CN114884139A - 一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法，涉及逆变器控制技术领域。本发明是为了解决传统方法将最大功率点跟踪算法嵌入逆变器中实现光伏电池阵列的最大功率输出，计算过程复杂的问题。本发明首先分别在电容侧和逆变器输出端处取输出电压电流，通过功率外环计算出光伏电池阵列输出的有功功率与逆变器输出的无功功率。然后经过改进下垂控制方法得到参考电压幅值与频率，最后经过电压电流双闭环控制送入SPWM控制器中得到功率开关管的控制信号。本发明能够应用于光伏逆变器的并网运行，也能够用于独岛运行情况。
Description
技术领域
本发明属于逆变器控制技术领域。
背景技术
可再生能源的使用初衷是为了减少化石燃料的使用，降低化石能源消耗带来的环境问题。光伏电池作为分布式电源的一种，具有良好供能效率。为了减少能源的浪费，使用过程中以最大功率输出作为其控制目标。
为了实现光伏电池阵列能够以最大功率输出，传统方法一般将最大功率点跟踪(MPPT)算法嵌入逆变器整体控制方案来完成，但是这种方法计算过程较为复杂。
发明内容
本发明是为了解决传统方法将最大功率点跟踪算法嵌入逆变器中实现光伏电池阵列的最大功率输出，计算过程复杂的问题，现提供一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法。
一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：分别采集光伏逆变器中光伏电池阵列的端电压Udc和输出电流Idc，采集光伏逆变器的输出电压uo和输出电流io；
步骤二：利用Udc、Idc、uo和io分别计算光伏电池阵列输出的有功功率Ppv和光伏逆变器输出的无功功率Q；
步骤三：将Ppv和Q输入至下垂控制方程，所述下垂控制方程为：
其中，f*为光伏逆变器所接入电网的额定频率，U*为光伏逆变器的空载电压，m为有功下垂系数，n为无功下垂系数，f为光伏逆变器输出的参考频率，U为参考电压幅值；
步骤四：调整Udc，计算
时的光伏逆变器输出的参考频率f和参考电压幅值U，
步骤五：将步骤四获得的f和U进行合成获得光伏逆变器的参考电压
完成光伏逆变器的下垂控制。
进一步的，上述光伏逆变器包括：相互串联的光伏电池阵列和单相LC型电压源型逆变器。
进一步的，上述步骤二中通过下式计算光伏电池阵列输出的有功功率Ppv和光伏逆变器输出的无功功率Q：
其中，
表示延时环节，
进一步的，上述步骤五中通过下式获得光伏逆变器的参考电压
本发明提出了一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法，该方法将光伏电池阵列的P-U特性曲线导数引入到下垂控制中，对传统下垂控制方程重新构造，通过控制逆变器的输出功率，直接调整光伏电池阵列的输出电压。本发明代替了复杂的MPPT控制算法，实现了最大功率点跟踪。本发明保留了下垂控制无互联通信和“即插即用”等优点，使系统的可靠性得到了增强，而且能够提高对光伏能源的利用效率。
本发明能够应用于光伏逆变器的并网运行，也能够用于独岛运行情况。
附图说明
图1为温度为25℃条件下不同光照强度的P-U特性曲线；
图2为光照强度为1000KW/m2条件下不同温度的P-U特性曲线；
图3为含有多台光伏逆变器的并网发电系统结构图；
图4为下垂控制中光伏阵列工作点运动过程示意图；
图5为一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法的整体控制框图；
图6为光照强度变化曲线图；
图7为并网运行光伏逆变器输出有功功率波形图；
图8为温度变化曲线图；
图9为并网运行光伏逆变器输出有功功率波形图；
图10为离网运行光伏逆变器有功输出波形图；
图11为离网运行光伏逆变器无功输出波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：光伏电池阵列的输出特性受外界因素的影响，其中最主要的两个因素为：光照辐射强度和环境温度。图1和图2分别给出了温度相同光照不同以及光照相同温度不同条件下光伏电池阵列功率输出的单峰P-U特性曲线。根据图例可以得到以下结论：
(1)当外界环境温度保持一定时，光伏电池阵列输出最大功率随光照强度的增加而增大，反之则降低，且光照强度对其输出影响较大。
