CN113644695A - 一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统 - Google Patents

一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统 Download PDF

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Abstract

一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，它涉及光伏发电并网控制技术领域。它包括两级式逆变器、电压电流传感器、中央控制单元、光伏组件，两级式逆变器的输入端为光伏组件的输出端，两级式逆变器的输出端为三相交流电流或并入电网，两级式逆变器将光伏组件产生的电能转换成稳定可靠的三相电，使光伏系统满足供电、并网要求。本发明有益效果为：该系统通过光伏PV端功率环进行限功率控制，具有良好的动态响应特性。

Description

一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统
技术领域
本发明涉及光伏发电并网控制技术领域，具体涉及一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统。
背景技术
能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础，世界范围内的能源短缺和环境污染已成为制约人类社会可持续发展的两大重要因素，大力发展新的可替代能源已成为当务之急；太阳能发电的研究及实验结果表明，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性和免维护性等其它常规能源所不具备的优点，显示出无比广阔的发展空间和应用前景。光伏并网发电作为太阳能发电的主要形式之一，也越来越受到关注。
光伏系统的电能输出具有非线性特征，与外界温度、光照条件和用电负载有关；为了在动态环境条件下获得更多的电能，对其运用最大功率点跟踪控制技术(MPPT，MaximumPower Point Tracking)能够大幅提高光伏发电系统的能量转换效率。然而在电网调度要求、功率因数限制、功率限制、电压超限等诸多因素的影响或要求下：光伏系统并非始终工作在最大功率点。从表面上看，这些限制因素影响了投资收益，事实上，却是为了保证电网稳定、或满足负载需求、甚至是偶尔需要通过限功率保证系统正常工作的必要手段。传统限功率控制方法通过扰动光伏组件PV端参考电压，使得PV功率点远离PV最大功率，从而减小逆变器输出功率。但该方法的控制速度较慢，动态响应不佳。目前，该技术领域尚缺乏一种兼顾控制速度和动态响应的快速限功率控制方法和系统。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中不足与缺点，提供一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，该系统通过光伏PV端功率环进行限功率控制，具有良好的动态响应特性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，它包括两级式逆变器1、电压电流传感器2、中央控制单元3、光伏组件4，所述两级式逆变器1的输入端为光伏组件4的输出端，两级式逆变器1的输出端为三相交流电流或并入电网，所述两级式逆变器1将光伏组件4产生的电能转换成稳定可靠的三相电，使光伏系统满足供电、并网要求；所述电压电流传感器2的输入端为两级式逆变器1电路中电压、电流探头，电压电流传感器2的输出端为中央控制单元3单元，所述电压电流传感器2负责为中央控制单元3实时提供两级式逆变器1中的关键电压、电流信号；所述中央控制单元3的输入端接入电压电流传感器2的输出端，中央控制单元3的输出端接入两级式逆变器1的驱动电路，所述中央控制单元3根据电压电流传感器2反馈的电压、电流信号，实现两级式逆变器1快速限功率控制逆变功能。
作为本发明更为具体的：所述两级式逆变器1包括了DC/DC变换器11、DC/AC逆变器12、稳压电容13，所述DC/DC变换器11、DC/AC逆变器12及稳压电容13依次并联，DC/DC变换器11的输入端并联于光伏组件4的输出端，DC/AC逆变器12输出三相电，实现并网或为负荷供电。
作为本发明更为具体的：所述电压电流传感器2包括了电压探头21、电流探头22、信号等级变换电路23，所述电压探头21和电流探头22对DC/DC变换器的输入端、DC/AC逆变器12的输入端和输出端进行采样，获得光伏组件4的输出电压VPV、输出电流IPV，直流母线电压Vbus，逆变输出电压Vg、输出电流I等电气信号；信号等级变换电路将初始采样获得的电气信号进行电压等级转换，转换后的电气信号更适用于中央控制单元3处理。
