CN110829499A - 单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，其特征在于：首先通过采用电流互感器来测量并网电流，对系统进行控制、保护与监测；然后通过提取直流母线电压中的基频成分来评估并网电流中的直流分量信息，将获取的直流分量与0作差后经过PI控制器补偿，PI控制器的输出作为额外并网电流参考反馈给并网电流控制器，从而消除系统中的直流注入。本发明方法可替代网侧霍尔电流传感器的使用，且无需额外的硬件电路即可消除并网电流中的直流成分，方法简便、实用，有效降低了光伏发电系统的成本。

Description

单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的 方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域及光伏新能源发电领域，特别涉及一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法。

背景技术

随着全球石油、煤、天然气等化石能源储量的日益枯竭以及燃烧化石能源导致的环境问题，寻找和开发新的可代替的清洁能源已经成为全世界关注的焦点。由于太阳能资源蕴藏丰富、分布广泛，光伏发电成为解决现阶段能源问题的最有效手段之一。光伏发电所具备的清洁、安全、寿命长、维护小等诸多优点使其被公认为二十一世纪最重要、最具活力的新能源，发展光伏产业是各能源消耗大国解决能源危机、经济发展与环境保护之间矛盾的最佳途径之一。

目前随着国家光伏上电补助的降低，各家企业都在着力降低光伏发电系统的成本。作为系统稳定、可靠运行的重要保证，电网侧霍尔电流传感器的使用格外重要。然而，霍尔电流传感器的使用大大增加了光伏发电系统的成本。电流互感器利用电磁感应定律制成，具有成本低、稳定性高、方便安装及维护的优点，已经广泛应用于电力系统的继电保护。然而在光伏并网发电系统中，电流互感器尚未见到应用。这是因为由于系统电压、电流采样的偏置和采样系数误差、开关器件及驱动信号的不对称性等，导致并网电流中存在着直流成分。而电流互感器无法测量直流信息，因此可能会使并网电流的直流分量超标，从而导致变压器的饱和。

在光伏发电系统中，为了消除并网电流的直流成分，进而满足光伏并网标准，目前常用的直流分量抑制方法需要额外的电流、电压传感器或者硬件电路，这增加了系统的成本和复杂度。

发明内容

本发明提供了一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，其目的是为了解决传统单相光伏发电系统中网侧电流测量采用霍尔传感器以及消除并网电流直流分量所需额外电路带来的高成本的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，包括：

步骤1，分别采集单相光伏并网发电系统的光伏输入电压、光伏输入电流、直流母线电压、并网电流及电网电压；

步骤2，对采集到的光伏输入电压、输入电流、直流母线电压、并网电流及电网电压进行最大功率点追踪和系统的控制；

步骤3，通过提取直流母线电压的基频纹波的幅值信息来评估并网电流的直流分量，将获取的直流分量成分通过额外的闭环补偿控制器来消除电网电流中的直流偏置；

步骤4，通过载波调制方法和脉冲宽度调制产生电路来产生脉冲宽度调制信号，将所述脉冲宽度调制信号传输给驱动电路以控制开关管的通断。

其中，所述步骤1中并网电流采集具体包括：

采用电流互感器测量网侧电路的交流电流，将所述电流互感器的原边串入到网侧电路中，所述电流互感器的副边连接到采样调理电路；

根据电流互感器的原、副边匝比及调理电路的信息从而获得并网电流的信息。

其中，所述步骤3还包括：确定并网电流直流分量与直流母线电压纹波间的关系；具体包括：

采用开关周期平均法对逆变器进行建模，建立基于开关周期平均的模型为：

其中，u_dc、i_dc分别为逆变器直流母线电压和输出电流、C_dc为逆变器直流侧电容、i_in为前级DC-DC变换器输出电流、u_ab为逆变器输出电压、L和r分别为逆变器的滤波电感及其串联等效电阻、i_g和v_g分别为并网电流和电压；

