CN116722590A

CN116722590A - 一种pid效应抑制方法、系统及光伏系统

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Publication number: CN116722590A
Application number: CN202310987403.9A
Authority: CN
Inventors: 张文平; 王一鸣; 许颇
Original assignee: Ginlong Technologies Co Ltd
Current assignee: Ginlong Technologies Co Ltd
Priority date: 2023-08-08
Filing date: 2023-08-08
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2043-08-08
Also published as: CN116722590B

Abstract

本发明提供了一种PID效应抑制方法、系统及光伏系统，涉及光伏发电技术领域。本发明所述的PID效应抑制方法，包括：获取母线负对地电压；根据所述母线负对地电压调节PID电源电压，以使所述母线负对地电压大于零，所述根据所述母线负对地电压调节PID电源电压包括：通过电压环路调节所述PID电源电压，或通过所述电压环路和频率环路调节所述PID电源电压，或通过所述电压环路和移相角环路调节所述PID电源电压。本发明通过母线负对地电压对PID电源电压进行调节，实现闭环控制母线负对地电压，有效抑制PID效应，容易实施且能够使电源效率尽可能高。

Description

一种PID效应抑制方法、系统及光伏系统

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体而言，涉及一种PID效应抑制方法、系统及光伏系统。

背景技术

光伏电势诱导衰减（PID，Potential Induced Degradation）效应指的是电池组件长期在高电压作用下，使玻璃、封装材料之间存在漏电流，大量电荷聚集在电池片表面，使得电池表面的钝化效果变差的现象，PID现象严重时会引起一块组件功率衰减50%以上，从而影响整个组串的功率输出，因此在光伏系统进行工作时，需要对PID效应进行抑制。

现有PID效应的抑制方式主要有：（1）在光伏电池与地之间安装电源，闭环调节电源输出电压，使光伏负极对地电压得到补偿，达到抑制PID效应的目的。（2）通过电压抬升电路抬升交流侧中性点对地电压，从而提高逆变器前级电池板的对地电压。（3）在交流侧构造虚拟的中点，通过电压抬升电路抬升交流侧虚拟中性点对地电压，从而提高逆变器前级电池板的对地电压。上述方式在使用时实施过程较为困难，且抑制电路的结构较为复杂；并且在对光伏系统的PID效应进行抑制的同时，容易造成光伏系统的母线电压不平衡，进而影响光伏系统的正常工作。

发明内容

本发明解决的问题是如何实现易实施且低复杂度的PID效应抑制。

为解决上述问题，本发明提供一种PID效应抑制方法、系统及光伏系统。

第一方面，本发明提供一种PID效应抑制方法，包括：

获取母线负对地电压；

根据所述母线负对地电压调节PID电源电压，以使所述母线负对地电压大于零，所述根据所述母线负对地电压调节PID电源电压包括：通过电压环路调节所述PID电源电压，或通过所述电压环路和频率环路调节所述PID电源电压，或通过所述电压环路和移相角环路调节所述PID电源电压。

可选地，所述根据所述母线负对地电压调节PID电源电压包括：

当所述母线负对地电压大于门槛值时，控制PID电源LLC工作于开环恒频模式；

当所述母线负对地电压小于零时，控制所述PID电源LLC工作于闭环调压模式；

当所述母线负对地电压大于零且小于所述门槛值时，控制所述PID电源LLC工作于预设迟滞模式。

可选地，所述控制所述PID电源LLC工作于预设迟滞模式包括：

当所述母线负对地电压从大于所述门槛值降为大于零且小于所述门槛值时，控制所述PID电源LLC工作于开环恒频模式；

当所述母线负对地电压从小于零升为大于零且小于所述门槛值时，控制所述PID电源LLC工作于闭环调压模式。

可选地，所述根据所述母线负对地电压调节PID电源电压还包括：

根据所述PID电源电压、光伏电压、PID电阻、光伏对地电阻和光伏组串个数确定所述门槛值；

其中，所述门槛值表示为：

；

其中，Vth表示所述门槛值，V_PID表示所述PID电源电压，V_{PV_max}表示所述光伏最大电压，R_PID表示所述PID电阻，R_{PV_normal}表示所述光伏对地电阻，n表示所述光伏组串个数。