作为本发明更为具体的：所述中央控制单元3包括了信号接收子单元31、控制决策子单元32、决策输出子单元33，所述信号接收子单元31接收信号等级变换电路传送过来的模拟信号，并进行模数转换；所述控制决策子单元32对信号接收子单元31得到的数字信号进行处理判断，得出两级式逆变器1的控制决策，即功率开关器件的驱动信号；所述决策输出子单元33向两级式逆变器1输出控制决策子单元32的决策信号。
作为本发明更为具体的：所述DC/DC变换器11进行光伏组件输出电压等级的转换，满足最大功率点跟踪MPPT，Maximum Power Point Tracking控制，一般采用Boost电路，也可以采用Buck-Boost电路、Cuk电路、双管Buck-Boost电路等。
作为本发明更为具体的：所述两级式逆变器1一级直流变换电路DC/DC变换器11采用电压、电流双闭环控制，分别为PV光伏组件输出电压VPV电压环、光伏组件输出电流IPV环；另一级逆变电路DC/AC逆变器12，完成交直流转换，将PV直流能量转换为并网交流能量，采用电压、电流双闭环控制，分别为直流母线电压Vbus电压环、逆变输出电流I电流环。
作为本发明更为具体的：所述在需要限功率工况且通过PV端功率环进行快速限功率控制，所述功率环具体的实现步骤包括：采样逆变输出电压Vg、输出电流I；经有功计算环节得到功率P；比较功率P和限功率Pref，取较小值，经有功控制环节得到光伏PV端功率环输出电流参考值IPV_ref2。
作为本发明更为具体的：所述直流变换电路DC/DC变换器11的电压、电流双闭环控制实现步骤包括：MPPT算法获得光伏PV端输出电压参考值VPV_ref；光伏PV端输出电压参考值VPV_ref和实际输出电压值VPV经PV电压控制环节得到光伏PV端电压环输出电流参考值IPV_ref1；比较PV端电压环输出电流参考值IPV_ref1和PV功率环输出电流参考值IPV_ref2，经电流选择环节得到PV端输出电流参考值IPV_ref＝min{IPV_ref1,IPV_ref2}，PV端输出电流参考值IPV_ref和实际输出电流值IPV经电流控制环节得到DC/DC电路驱动信号，经DC/DC电路环节输出直流母线电压Vbus，IPV可采样获得。
作为本发明更为具体的：所述逆变电路DC/AC逆变器12的电压、电流双闭环控制实现步骤包括：直流母线电压参考值Vbus_ref和直流母线电压实际值Vbus经电压控制环节得到逆变输出电流参考值Iref；逆变输出电流参考值Iref和逆变输出电流实际值I经电流控制环节得到DC/AC电路驱动信号；驱动信号控制DC/AC逆变环节输出电流I。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：采用两级式逆变器结构，相比单两级式逆变器结构，可以实现光伏器件最大功率点跟踪、限功率与逆变器并网工作的独立控制，避免了逆变器并网工作对光伏器件输出功率的影，且采用光伏PV端功率环进行限功率控制，具有良好的动态响应特性；在需要限功率的工况下，实现限功率控制，在其它工况下，实现最大功率点跟踪MPPT控制；该系统兼顾稳定性和经济效益，而DC/DC电路、DC/AC电路分别进行电压、电流的双闭环控制，具有良好的动态、稳态电压电流特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中的快速限功率控制系统结构框图。
图2为本发明中电压电流传感器2的结构示意图。
图3为本发明中中央控制单元3的结构示意图。
图4为本发明中光伏组件4PV端功率环组成示意图。
图5为本发明中DC/DC变换器11的电压电流双闭环组成示意图。
图6为本发明中DC/AC逆变器12的电压电流双闭环组成示意图。
附图标记说明：两级式逆变器1、电压电流传感器2、中央控制单元3、光伏组件4、DC/DC变换器11、DC/AC逆变器12、稳压电容13、电压探头21、电流探头22、信号等级变换电路23、信号接收子单元31、控制决策子单元32、决策输出子单元33。
具体实施方式
参看图1-图6所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包括两级式逆变器1、电压电流传感器2、中央控制单元3、光伏组件4，所述两级式逆变器1的输入端为光伏组件4的输出端，两级式逆变器1的输出端为三相交流电流或并入电网，所述两级式逆变器1将光伏组件4产生的电能转换成稳定可靠的三相电，使光伏系统满足供电、并网要求；所述电压电流传感器2的输入端为两级式逆变器1电路中电压、电流探头，电压电流传感器2的输出端为中央控制单元3单元，所述电压电流传感器2负责为中央控制单元3实时提供两级式逆变器1中的关键电压、电流信号；所述中央控制单元3的输入端接入电压电流传感器2的输出端，中央控制单元3的输出端接入两级式逆变器1的驱动电路，所述中央控制单元3根据电压电流传感器2反馈的电压、电流信号，实现两级式逆变器1快速限功率控制逆变功能。