根据系统的输入输出功率守恒及忽略系统的损耗，可以得到如下关系：

其中，p_in为光伏输入功率；

假定系统工作在单位功率因数下，电网电流包含直流分量i_dc，则电网电压和电流可表示为：

其中，V_m，I_m分别为电网电压和电网电流幅值，ω₀为基频角频率；

将公式(3)代入公式(2)中可得：

根据公式(4)，可得直流母线电压基频纹波与电网电流直流分量间的关系为：

其中，u_f为直流母线电压的基频成分。

其中，所述步骤3中的电网电流直流分量评估及抑制具体包括：

步骤31，将直流母线电压的采样值u_dc平方后经过带通滤波器，获取直流母线电压的基频成分u_f；

步骤32，将u_f乘以cos(ω₀t)得到u_2f，u_2f中包含直流成分和二倍频成分；

步骤33，将u_2f经过低通滤波器，获取u_2f中的直流成分u_i-dc；

步骤34，将获取的直流分量信息u_i-dc与0作差后经过闭环PI控制器，其输出为评估出的电网电流直流分量成分，将评估的直流分量成分反馈到电流环的参考从而消除电网电流中的直流成分。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提出了一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，用电流互感器替代霍尔电流传感器来测量网侧交流电流，从而降低了光伏发电系统的成本。并且为了消除网侧电流中包含的直流分量，避免电流互感器的饱和，本发明所提出的直流分量抑制策略无须额外的硬件电路和传感器，简单、可靠，进一步降低了系统的成本。

附图说明

图1为本发明实施例的单相光伏并网发电系统的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例的并网电流测量及直流分量抑制流程图；

图3为本发明网侧电流测量的电路示意图；

图4为本发明实施例的网侧电流测量及系统运行时输入输出波形示意图；

图5为本发明实施例的直流分量抑制算法不工作与工作时的实验效果对比图。

【附图标记说明】

1-光伏电池；2-DC-DC变换器模块；3-单相DC-AC逆变器模块；4-滤波器模块；5-采样调理电路；6-控制器；7-驱动电路。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的单相光伏发电系统中网侧电流测量采用霍尔传感器以及消除并网电流直流分量所需额外电路带来的高成本的问题，提供了一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法。

本发明的上述实施例的单相光伏发电系统包含两级(多级)和单级拓扑结构，现以图1中的两级拓扑为例说明，两级型单相光伏并网发电系统包含光伏电池1、DC-DC变换器模块2、单相DC-AC逆变器模块3及滤波器模块4等主电路，控制电路包括控制器6、驱动电路7、及相应的采样调理电路5。所述DC-DC变换器模块2实现系统最大功率点(MPPT)的追踪及电压的转换；所述DC-AC逆变器模块3实现直流电到交流电的转换，其中采样电路5中的电网电流测量采用电流互感器，采样电路5分别将各路电压、电流信号经过采样、调理后传入到DSP控制器6，控制器6负责控制计算和调制等重要工作，并把各PWM开关信号传递给驱动电路7，从而达到各开关的目的。

如图2所示，本发明的实施例提供了一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，包括：

步骤1，分别采集单相光伏并网发电系统的光伏输入电压、光伏输入电流、直流母线电压、并网电流及电网电压；

步骤2，对采集到的光伏输入电压、输入电流、直流母线电压、并网电流及电网电压进行最大功率点追踪和系统的控制；

步骤3，通过提取直流母线电压的基频纹波的幅值信息来评估并网电流的直流分量，将获取的直流分量成分通过额外的闭环补偿控制器来消除电网电流中的直流偏置；

步骤4，通过载波调制方法和脉冲宽度调制产生电路来产生脉冲宽度调制信号，将所述脉冲宽度调制信号传输给驱动电路以控制开关管的通断。

其中，所述步骤1中采集并网电流具体包括：

采用电流互感器测量网侧电路的交流电流，将所述电流互感器的原边串入到网侧电路中，所述电流互感器的副边连接到采样调理电路；

根据电流互感器的原、副边匝比及调理电路的信息从而获得并网电流的信息。

图3为本发明电网电流测量的电路示意图，其中电流互感器的原边串入到逆变器的输出电路中，副边连接采样、调理电路，将调理电路的输出信息传递给DSP控制器。

其中，所述步骤3还包括：确定并网电流直流分量与直流母线电压纹波间的关系；具体包括：

采用开关周期平均法对逆变器进行建模，建立基于开关周期平均的模型为：

其中，u_dc、i_dc分别为逆变器直流母线电压和输出电流、C_dc为逆变器直流侧电容、i_in为前级DC-DC变换器输出电流、u_ab为逆变器输出电压、L和r分别为逆变器的滤波电感及其串联等效电阻、i_g和v_g分别为并网电流和电压；