可选地，所述通过电压环路调节所述PID电源电压包括：

根据所述母线负对地电压和指令值确定比较值，其中，所述指令值大于零；

将所述比较值输入所述电压环路确定频率信号；

根据所述频率信号调节所述PID电源电压。

可选地，所述根据所述频率信号调节所述PID电源电压包括：

根据所述频率信号进行占空比调制以调节所述PID电源电压。

可选地，所述通过所述电压环路和频率环路调节所述PID电源电压包括：通过调频动态调节所述指令值，具体包括：当工作频率低于谐振频率时，升高所述指令值，当工作频率高于谐振频率时，降低所述指令值，其中，控制环路包括所述电压环路和所述频率环路；所述通过所述电压环路和移相角环路调节所述PID电源电压包括：通过调移相角动态调节所述指令值，具体包括：当移相角大于零时，降低所述指令值，当移相角小于零时，升高所述指令值，其中，控制环路包括所述电压环路和所述移相角环路。

可选地，所述PID效应抑制方法还包括：当处于预设光照条件下时，控制PID电源LLC工作于开环恒频模式。

第二方面，本发明提供一种PID效应抑制系统，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上PID效应抑制方法。

第三方面，本发明提供一种光伏系统，包括上述PID效应抑制系统。

本发明通过母线负对地电压对PID电源电压进行调节，实现闭环控制母线负对地电压，可以在母线负对地电压下降时，通过闭环调压模式对PID电源电压进行调节，例如通过电压环路调节PID电源电压，或通过电压环路和频率环路调节PID电源电压，可以使得系统的工作频率尽可能接近于谐振频率，一定程度上可以提升系统的效率，或通过电压环路和移相角环路调节PID电源电压，使得系统的移相角尽可能接近于0，一定程度上可以提升系统的效率，从而提升母线负对地电压，进而有效抑制PID效应，容易实施且能够使电源效率尽可能高。

附图说明

图1为本发明实施例的PID效应抑制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的PID效应抑制方法对应的整体系统示意图；

图3为本发明实施例的电源V_PID拓扑方案一，其中输入从直流母线取电；

图4为本发明实施例的电源V_PID拓扑方案二，其中输入从交流电网取电；

图5为本发明实施例的对地回路的等效电路图；

图6为本发明实施例的PID效应抑制方法的一种控制策略示意图；

图7为本发明实施例的调频控制电压的变模式控制的原理示意图；

图8为本发明实施例的调频动态调节指令值的示意图一，为系统电路图；

图9为本发明实施例的调频动态调节指令值的示意图二，为PID电源图；

图10为本发明实施例的调频动态调节指令值的示意图三，为调频动态调节指令控制框图；

图11为本发明实施例的移相控制电压的变模式控制的原理示意图；

图12为本发明实施例的调移相角动态调节指令值的示意图一，为系统电路图；

图13为本发明实施例的调移相角动态调节指令值的示意图二，为PID电源图；

图14为本发明实施例的调移相角动态调节指令值的示意图三，为移相动态调节指令控制框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种PID效应抑制方法，包括：

获取母线负对地电压；

具体地，通过母线负对地电压对PID电源电压进行调节，实现闭环控制母线负对地电压，容易实施，且能够保证光伏PID抑制效果，同时使电源效率尽可能高。

其中，电压环路（也称电压环）是一种常见的控制系统，用于控制输出电压或电压差的稳定性，主要目标是将输出电压维持在设定值或期望值附近；电压环的控制逻辑可以简单或复杂，取决于具体的应用和要求。其中，控制器是电压环的核心部分，用于接收误差信号，并根据该信号采取措施来调整输出电压。控制器可以是模拟控制器，如比例积分（PI）控制器，或者是数字控制器，如PID算法。

其中，频率环路和移相角环路都是控制系统中常见的环路类型，用于控制频率和相位角的稳定性。

其中，控制器是频率环路的核心部分，用于接收误差信号，并根据该信号采取措施来调整输出频率。常见的控制器类型包括PI控制器或PID控制器。根据控制器的输出，频率环路可以采取不同的控制动作来调整输出频率。例如，如果输入频率低于目标频率，控制器可能增加输出频率；反之，如果输入频率高于目标频率，控制器可能降低输出频率。

