其中U dc用直流稳压电源模拟，开关管S 1-S 4选用G60N100型IGBT，L为单相并网逆变器及L型无源滤波器的等效电感。直接电流控制过程可以概述为：单相并网逆变器的给定电流I ref与经过滤波器后的并网输出电流I o进行做差运算，将所获得的偏差信号送入QPCI控制器进行调节，再将QPCI控制器输出的信号作为调制波信号送入SPWM生成模块，最后生成两对互补带死区且相位相差180的PWM驱动信号。
利用自动控制原理的知识，对附图4中的控制框图进行数学建模，可得如附图5所示的电流环控制结构。其中G(s)为QPCI控制器的传函，K为PWM模块的等效增益，U g为电网电压扰动，R为L型滤波器以及后级逆变器的等效电阻。
由附图5所示的电流环控制结构可得单相并网逆变器的输出电流I o为：
(1)
式中：K通常取U dc/2，I ref(s)为参考电流，P(s)=1/(sL+R)。
QPCI控制器的传递函数如下：
(2)
式中，K p为QPCI控制器的比例系数；K i为QPCI控制器的积分系数；ω 0为QPCI控制器的基波频率；ω c为QPCI控制器通频带宽。
将式(2)代入式(1)可得：
(3)
式中：
,
根据式(3)可知，前部分为参考量I ref(s)对系统输出I o(s)的影响，后半部分为扰动量U g(s)对系统输出I o(s)的影响。当参考量I ref(s)和扰动量U g(s)的频率和式(2)中的基波频率ω 0相同时，此时A≈0，B≈1，式(3)可以被简化为：
(4)
式(4)表明：当ω≈ω 0时，系统电流输出量I o(s)可以完全跟随电流参考量I ref(s)，且基本不受电网电压扰动量U g(s)影响。
从上面的理论推导可知，QPCI控制在单相并网逆变器应用中具有较好的静稳态特性。下面将从如何实现单相并网逆变器直接电流控制的角度对QPCI控制进行论述。
在利用QPCI控制实现单相并网逆变器直接电流控制时，一般需要构造三相或者两相静止坐标系，最原始的利用延时来虚拟三相静止坐标系或者两相静止坐标系。如附图6所示，利用延时的方式构造出三相虚拟坐标系，把单相电流误差信号转化成三相幅值相等且相位互差120 的偏差信号，与三相并网逆变器基于abc坐标系下QPCI控制实现类似。
将三相虚拟坐标系下的控制结构稍作简化，就可以得到如附图7所示，在两相ab坐标系下实现基于QPCI控制单相并网逆变器的功能。
如附图8所示是一阶全通滤波器的幅频特性曲线。明显可以看出，在基频处的幅频特性为1，相频特性为-90 ，实现复数-j。
为了简化基于QPCI控制的单相并网逆变器控制结构，用一阶全通滤波器的传递函数F(s)=(-s+ω0)/(s+ω0)直接替换-j。如附图9所示是利用全通滤波器实现单相QPCI控制的结构框图。与构造虚拟坐标系相比，几乎少了1/3的运算量。因此后文的仿真和实验结合全通滤波器实现单相QPCI进行验证。
在数字化实现过程中，一般采用双线性变换将连续域转换成离散域：
(5)
式中：T s为控制周期。
为了验证上述控制策略和实现方法的有效性，首先利用MATLAB/SIMULINK仿真平台搭建基于QPCI控制的单相并网逆变器控制系统，再仿真验证无误的情况下，最后搭建基于DSP 28335控制的数字化实验平台进行验证。
基于QPCI控制的单相并网逆变器控制系统，不仅可以通过延时构造三相或者两相虚拟坐标系实现单相QPCI控制，也可以通过借鉴一阶全通滤波器在基频处的特性来实现单相QPCI控制。对比两者控制结构，利用全通滤波器实现单相QPCI控制简单、易实现。
利用虚拟坐标系和全通滤波器实现对单相QPCI控制的仿真如附图10、11所示。图10-a为虚拟坐标系实现单相QPCI控制的电流暂态仿真波形；
图10-b为全通滤波器实现单相QPCI控制的电流暂态仿真波形；
其中，波形I ref是并网电流的参考值，波形I out是并网电流的输出值，波形I e是并网电流的偏差值。附图10-a是利用虚拟坐标系实现单相QPCI控制的输出电流波形，大约经过1.25周期进入稳态。而附图10-b是利用全通滤波器实现对单相QPCI控制，输出电流大约经过1/4周期进入稳态，偏差值接近零。
附图11是单相并网电流稳态仿真波形，并网输出电流稳态值为2A，与并网参考电流保持一致，同时并网电流谐波含量较少。
为了进一步验证利用全通滤波器实现单相QPCI控制的有效性，搭建实验平台进行验证。附图12和附图13分别是单相并网电流的暂态与稳态实验波形，实验结果与仿真结果保持一致，有效验证了利用全通滤波器实现单相QPCI控制具有良好的动稳态性能。