所述两级式逆变器1包括了DC/DC变换器11、DC/AC逆变器12、稳压电容13，所述DC/DC变换器11、DC/AC逆变器12及稳压电容13依次并联，DC/DC变换器11的输入端并联于光伏组件4的输出端，DC/AC逆变器12输出三相电，实现并网或为负荷供电，所述电压电流传感器2包括了电压探头21、电流探头22、信号等级变换电路23，所述电压探头21和电流探头22对DC/DC变换器的输入端、DC/AC逆变器12的输入端和输出端进行采样，获得光伏组件4的输出电压VPV、输出电流IPV，直流母线电压Vbus，逆变输出电压Vg、输出电流I等电气信号；信号等级变换电路将初始采样获得的电气信号进行电压等级转换，转换后的电气信号更适用于中央控制单元3处理，所述中央控制单元3包括了信号接收子单元31、控制决策子单元32、决策输出子单元33，所述信号接收子单元31接收信号等级变换电路传送过来的模拟信号，并进行模数转换；所述控制决策子单元32对信号接收子单元31得到的数字信号进行处理判断，得出两级式逆变器1的控制决策，即功率开关器件的驱动信号；所述决策输出子单元33向两级式逆变器1输出控制决策子单元32的决策信号。
所述DC/DC变换器11进行光伏组件输出电压等级的转换，满足最大功率点跟踪MPPT，Maximum Power Point Tracking控制，一般采用Boost电路，也可以采用Buck-Boost电路、Cuk电路、双管Buck-Boost电路等，所述逆变电路DC/AC逆变器12的电压、电流双闭环控制实现步骤包括：直流母线电压参考值Vbus_ref和直流母线电压实际值Vbus经电压控制环节得到逆变输出电流参考值Iref；逆变输出电流参考值Iref和逆变输出电流实际值I经电流控制环节得到DC/AC电路驱动信号；驱动信号控制DC/AC逆变环节输出电流I。
所述两级式逆变器1一级直流变换电路DC/DC变换器11采用电压、电流双闭环控制，分别为PV光伏组件输出电压VPV电压环、光伏组件输出电流IPV环；另一级逆变电路DC/AC逆变器12，完成交直流转换，将PV直流能量转换为并网交流能量，采用电压、电流双闭环控制，分别为直流母线电压Vbus电压环、逆变输出电流I电流环。
所述在需要限功率工况且通过PV端功率环进行快速限功率控制，所述功率环具体的实现步骤包括：采样逆变输出电压Vg、输出电流I；经有功计算环节得到功率P；比较功率P和限功率Pref，取较小值，经有功控制环节得到光伏PV端功率环输出电流参考值IPV_ref2。
所述直流变换电路DC/DC变换器11的电压、电流双闭环控制实现步骤包括：MPPT算法获得光伏PV端输出电压参考值VPV_ref；光伏PV端输出电压参考值VPV_ref和实际输出电压值VPV经PV电压控制环节得到光伏PV端电压环输出电流参考值IPV_ref1；比较PV端电压环输出电流参考值IPV_ref1和PV功率环输出电流参考值IPV_ref2，经电流选择环节得到PV端输出电流参考值IPV_ref＝min{IPV_ref1,IPV_ref2}，PV端输出电流参考值IPV_ref和实际输出电流值IPV经电流控制环节得到DC/DC电路驱动信号，经DC/DC电路环节输出直流母线电压Vbus，IPV可采样获得。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：采用两级式逆变器结构，相比单两级式逆变器结构，可以实现光伏器件最大功率点跟踪、限功率与逆变器并网工作的独立控制，避免了逆变器并网工作对光伏器件输出功率的影，且采用光伏PV端功率环进行限功率控制，具有良好的动态响应特性；在需要限功率的工况下，实现限功率控制，在其它工况下，实现最大功率点跟踪MPPT控制；该系统兼顾稳定性和经济效益，而DC/DC电路、DC/AC电路分别进行电压、电流的双闭环控制，具有良好的动态、稳态电压电流特性。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：它包括两级式逆变器(1)、电压电流传感器(2)、中央控制单元(3)、光伏组件(4)，所述两级式逆变器(1)的输入端为光伏组件(4)的输出端，两级式逆变器(1)的输出端为三相交流电流或并入电网，所述两级式逆变器(1)将光伏组件(4)产生的电能转换成稳定可靠的三相电，使光伏系统满足供电、并网要求；
所述电压电流传感器(2)的输入端为两级式逆变器(1)电路中电压、电流探头，电压电流传感器(2)的输出端为中央控制单元(3)单元，所述电压电流传感器(2)负责为中央控制单元(3)实时提供两级式逆变器(1)中的关键电压、电流信号；
所述中央控制单元(3)的输入端接入电压电流传感器(2)的输出端，中央控制单元(3)的输出端接入两级式逆变器(1)的驱动电路，所述中央控制单元(3)根据电压电流传感器(2)反馈的电压、电流信号，实现两级式逆变器(1)快速限功率控制逆变功能。