根据系统的输入输出功率守恒及忽略系统的损耗，可以得到如下关系：

其中，p_in为光伏输入功率；

假定系统工作在单位功率因数下，电网电流包含直流分量i_dc，则电网电压和电流可表示为：

其中，V_m，I_m分别为电网电压和电网电流幅值，ω₀为基频角频率；

将公式(3)代入公式(2)中可得：

根据公式(4)，可得直流母线电压基频纹波与电网电流直流分量间的关系为：

其中，u_f为直流母线电压的基频成分。

其中，所述步骤3中的电网电流直流分量评估及抑制具体包括：

步骤31，将直流母线电压的采样值u_dc平方后经过带通滤波器，获取直流母线电压的基频成分u_f；

步骤32，将u_f乘以cos(ω₀t)得到u_2f，u_2f中包含直流成分和二倍频成分；

步骤33，将u_2f经过低通滤波器，获取u_2f中的直流成分u_i-dc；

步骤34，将获取的直流分量信息u_i-dc与0作差后经过闭环PI控制器，其输出为评估出的电网电流直流分量成分，将评估的直流分量成分反馈到电流环的参考从而消除电网电流中的直流成分。

为了验证所提电网电流测量及直流分量抑制策略的有效性，搭建了单相光伏并网发电系统的仿真和实验平台，系统参数如下表1所示。图5(a)为并网电流中存在直流分量情况下，本发明直流分量抑制算法从不工作到突然投入运行时的实验波形图,图5(b)为算法加入后并网电流的谐波图。从上述图可知，在本发明所提出的电网电流测量及直流分量抑制方法下，系统依然能够满足并网标准，可靠且稳定的运行。

表1

本发明提出了一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法用电流互感器替代霍尔电流传感器来测量网侧交流电流，从而降低了光伏发电系统的成本。并且为了消除网侧电流中包含的直流分量，避免电流互感器的饱和，本发明所提出的直流分量抑制策略无须额外的硬件电路和传感器，简单、可靠，进一步降低了系统的成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，其特征在于，包括：

步骤1，分别采集单相光伏并网发电系统的光伏输入电压、光伏输入电流、直流母线电压、并网电流及电网电压；

步骤2，对采集到的光伏输入电压、输入电流、直流母线电压、并网电流及电网电压进行最大功率点追踪和系统的控制；

步骤3，通过提取直流母线电压的基频纹波的幅值信息来评估并网电流的直流分量，将获取的直流分量成分通过额外的闭环补偿控制器来消除电网电流中的直流偏置；

步骤4，通过载波调制方法和脉冲宽度调制产生电路来产生脉冲宽度调制信号，将所述脉冲宽度调制信号传输给驱动电路以控制开关管的通断。

2.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，其特征在于，所述步骤1中并网电流采集具体包括：

采用电流互感器测量网侧电路的交流电流，将所述电流互感器的原边串入到网侧电路中，所述电流互感器的副边连接到采样调理电路；

根据电流互感器的原、副边匝比及调理电路的信息从而获得并网电流的信息。

3.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，其特征在于，所述步骤3包括：确定并网电流直流分量与直流母线电压纹波间的关系；具体包括：

采用开关周期平均法对逆变器进行建模，建立基于开关周期平均的模型为：

其中，u_dc、i_dc分别为逆变器直流母线电压和输出电流、C_dc为逆变器直流侧电容、i_in为前级DC-DC变换器输出电流、u_ab为逆变器输出电压、L和r分别为逆变器的滤波电感及其串联等效电阻、i_g和v_g分别为并网电流和电压；

根据系统的输入输出功率守恒及忽略系统的损耗，可以得到如下关系：

其中，p_in为光伏输入功率；

假定系统工作在单位功率因数下，电网电流包含直流分量i_dc，则电网电压和电流可表示为：

其中，V_m，I_m分别为电网电压和电网电流幅值，ω₀为基频角频率；

将公式(3)代入公式(2)中可得：

根据公式(4)，可得直流母线电压基频纹波与电网电流直流分量间的关系为：

其中，u_f为直流母线电压的基频成分。

4.根据权利要求3所述的单相光伏并网发电系统的并网电流测量及直流分量抑制的方法，其特征在于，所述步骤3中的电网电流直流分量的评估及抑制具体包括：

步骤31，将直流母线电压的采样值u_dc平方后经过带通滤波器，获取直流母线电压的基频成分u_f；

步骤32，将u_f乘以cos(ω₀t)得到u_2f，u_2f中包含直流成分和二倍频成分；

步骤33，将u_2f经过低通滤波器，获取u_2f中的直流成分u_i-dc；

步骤34，将获取的直流分量信息u_i-dc与0作差后经过闭环PI控制器，其输出为评估出的电网电流直流分量成分，将评估的直流分量成分反馈到电流环的参考从而消除电网电流中的直流成分。

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