其中，控制器是移相角环路（Phase-Locked Loop，PLL）的核心部分，用于接收误差信号，并根据该信号采取措施来调整输出相位角。通常采用PI控制器或PID控制器。根据控制器的输出，移相角环路可以采取不同的控制动作来调整输出相位角。例如，如果输入相位角偏离目标相位角，控制器可能调整输出相位角；直到输入相位角与目标相位角保持一致。

其中，电压环路可以单独对PID电源电压进行调节，或者配合频率环路或移相角环路（用于调节指令值V_{N_PE} ^*）对PID电源电压进行调节。

其中，结合图2所示，PID装置的硬件连接在母线负和地之间，包括一个电源V_PID，一个安全保护的电阻R_PID。电源V_PID用于产生一个电压抬升母线负对地电压，具体的实现可以有多种拓扑方案，下面介绍二种拓扑方案，但可不限于这二种方案。结合图3所示，直流母线V_dc取电，拓扑采用LLC方案；结合图4所示，交流（v_ga，v_gb，v_gc）取电，拓扑采用不控整流桥+LLC方案，选用LLC电路拓扑主要考虑到LLC电路的效率较高；LLC拓扑采用电感（L）、电容（C）和电感（L）组成的谐振网络，以实现高效的能量转换。假设光伏侧DC/DC为Boost电路，对地回路的等效电路图如图5所示。

假设理想情况下，V_PV1=V_PV2=…V_PVn=V_PV，R_PV1+=…=R_PVn+=R_PV1-=…=R_PVn-=R_PV。根据图5，可以得到母线负对地的电压V_{N_PE}，如式（1）。

（1）；

由式（1），光伏电压V_PV是波动的，同时光伏对地阻抗R_PV是会变化的，由此可见，母线负对地的电压V_{N_PE}也是会波动的。为实现白天PID效应抑制，母线负对地的电压V_{N_PE}需要控制至少到大于零的值。

可选地，所述通过电压环路调节所述PID电源电压包括：

将所述比较值输入所述电压环路以调节所述PID电源电压。

具体地，结合图6所示，首先检测母线负对地电压V_{N_PE}，然后与指令值V_{N_PE} ^*做比较。注意指令值V_{N_PE} ^*应当为大于零的值，这样才能实现白天PID效应抑制。比较值经过一个电压环产生频率信号f（或者移相角信号），根据频率f进行50%占空比调制控制电源V_PID。因此，可以通过控制PID电源电压V_PID，实现母线负对地电压V_{N_PE}的调节。该方法在控制过程中，工作频率不断变化，无法固定在效率最优的谐振频率点处，一定程度会降低PID电源的效率。

可选地，所述将所述比较值输入所述电压环路以调节所述PID电源电压包括：

生成频率信号或移相角信号以调节所述PID电源电压。

具体地，根据频率信号f进行50%占空比调制控制电源V_PID，实现母线负对地电压V_{N_PE}的调节；或者通过移相角信号实现母线负对地电压V_{N_PE}的调。

具体地，通过调频动态调节指令值过程如下：

结合图8至图10所示，除了原来的电压环回路外，加入到频率f到指令值V_{N_PE} ^*的一个环路。具体来说，当工作频率f低于谐振频率f_r时，此时可以将指令值V_{N_PE} ^*调低一些；当工作频率f高于谐振频率f_r时，此时可以将指令值调V_{N_PE} ^*高一些；另外控制器的输出有限幅，幅值应当约束在0到门槛V_th之间。需要说明的是，此频率环路需要远慢于原始的电压环路，这样加入的频率环路不会影响原来的控制环路。该动态变化参考值的方法使得系统的工作频率尽可能接近于谐振频率，一定程度可以提升系统的效率。

通过调移相角动态调节指令值过程如下：

结合图11所示，首先设定一个门槛值V_th，当母线负对地电压V_{N_PE}>V_th时，PID电源LLC工作于开环恒频模式，此时工作频率为谐振频率（f_r），系统效率最优。当系统对地电阻降低，这时母线负对地电压V_{N_PE}下降，当V_{N_PE}下降到零时，LLC电源启动闭环调压模式，注意这时的指令值V_{N_PE} ^*可以是在0V到V_th之间，具体到该指令值如何动态变化会在后面进行介绍。闭环控制结果有三种情况，1）母线负对地电压V_{N_PE}还持续下降，无法恢复到0V以上，意味着系统发生了比较严重的绝缘阻抗降低的问题，这时系统需要报警，甚至停机；2）母线负对地电压V_{N_PE}达到甚至超过门槛值V_th，且移相角φ为0，说明此时系统可以转为开环恒频模式，然后系统切换为开环恒频模式；3）母线负对地电压V_{N_PE}在0V到V_th之间，且移相角φ大于0，说明系统还不能切换开环模式，继续闭环调压模式。