2.根据权利要求1所述的一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：所述两级式逆变器(1)包括了DC/DC变换器(11)、DC/AC逆变器(12)、稳压电容(13)，所述DC/DC变换器(11)、DC/AC逆变器(12)及稳压电容(13)依次并联，DC/DC变换器(11)的输入端并联于光伏组件(4)的输出端，DC/AC逆变器(12)输出三相电，实现并网或为负荷供电。
3.根据权利要求1所述的一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：所述电压电流传感器(2)包括了电压探头(21)、电流探头(22)、信号等级变换电路(23)，所述电压探头(21)和电流探头(22)对DC/DC变换器的输入端、DC/AC逆变器(12)的输入端和输出端进行采样，获得光伏组件(4)的输出电压VPV、输出电流IPV，直流母线电压Vbus，逆变输出电压Vg、输出电流I等电气信号；信号等级变换电路将初始采样获得的电气信号进行电压等级转换，转换后的电气信号更适用于中央控制单元(3)处理。
4.根据权利要求1所述的一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：所述中央控制单元(3)包括了信号接收子单元(31)、控制决策子单元(32)、决策输出子单元(33)，所述信号接收子单元(31)接收信号等级变换电路传送过来的模拟信号，并进行模数转换；所述控制决策子单元(32)对信号接收子单元(31)得到的数字信号进行处理判断，得出两级式逆变器(1)的控制决策，即功率开关器件的驱动信号；所述决策输出子单元(33)向两级式逆变器(1)输出控制决策子单元(32)的决策信号。
5.根据权利要求2所述的一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：所述DC/DC变换器(11)进行光伏组件输出电压等级的转换，满足最大功率点跟踪(MPPT，Maximum Power Point Tracking)控制，一般采用Boost电路，也可以采用Buck-Boost电路、Cuk电路、双管Buck-Boost电路等。
6.根据权利要求1所述的一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：所述两级式逆变器(1)一级直流变换电路DC/DC变换器(11)采用电压、电流双闭环控制，分别为PV光伏组件输出电压VPV电压环、光伏组件输出电流IPV环；另一级逆变电路DC/AC逆变器(12)，完成交直流转换，将PV直流能量转换为并网交流能量，采用电压、电流双闭环控制，分别为直流母线电压Vbus电压环、逆变输出电流I电流环。
7.根据权利要求1所述的一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：所述在需要限功率工况且通过PV端功率环进行快速限功率控制，所述功率环具体的实现步骤包括：
1)采样逆变输出电压Vg、输出电流I；
2)经有功计算环节得到功率P；
3)比较功率P和限功率Pref，取较小值，经有功控制环节得到光伏PV端功率环输出电流参考值IPV_ref2。
8.根据权利要求2所述的一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：所述直流变换电路DC/DC变换器(11)的电压、电流双闭环控制实现步骤包括：
1)MPPT算法获得光伏PV端输出电压参考值VPV_ref；
2)光伏PV端输出电压参考值VPV_ref和实际输出电压值VPV经PV电压控制环节得到光伏PV端电压环输出电流参考值IPV_ref1；
3)比较PV端电压环输出电流参考值IPV_ref1和PV功率环输出电流参考值IPV_ref2，经电流选择环节得到PV端输出电流参考值IPV_ref＝min{IPV_ref1,IPV_ref2}；
4)PV端输出电流参考值IPV_ref和实际输出电流值IPV经电流控制环节得到DC/DC电路驱动信号，经DC/DC电路环节输出直流母线电压Vbus，IPV可采样获得。
9.根据权利要求2所述的一种针对光伏并网系统的快速限功率控制系统，其特征在于：所述逆变电路DC/AC逆变器(12)的电压、电流双闭环控制实现步骤包括：
1)直流母线电压参考值Vbus_ref和直流母线电压实际值Vbus经电压控制环节得到逆变输出电流参考值Iref；
2)逆变输出电流参考值Iref和逆变输出电流实际值I经电流控制环节得到DC/AC电路驱动信号；
3)驱动信号控制DC/AC逆变环节输出电流I。
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