CN111404141A - 抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法及系统，采样光伏变换器所接入的直流电网侧的电流，经过基于一阶高通滤波器的有源阻尼方法，与变换器的外环输出信号求和，作为电流内环控制的参考值，该方法可以抑制光伏变换器输出功率的振荡。当变换器运行在最大功率点左侧时，该阻尼方法正常运行；当变换器运行在最大功率点右侧时，该阻尼方法停止工作。本发明可抑制直流电网中光伏变换器输出电流振荡，提高光伏发电单元的控制精度，提升系统稳定性。

Description

抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及直流电网中的光伏发电领域，特别是以Buck型DC/DC光伏变换器为主导，采用基于扰动观测法的最大功率点跟踪控制的光伏发电单元，本发明是一种抑制光伏变换器输出振荡的阻尼控制方法及系统。

背景技术

分布式光伏发电系统是直流电网的重要组成部分，是当前的研究热点之一。直流母线电压是衡量直流系统安全与稳定运行的关键，但光伏电池板通过DC/DC变换器接入直流电网时，存在潜在的输出功率振荡问题。研究发现，采用基于扰动观测法((Perturbationand Observation,P&O))的最大功率跟踪((Maximum Power Point Tracking,MPPT))控制的光伏变换器，是导致系统输出功率振荡的一个诱因。对此，需要引入有源阻尼环节，来抑制光伏发电系统的振荡。

基于P&O方法的MPPT控制环节，是光伏发电单元常用的输出功率调节手段。然而，P&O方法存在的非线性环节，会使变换器的输出电流出现谐波振荡，影响光伏变换器输出电功率的精度。

目前，常规方法是调节光伏发电系统的控制参数，来减小谐波振荡的幅值，但是面临参数调节的难题。因此，需要引入有源阻尼环节来抑制振荡，但在引入有源阻尼环节的同时，可能会导致原本在其他运行区间正常工作的发电系统输出精度降低。因此，需要根据特定的区间来设计阻尼控制环节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法及系统，通过采样直流电网侧电流，引入基于高通滤波器的有源阻尼环节，并在需要抑制振荡的工作区间运行，提高光伏发电系统的输出电压和电流精度，提高系统稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的有源阻尼方法，适用于分布式光伏发电并网系统的输出振荡抑制，包括以下步骤：

1)采集光伏电池板(Photovoltaic,PV)的端口电压v_pv和输出电流i_pv，结合输出功率参考值P^*，依据扰动观测法(吕文坤.2kW单相光伏并网发电系统的设计[D].湖南大学,2011.)得到PV的端口电压参考值

v_pv与

作差，该差值与PV的端口电压控制PI调节器G_v(s)相乘得到电流内环的控制指令

2)采集光伏发电系统直流电网侧的电流i_dc；v_pv与最大功率点对应电压值V_mpp通过比较器进行比较，V_mpp≥v_pv时，即在最大功率点左侧时，比较器输出值为1；V_mpp＜v_pv时，即在最大功率点右侧时，比较器输出值为0；i_dc与比较器输出结果相乘，再与有源阻尼环节G_HPF(s)相乘，得到有源阻尼环节输出信号i_damp；