结合图11所示，当母线负对地电压V_{N_PE}>V_th时，系统为开环恒频模式；当母线负对地电压V_{N_PE}<0时，系统为闭环移相调压模式；介于0和V_th时，为迟滞区，取决于轨迹方向来决定运行模式，如果原来是开环恒频模式，然后进入迟滞区，将会保持原来的开环恒频，如果原来是闭环移相调压模式，然后进入迟滞区，将会保持原来的闭环移相调压模式。

其中，PID电源LLC工作于开环恒频模式意味着该电源使用PID控制算法，但在工作时不采用反馈机制；在开环恒频模式下，PID电源LLC不使用反馈机制来监测和调整输出电压或电流。相反，输出频率被设置为一个固定的值，而且在工作过程中不会根据输出条件进行调整。这意味着LLC拓扑中的谐振频率保持恒定，无论负载变化或输入电压波动如何，都不会主动调整输出电压。开环恒频模式的优点是简单和稳定，因为不涉及复杂的反馈控制回路。然而，它也有一些缺点。由于没有反馈，系统对于负载变化和输入电压的波动可能会表现出较差的动态性能和输出稳定性。

其中，在闭环调压模式下，PID电源LLC采用反馈机制来实时监测输出电压（或电流），并与设定值进行比较。PID控制器根据输出误差，即实际输出与设定值之间的差异，计算出一个控制信号，用于调整LLC拓扑中的开关元件的占空比，从而调节输出电压，使其稳定在预定的值。闭环调压模式具有良好的输出稳定性和动态性能，可以实时响应负载变化和输入电压波动，通过PID控制调整输出，确保输出电压稳定在设定值附近。

结合图12至图14所示，除了原来的电压环回路外，加入到副边相对于原边移相角φ到指令值V_{N_PE} ^*的一个环路。具体来说，当移相角φ大于0时，此时可以将指令值V_{N_PE} ^*调低一些，这样可以降低移相角φ；当移相角φ小于0时，此时可以将指令值V_{N_PE} ^*调高一些，这样可以提高移相角φ；另外控制器的输出有限幅，幅值应当约束在0到门槛V_th之间。需要说明的是，此移相角环路需要远慢于原始的电压环路，这样加入的移相角环路不会影响原来的控制环路。该动态变化参考值的方法使得系统的移相角尽可能接近于0，一定程度可以提升系统的效率。

具体地，结合图7所示，首先设定一个门槛值V_th，当母线负对地电压V_{N_PE}>V_th时，PID电源LLC工作于开环恒频模式，此时工作频率为谐振频率（f_r），系统效率最优。注意该门槛值V_th需要仔细设计，保证正常情况下母线负对地电压V_{N_PE}>V_th。

当系统对地电阻降低，这时母线负对地电压V_{N_PE}下降，当V_{N_PE}下降到零时，LLC电源启动闭环调压模式，注意这时的指令值V_{N_PE} ^*可以是在0V到V_th之间，具体到该指令值如何动态变化会在后面进行介绍。闭环控制结果有三种情况，1）母线负对地电压V_{N_PE}还持续下降，无法恢复到0V以上，意味着系统发生了比较严重的绝缘阻抗降低的问题，这时系统需要报警，甚至停机；2）母线负对地电压V_{N_PE}达到门槛值V_th，且工作频率为过频区域（f>f_r），说明此时系统可以转为开环恒频模式，然后系统切换开环恒频模式，且开环工作频率为谐振频率f_r；3）母线负对地电压V_{N_PE}在0V到V_th之间，且工作频率是欠频模式（f<f_r），说明系统还不能切换开环模式，继续闭环调压模式。

结合图7所示，当母线负对地电压V_{N_PE}>V_th时，系统为开环恒频模式；当母线负对地电压V_{N_PE}<0时，系统为闭环调压模式；介于0和V_th时，为迟滞区，取决于轨迹方向来决定运行模式，如果原来是开环恒频模式，然后进入迟滞区，将会保持原来的开环恒频；如果原来是闭环调压模式，然后进入迟滞区，将会保持原来的闭环调压模式。