(2)当外界光照强度相同时，光伏电池阵列输出的最大功率随着温度的升高而降低，反之则增加。如果温度在小范围区间内波动，则对其输出影响较小。
(3)由光伏电池阵列的P-U特性曲线可知，不同温度和光照强度下的P-U特性曲线总是存在最大功率点；以最大功率输出点为顶点两侧存在唯一单调性，左侧为单调递增，右侧为单调递减，顶点处为极大值点。设某一条件下的单峰P-U特性曲线的函数关系为：
Ppv＝f(Udc)，
其中，Ppv为光伏电池阵列输出的有功功率，Udc为光伏电池阵列的端电压。最大功率点处总存在dPpv/dUdc＝0。
图3为含有多台光伏逆变器的并网发电系统结构图，不考虑开关器件和滤波器在运行过程中的功率损耗问题，可以得到一个功率平衡方程如下式所示：
式中，C为光伏电池阵列的并联电容；Pac为光伏逆变器注入电网的有功功率。
假设系统稳态情况下光伏电池阵列工作在极大值点，此时光伏逆变器注入电网的有功功率为最大值，系统中的功率流动满足PPV＝Pac＝Pmax的关系，电容电压保持恒定。
稳态情况下电容存储的能量WDC为：
当某一时刻光伏电池阵列的环境条件发生变化，Pmax将会相应的增加或减少，而光伏逆变器注入电网的有功功率未得到响应，控制参数依然保持不变，此时并联电容将进行充放电来实现系统的功率平衡，这将会导致光电池阵列的输出电压一直偏离最大功率输出点电压。
为此，本实施方式提出一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法，所述光伏逆变器包括：相互串联的光伏电池阵列和单相LC型电压源型逆变器。
所述光伏逆变器下垂控制方法包括以下步骤：
步骤一：分别采集光伏逆变器中光伏电池阵列的端电压Udc和输出电流Idc，采集光伏逆变器的输出电压uo和输出电流io。
步骤二：利用Udc、Idc、uo和io分别计算光伏电池阵列输出的有功功率Ppv和光伏逆变器输出的无功功率Q；通过下式计算光伏电池阵列输出的有功功率Ppv和光伏逆变器输出的无功功率Q：
其中，
表示延时环节，
步骤三：将Ppv和Q输入至下垂控制方程，所述下垂控制方程为：
其中，f*为光伏逆变器所接入电网的额定频率，通常取值为50Hz，U*为光伏逆变器的空载电压，m为有功下垂系数，n为无功下垂系数，f为光伏逆变器输出的参考频率，U为参考电压幅值。
在上述下垂控制方程中，
能够反应光伏电池阵列某一时刻的运行点偏离最大功率输出点的距离，偏离距离越远，
值越大，对功率的调节作用越强。
步骤四：调整Udc，计算
时的光伏逆变器输出的参考频率f和参考电压幅值U，
步骤五：将步骤四获得的f和U进行合成获得光伏逆变器的参考电压
完成光伏逆变器的下垂控制。
步骤五中通过下式获得光伏逆变器的参考电压
结合图3对以上方法的原理进行说明：
当开关S闭合，光伏逆变器运行于并网模式，此时光伏逆变器只考虑有功功率的传输，本实施方式提出的下垂控制方法对光伏电池阵列功率输出的调节过程曲线如图4所示。假设某一时刻光伏电池阵列的运行点在Udc1处，为使其运行点向右移动，可通过后级逆变器的控制来完成。在Udc1处，
由下垂控制方程可知，此时输出参考频率f将会降低，逆变器的输出功率减少，直流侧电容储存能量增加，光伏电池阵列输出电压逐渐回升，其运行点向右侧移动。当光伏电池阵列的功率输出点在Udc2处，
由下垂控制方程可知，此时输出参考频率f将会增大，逆变器的输出功率增加，直流侧电容储存能量减少，光伏电池阵列输出电压逐渐降低，其运行点向左侧移动，以此循环往复，系统最终进入稳态。
该方法根据光伏电池阵列的运行位置，通过逆变器自适应调节光伏电池阵列的输出电压。系统进入稳态后
此时
光伏电池阵列运行于最大功率点，系统功率流动满足PPV＝Pac＝Pmax。
开关S断开，光伏逆变器运行于离网模式，光伏电池阵列输出功率的大小取决于负载容量，带载能力最大不超过最大功率点输出功率。系统进入稳态后，由下垂控制方程可知，在光伏电池阵列的输出特性曲线近似相同的情况下，光伏逆变器输出功率Pac1＝Pac2，此时所有负荷被逆变器均分。该种方法也适用于多台光伏逆变器并联结构，每台逆变器的控制结构与上述方法相同，稳态时Paci＝Pacj，其中i和j为并联结构中的任意两台逆变器。