针对于单相并网逆变器在50Hz附近一般是有差控制的问题，提出一种基于QPCI控制的单相并网逆变器控制技术。将QPCI控制器与单相并网逆变器数学模型结合分析，从理论上证明QPCI控制在基频处具有良好的动稳态特性。利用QPCI控制来实现单相并网逆变器直接电流控制，提出延时虚拟静止坐标系和全通滤波器来实现单相QPCI控制等两种控制方案，对比两者控制结构，发现全通滤波器实现单相QPCI控制简单、易实现，利用仿真和实验对全通滤波器实现单相QPCI控制进行验证，证实该控制方案在基频处具有较好的静稳态特性，可以作为微电网中的单相并网逆变器的控制技术进行应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种单相光伏并网发电系统，用于两级式单相光伏并网发电系统；包括功率单元和控制单元两部分，功率单元与控制单元通过导线连接；其特征在于：所述功率单元包括光伏组件、前级Boost变换器以及后级并网逆变器，所述前级Boost变换器的输入端和输出端分别与所述光伏组件与前级Boost变换器输入端连接；前级Boost变换器输出端与后级并网逆变器输入端连接，所述后级并网逆变器输出端通过滤波电感后与电网连接；
所述控制单元分别与所述前级Boost变换器以及后级并网逆变器连接，用于分别控制前级Boost变换器以及后级并网逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种单相光伏并网发电系统，其特征在于：所述控制单元包括DSP控制系统、检测电路和驱动电路；DSP控制系统分别与检测电路和驱动电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种单相光伏并网发电系统，其特征在于：所述检测电路具体包括与直流电压霍尔传感器连接的直流电压采样电路、与直流电流霍尔传感器连接的直流电流采样电路、与交流电流互感器连接的交流电流采样电路以及与交流电压互感器连接的交流电压采样电路，且所述直流电压采样电路、直流电流采样电路、交流电流采样电路以及交流电压采样电路分别与DSP控制系统中的AD模块相连。
4.根据权利要求2所述的一种单相光伏并网发电系统，其特征在于：所述驱动电路采用隔离电源和HLP3120驱动芯片组成，所述隔离电源用于给HLP3120驱动芯片供电，用来控制后级并网逆变器的开关管。
5.一种通过如权利要求1-4任一所述的单相光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
前级Boost变换器控制和后级并网逆变器控制，所述前级Boost变换器采用恒定电压控制法；所述后级并网逆变器控制采用功率下垂控制法。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述恒定电压控制法具体为：采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制方式，直流电压外环负责维持直流母线电压恒定和输出光伏组件电流指令，电流内环用来加快系统响应速度且限制光伏组件输出电流；在直流电压外环、电流内环的双闭环控制作用下，前级Boost变换器进入稳态运行，直流母线电压U dc维持不变。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述后级并网逆变器控制采用功率下垂控制法，它利用频率下垂控制模拟传统同步发电机一次调频过程，由功频外环、电流内环的双闭环组成；在不考虑无功功率对系统影响的情况下，只采用电流内环控制；在有功部分先利用频率下垂控制模拟传统同步发电机一次调频过程，频率下垂环的输出P ω叠加到有功给定P 0上，响应系统有功功率的输出，功率控制环的输出又作为电感电流内环的给定，电流内环加速系统响应速度，且通过限流来保证逆变器安全运行。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述采用电流内环控制的方法为：单相并网逆变器的给定电流I ref与经过滤波器后的并网输出电流I o进行做差运算，将所获得的偏差信号送入QPCI控制器进行调节，再将QPCI控制器输出的信号作为调制波信号送入SPWM生成模块，最后生成两对互补带死区且相位相差180的PWM驱动信号。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述QPCI控制器进行调节的方法为：构造三相或者两相静止坐标系，利用延时来虚拟三相静止坐标系或者两相静止坐标系，把单相电流误差信号转化成三相幅值相等且相位互差120 的偏差信号。
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