可选地，所述控制所述PID电源LLC工作于预设迟滞模式包括：

具体地，结合图7所示，母线负对地电压介于0和V_th时，为迟滞区，取决于轨迹方向来决定运行模式，如果原来是开环恒频模式，然后进入迟滞区，将会保持原来的开环恒频；如果原来是闭环调压模式，然后进入迟滞区，将会保持原来的闭环调压模式。

其中，所述门槛值表示为：

；

其中，V_th表示所述门槛值，V_PID表示所述PID电源电压，V_{PV_max}表示所述光伏电压，R_PID表示所述PID电阻，R_{PV_normal}表示所述光伏对地电阻，n表示所述光伏组串个数。

具体地，首先介绍门槛值V_th的设计方法，需要保证正常情况下母线负对地电压V_{N_PE}>V_th。利用式（1），当光伏电压V_PV为最大值V_{PV_max}，光伏对地阻抗为正常值R_{PV_normal}的90%时，认为此时母线负对地电压V_{N_PE}掉到门槛值V_th。具体如（2），这样即可确定V_th的取值。

（2）；

假设光伏最大电压V_{PV_max}=1300V，PID电阻R_PID为510KΩ，光伏对地电阻R_PV=8MΩ，光伏组串个数n=10，PID电压V_PID=1000V。利用（2），可以算出V_th=32.75V。

具体地，如果PID装置需要同时具有晚上PID修复和白天PID抑制两种功能，控制方法需要做相应变化。白天PID抑制可以按照前述方法实现，夜间（预设光照条件的一种）因为光伏电压为零（太阳光不再照射光伏电池组），PID装置工作于开环恒频，输出电压可以满足要求，且PID装置工作频率抑制工作于谐振频率，系统效率高。

本发明另一实施例提供一种PID效应抑制系统，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上PID效应抑制方法。

本发明另一实施例提供一种光伏系统，包括上述PID效应抑制系统。

虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种PID效应抑制方法，其特征在于，包括：

获取母线负对地电压；

2.根据权利要求1所述的PID效应抑制方法，其特征在于，所述根据所述母线负对地电压调节PID电源电压包括：

3.根据权利要求2所述的PID效应抑制方法，其特征在于，所述控制所述PID电源LLC工作于预设迟滞模式包括：

4.根据权利要求2所述的PID效应抑制方法，其特征在于，所述根据所述母线负对地电压调节PID电源电压还包括：

其中，所述门槛值表示为：

；

其中，V_th表示所述门槛值，V_PID表示所述PID电源电压，V_{PV_max}表示所述光伏最大电压，R_PID表示所述PID电阻，R_{PV_normal}表示所述光伏对地电阻，n表示所述光伏组串个数。

5.根据权利要求1所述的PID效应抑制方法，其特征在于，所述通过电压环路调节所述PID电源电压包括：

将所述比较值输入所述电压环路以调节所述PID电源电压。

6.根据权利要求5所述的PID效应抑制方法，其特征在于，所述将所述比较值输入所述电压环路以调节所述PID电源电压包括：

生成频率信号或移相角信号以调节所述PID电源电压。

7.根据权利要求5所述的PID效应抑制方法，其特征在于，所述通过所述电压环路和频率环路调节所述PID电源电压包括：通过调频动态调节所述指令值，具体包括：当工作频率低于谐振频率时，升高所述指令值，当工作频率高于谐振频率时，降低所述指令值，其中，控制环路包括所述电压环路和所述频率环路；所述通过所述电压环路和移相角环路调节所述PID电源电压包括：通过调移相角动态调节所述指令值，具体包括：当移相角大于零时，降低所述指令值，当移相角小于零时，升高所述指令值，其中，控制环路包括所述电压环路和所述移相角环路。

8.根据权利要求1至7任一项所述的PID效应抑制方法，其特征在于，还包括：当处于预设光照条件下时，控制PID电源LLC工作于开环恒频模式。

9.一种PID效应抑制系统，其特征在于，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如权利要求1至8任一项所述的PID效应抑制方法。

10.一种光伏系统，其特征在于，包括权利要求9所述的PID效应抑制系统。