如图5所示，综上所述，本发明首先分别在电容侧和逆变器输出端处取输出电压电流，通过功率外环计算出光伏电池阵列输出的有功功率与逆变器输出的无功功率。然后经过改进下垂控制方法得到参考电压幅值与频率，最后经过电压电流双闭环控制送入SPWM控制器中得到功率开关管的控制信号。
下垂控制作为对等控制中最常用的控制方法，凭借良好的动态响应能力、无互联通信以及高效的扩展能力等优点，成为逆变器控制的热点方法。本实施方式将光伏电池P-U特性曲线的导数引入到下垂控制方程中，对下垂控制方程重新构造，通过逆变器直接调整光伏阵列的输出电压，无需额外的MPPT算法，使光伏电池阵列的输出电压稳定在最大功率点附近，实现逆变器对光伏电池阵列的最大功率点跟踪。
为了验证本发明所述方法的最大功率跟踪的效果，利用Matlab/Simulink建立光伏逆变器并网与离网模型，光伏电池阵列模型选用14块光伏电池串联，选用光照强度和温度作为扰动信号分析系统的动态响应能力。
主要参数设定如下：额定频率为50Hz、空载电压为311V、开关管频率为10KHz、光伏阵列并联电容为20mF、滤波电感Lf＝3mH、滤波电容Cf＝40μF、有功下垂系数为2e-5；无功下垂系数为5e-3、大电网电压有效值为220V、离网运行所带负荷P＝4KW、Q＝2KVar。
光照扰动时，设定固定环境温度为25℃，光照强度变化如图6所示。温度扰动时，设定固定光照强度为1000KW/m2，环境温度变化如图8所示。
根据Matlab/Simulink给出的光伏电池阵列P-U特性曲线可知：环境温度为25℃，光照强度1500KW/m2时光伏电池阵列最大功率点输出功率为4300W；光照强度1100KW/m2时光伏电池阵列最大功率点输出功率为3200W。温度35℃光照强度1000KW/m2光伏电池阵列最大功率点输出功率为2800W；温度5℃光照强度1000KW/m2最大功率点输出功率为3100W。
图7、图9为光照和温度发生扰动情况时逆变器的输出波形，仿真结果与理论相吻合；在环境条件发生扰动的情况下，光伏逆变器向电网注入的功率值与光伏电池阵列最大输出功率保持同步，并且有较好的跟踪性能。
图10、图11为离网模式下两台并联逆变器的仿真波形，其中线路阻抗参数分别为Z1＝0.005+j0.0004Ω，Z2＝0.007+j0.0006Ω，负载功率S＝4000+j2000，两台光伏电池阵列的光照强度和环境温度设定为1000KW/m2和25℃。仿真结果显示两台逆变器均分所有负荷，且整个过程稳定运行。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (4)
1.一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：分别采集光伏逆变器中光伏电池阵列的端电压Udc和输出电流Idc，采集光伏逆变器的输出电压uo和输出电流io；
步骤二：利用Udc、Idc、uo和io分别计算光伏电池阵列输出的有功功率Ppv和光伏逆变器输出的无功功率Q；
步骤三：将Ppv和Q输入至下垂控制方程，所述下垂控制方程为：
其中，f*为光伏逆变器所接入电网的额定频率，U*为光伏逆变器的空载电压，m为有功下垂系数，n为无功下垂系数，f为光伏逆变器输出的参考频率，U为参考电压幅值；
步骤四：调整Udc，计算
时的光伏逆变器输出的参考频率f和参考电压幅值U，
步骤五：将步骤四获得的f和U进行合成获得光伏逆变器的参考电压
完成光伏逆变器的下垂控制。
2.根据权利要求1所述的一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述光伏逆变器包括：相互串联的光伏电池阵列和单相LC型电压源型逆变器。
3.根据权利要求1所述的一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法，其特征在于，步骤二中通过下式计算光伏电池阵列输出的有功功率Ppv和光伏逆变器输出的无功功率Q：
其中，
表示延时环节，
4.根据权利要求1所述的一种具有最大功率点跟踪功能的光伏逆变器下垂控制方法，其特征在于，步骤五中通过下式获得光伏逆变器的参考电压
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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