3)采集光伏变换器输出滤波电感的电流i_B，

分别与i_B和i_damp作差，最终结果通过电流内环PI控制器G_i(s)得到占空比信号，根据该占空比信号经PWM调制得到光伏变换器功率开关管的驱动信号。

上述步骤1)中，依据扰动观测法得到PV的端口电压参考值

的具体实现过程包括：

A)获取当前时刻n的PV的端口电压v_pv,n和输出电流i_pv,n，计算当前时刻n光伏电池板的输出功率P_n＝v_pv,n*i_pv,n；

B)计算当前时刻n和上一时刻n-1光伏电池板的输出功率差值ΔP和端口电压差值Δv_pv；

C)判断ΔP*Δv_pv≥0是否成立，若成立，则进入步骤D)；否则，进入步骤E)；

D)判断P^*-P_n≥0是否成立，若成立，则当前时刻n的端口电压参考值

否则，

其中，ε为扰动步长；

E)判断P^*-P_n≥0是否成立，若成立，则当前时刻n的端口电压参考值

否则，

所述扰动步长ε小于光伏电池板PV端口电压的0.5％，进一步抑制直流侧振荡。

步骤1)中，PV的端口电压控制PI调节器G_v(s)表达式为：G_v(s)＝k_vp+k_vi/s；其中，k_vp是PI调节器的比例系数,0.2≤k_vp≤2；k_vi是PI调节器的积分系数,50≤k_vi≤400，s为拉式算子。选取在该区间的参数，可以使变换器可以快速地调节PV的端口电压，且具有较好的稳定性。

步骤2)中，有源阻尼环节G_HPF(s)的传递函数表达式为：

其中k_c为调节系数，ω_c为截止频率。其中，0.2≤k_c≤1；ω_c≤800rad/s。选取在该区间的参数，可以使光伏变换器可以抑制频率大于ω_c的输出振荡，并且不会注入过多的噪声。

步骤3)中，电流内环PI控制器G_i(s)表达式为：G_i(s)＝k_ip+k_ii/s；其中，k_ip是PI控制器的比例系数，k_ii是PI控制器的积分系数。其中，10≤k_ip≤30；10≤k_ii≤10000。选取在该区间的参数，可以使电流内环快速跟踪输入信号参考值，并具有良好的带宽与稳定性。

本发明还提供了一种抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制系统，其包括：

第一采集单元，用于采集光伏电池板PV的端口电压v_pv和输出电流i_pv，结合输出功率参考值P^*，依据扰动观测法得到PV的端口电压参考值

将v_pv与

作差，该差值与PV的端口电压控制PI调节器G_v(s)相乘得到电流内环的控制指令

第二采集单元，用于采集光伏发电系统直流电网侧的电流i_dc；将v_pv与最大功率点对应电压值V_mpp进行比较，V_mpp≥v_pv时，即在最大功率点左侧时，比较器输出值为1；V_mpp＜v_pv时，即在最大功率点右侧时，比较器输出值为0；i_dc与比较器输出结果相乘，再与有源阻尼环节G_HPF(s)相乘，得到有源阻尼环节输出信号i_damp；

调制单元，用于采集DC/DC光伏变换器输出滤波电感的电流i_B，将

分别与i_B和i_damp作差，最终结果通过电流内环PI控制器G_i(s)得到占空比信号，根据该占空比信号经PWM调制得到光伏变换器功率开关管的驱动信号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明引入有源阻尼控制环节，使得光伏变换器输出精度提升，并抑制直流侧振荡，提高了光伏变换器的稳定性。

2、当光伏变换器运行在最大功率点左侧时，该阻尼方法正常运行；当变换器运行在最大功率点右侧时，该阻尼方法停止工作。这种处理方式的优势在于，可以避免在原本正常运行的区间中引入噪声干扰。

附图说明

图1为本发明一实施例应用于抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法框图；

图2为本发明一实施例所采用的扰动观测法流程图；

图3为本发明实施例光伏阵列输出功率与电压关系曲线图；

图4为未采用本发明阻尼控制方法时，光伏发电系统的输出仿真波形图；

图5为采用本发明阻尼控制方法后，光伏发电系统的输出仿真波形图。

具体实施方式

图1为本发明一实施例应用于抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法框图，包括光伏阵列、Buck型DC/DC变换器以及等效直流电网。其中，i_pv和v_pv分别表示光伏阵列的电流和电压，Buck变换器在光伏侧的电容为C_pv，Buck变换器输出滤波电感为L_B，i_B为对应电感上的电流，C_dc为直流电网等效电容，v_dc为对应电容上的电压。直流电网电压为v_grid，L_dc和R_dc为直流电网等效网络阻抗。功率参考值为P^*。大写字母表示对应变量的稳态值。上标*表示对应变量的参考值。

i_pv的表达式为：

其中，N_s和N_p分别表示光伏阵列中串联连接以及并联连接的光伏面板数量，I_ph表示光伏面板的短路电流，I₀表示与光伏面板并联的二极管的饱和电流，n₀表示二极管的品质因数，q表示库伦常数(1.602×10^-19C)，k表示玻尔兹曼常数(1.38×10^-23J/K)，T表示开氏温度。

在本实施例中，各参数如下：V_grid＝750V，L_dc＝0.5mH，R_dc＝0.02Ω，C_dc＝2200μF，L_B＝1.5mH，C_pv＝1650μF，开关器件的开关频率f_sw＝10kHz，k_pi＝15，k_ii＝3000，k_pv＝1.5，k_iv＝400，V_mpp＝1300V，N_s＝46，N_p＝25，I_ph＝230A，I₀＝1.175e^-8A，n₀＝50，T＝298K。

图2为本发明所采用的扰动观测法流程图。当参考功率P^*大于光伏所能输出的最大功率时，光伏按照最大功率输出；当参考功率P^*小于光伏所能输出的最大功率时，光伏按照功率参考值进行输出。下标n表示当前时刻的采样值，下标n－1表示上一时刻的采样值。

图2的具体实现步骤包括：

A)获取当前时刻n的PV的端口电压v_pv,n和输出电流i_pv,n，计算当前时刻n光伏电池板的输出功率P_n＝v_pv,n*i_pv,n；

B)计算当前时刻n和上一时刻n-1光伏电池板的输出功率差值ΔP和端口电压差值Δv_pv；

C)判断ΔP*Δv_pv≥0是否成立，若成立，则进入步骤D)；否则，进入步骤E)；

D)判断P^*-P_n≥0是否成立，若成立，则当前时刻n的端口电压参考值

否则，

其中，ε为扰动步长；

E)判断P^*-P_n≥0是否成立，若成立，则当前时刻n的端口电压参考值

否则，

上述步骤A)～E)应在一个控制周期内完成，完成步骤F)后，进入扰动观测法控制的下一个控制周期，重复上述步骤A)～E)。

在本实施例中，扰动步长ε＝2.5V，控制周期T_p＝200μs。

图3为本发明一实施例光伏阵列输出功率与电压关系曲线图。由图可知，当功率参考值P^*小于光伏的最大输出功率P_max时，光伏阵列按照P^*进行输出；当P^*大于P_max时，光伏阵列按照P_max进行输出。除P_max外，在最大功率点电压V_mpp两侧各有1个使光伏阵列满足P^*的电压参考值。

图4为本发明一实施例光伏发电系统在采用传统双闭环控制向电网供电时的仿真波形。光伏发电系统输出功率参考值为290kW。由图可知，v_pv＝1360V，即在最大功率点电压值的右侧运行点时，系统输出电压和电流稳定；当v_pv＝1230V，即在最大功率点电压值的左侧运行点时，系统输出电压和电流出现大量谐波振荡，这可能影响系统的正常运行。因此光伏发电采用传统双闭环控制时，系统稳定性较差。

图5为本发明一实施例光伏发电系统在采用本发明方法向直流电网供电时的仿真波形。光伏发电系统输出功率参考值为290kW。由图可知，v_pv＝1360V，即在最大功率点电压值的右侧运行点时，系统输出电压和电流稳定；当v_pv＝1230V，即在最大功率点电压值的左侧运行点时，由于本发明方法的使用，原来可能出现的谐波振荡得到大幅抑制。因此采用本发明控制方法时，系统稳定性与输出电压电流质量得到了提升。

Claims (10)

1.一种抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，适用于直流电网中的分布式光伏发电并网系统，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集光伏电池板PV的端口电压v_pv和输出电流i_pv，结合输出功率参考值P^*，依据扰动观测法得到PV的端口电压参考值

将v_pv与

作差，该差值与PV的端口电压控制PI调节器G_v(s)相乘得到电流内环的控制指令

2)采集光伏发电系统直流电网侧的电流i_dc；将v_pv与最大功率点对应电压值V_mpp进行比较，V_mpp≥v_pv时，即在最大功率点左侧时，比较器输出值为1；V_mpp＜v_pv时，即在最大功率点右侧时，比较器输出值为0；i_dc与比较器输出结果相乘，再与有源阻尼环节G_HPF(s)相乘，得到有源阻尼环节输出信号i_damp；

3)采集DC/DC光伏变换器输出滤波电感的电流i_B，

分别与i_B和i_damp作差，最终结果通过电流内环PI控制器G_i(s)得到占空比信号，根据该占空比信号经PWM调制得到光伏变换器功率开关管的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，其特征在于，步骤1)中，依据扰动观测法得到PV的端口电压参考值

的具体实现过程包括：

A)获取当前时刻n的PV的端口电压v_pv,n和输出电流i_pv,n，计算当前时刻n光伏电池板的输出功率P_n＝v_pv,n*i_pv,n；

B)计算当前时刻n和上一时刻n-1光伏电池板的输出功率差值ΔP和端口电压差值Δv_pv；

C)判断ΔP*Δv_pv≥0是否成立，若成立，则进入步骤D)；否则，进入步骤E)；

D)判断P^*-P_n≥0是否成立，若成立，则当前时刻n的端口电压参考值

否则，

其中，ε为扰动步长；

E)判断P^*-P_n≥0是否成立，若成立，则当前时刻n的端口电压参考值

否则，

3.根据权利要求2所述的抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，其特征在于，所述扰动步长ε小于光伏电池板PV端口电压的0.5％。

4.根据权利要求1所述的抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，其特征在于，PV的端口电压控制PI调节器G_v(s)表达式为：G_v(s)＝k_vp+k_vi/s；其中，k_vp是PI调节器的比例系数；k_vi是PI调节器的积分系数；s为拉式算子。

5.根据权利要求4所述的抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，其特征在于，0.2≤k_vp≤2；50≤k_vi≤400。

6.根据权利要求1所述的抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，其特征在于，有源阻尼环节G_HPF(s)的传递函数表达式为：

其中k_c为调节系数；ω_c为截止频率。

7.根据权利要求6所述的抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，其特征在于，0.2≤k_c≤1；ω_c≤800rad/s。

8.根据权利要求1所述的抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，其特征在于，电流内环PI控制器G_i(s)表达式为：G_i(s)＝k_ip+k_ii/s；其中，k_ip是PI控制器的比例系数；k_ii是PI控制器的积分系数。

9.根据权利要求8所述的抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制方法，其特征在于，10≤k_ip≤30；10≤k_ii≤10000。

10.一种抑制直流电网中光伏变换器输出振荡的控制系统，其特征在于，

第一采集单元，用于采集光伏电池板PV的端口电压v_pv和输出电流i_pv，结合输出功率参考值P^*，依据扰动观测法得到PV的端口电压参考值

将v_pv与

作差，该差值与PV的端口电压控制PI调节器G_v(s)相乘得到电流内环的控制指令

第二采集单元，用于采集光伏发电系统直流电网侧的电流i_dc；将v_pv与最大功率点对应电压值V_mpp进行比较，V_mpp≥v_pv时，即在最大功率点左侧时，比较器输出值为1；V_mpp＜v_pv时，即在最大功率点右侧时，比较器输出值为0；i_dc与比较器输出结果相乘，再与有源阻尼环节G_HPF(s)相乘，得到有源阻尼环节输出信号i_damp；

调制单元，用于采集DC/DC光伏变换器输出滤波电感的电流i_B，将

分别与i_B和i_damp作差，最终结果通过电流内环PI控制器G_i(s)得到占空比信号，根据该占空比信号经PWM调制得到光伏变换器功率开关管的驱动信号。

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