CN202260487U - 单相光伏并网发电系统的控制装置 - Google Patents

单相光伏并网发电系统的控制装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种单相光伏并网发电系统的控制装置，包括升压电路模块、逆变电路模块、滤波电路模块、采样电路、DSP控制电路模块和驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括有驱动电路模块A和驱动电路模块B；所述采样电路是由光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块构成；上述采样电路中的几个采样电路模块的输出端分别与DSP控制电路模块电连接，DSP控制电路模块输出控制信号至驱动电路模块，驱动电路模块对升压电路模块的功率开关和逆变电路模块的功率开关进行控制。本实用新型的控制方法能使光伏并网发电系统更稳定，更高效。

Description

单相光伏并网发电系统的控制装置
技术领域
本实用新型涉及一种并网型光伏发电系统控制技术，具体是一种单相光伏并网发电系统的控制装置。
背景技术
小型光伏发电系统的性价比是推广应用的前提，在目前的工艺技术条件下，影响效率的主要因素是光伏电池组件和光伏并网控制器的效率，而光伏电池组件效率由组件厂的生产工艺决定，因此，提高系统效率的关键在于并网控制器的并网逆变控制技术和最大功率跟踪技术。
单相光伏并网发电系统如图1所示。单相光伏并网发电系统由光伏组件、控制器及电网组成。控制器由升压电路、逆变电路、滤波电路、电量检测电路、驱动电路及控制电路组成。控制器的作用是控制光伏发电系统进行最大功率跟踪、并网逆变控制及系统保护等等。
由于光伏并网发电系统在运行过程中存在发电效率低下的问题，因此设计性能良好的最大功率跟踪方法是提高光伏并网发电系统的发电效率的关键。
光伏组件是一个既非电压源又非电流源的非线性直流电源，其输出功率主要受光照强度和表面温度两个因素的影响。因此光伏发电系统需要以适当的速度进行最大功率跟踪，当跟踪的速度足够快时，在一小段时间内可把光照和温度视为恒定，此时光伏电池组件的PV曲线如图2所示。如果升压电路后端的等效电阻为R，升压电路开头管的占空比为D，则光伏组件后端的等效电阻为
Figure 963987DEST_PATH_IMAGE001
          (1)
因为D 的数值在0和1之间，所以从式（1）可知，当D 增大时，R PV  减小；反之则增大。
目前光伏组件的最大功率跟踪策略一般用扰动观测法，其基本思想是：当系统工作在如图2所示曲线的最大功率点A左边时，则减小升压电路的占空比D，使光伏组件后端的等效电阻R PV  增大，以增大光伏组件的输出电压，使其输出功率增大；当系统工作在该曲线A点右边时，则增大D。
扰动观测法适应性好，但是，定步长的扰动观测法会使功率跟踪时间长，动态响应差。
对于单相光伏并网发电系统逆变电路的控制，一般采样电压源输入、电流源输出的控制方式，即对并网电流进行控制。当母线电压稳定时，单环的PI算法加上软件锁频锁相和电网电压前馈，即可使逆变器输出电流满足并网要求。其基本思想是：在DSP软件中用查表方式产生正弦波，通过捕获电网电压的相位和频率，对该正弦波进行锁频锁相后得到参考电流，再参考电流与反馈电流比较后产生的误差进行PI调节，PI控制器的输出加上电网电压前馈量后得到PWM信号，经驱动电路放大后控制逆变电路开关管的通断。
单环的电流控制在母线电压稳定的情况下可以使并网电流满足要求，但当母线电压不稳定，特别是由于前级的升压电路用于最大功率控制而无法稳定母线电压时，有很大的局限性。
发明内容
本实用新型目的在于提供一种单相光伏并网发电系统的控制装置。本控制装置，针对传统的采用定步长扰动观测的控制方法所存在的跟踪时间长、动态响应差的缺陷，以及传统的采用单环电流控制的方式所存在的母线电压不稳定的缺点，利用可变步长扰动观测的控制方法，以加快功率跟踪时间和改善动态响应，并用双环PI算法实现逆变并网功能，以稳定母线电压，使系统工作更可靠。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
单相光伏并网发电系统的控制装置，包括升压电路模块、逆变电路模块、滤波电路模块、采样电路、DSP控制电路模块和驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括有驱动电路模块A和驱动电路模块B；所述采样电路是由光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块构成；光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块的输出端分别与DSP控制电路模块电连接，直流母线电压采样电路模块的输入端与升压电路模块的输出端电连接，电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块的输入端与逆变电路模块的输出端电连接；所述DSP控制电路模块通过I/O口输出导通时间控制信号至驱动电路模块A和驱动电路模块B，驱动电路模块A和驱动电路模块B分别对升压电路模块的功率开关和逆变电路模块的功率开关进行控制。
所述驱动电路模块A和驱动电路模块B将通断控制信号放大后分别对升压电路模块的功率开关和逆变电路模块的功率开关进行控制。
所述光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块分别将光伏组件的输出电压和输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块；直流母线电压采样电路模块将升压电路模块的输出电压转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块。
所述DSP控制电路模块采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。
所述电网电压采样电路模块将滤波电路模块输出端的电压转换成弱电正弦信号并加以抬升以及弱电方波信号，送入DSP控制电路模块。
所述并网电流采样电路模块将滤波电路模块的输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块。
本实用新型的有益效果：由于采用上述的结构，可以减少最大功率跟踪的时间，而且使减轻系统在最大功率点附近的震荡，使系统更加稳定；在单环电流控制的基础上加入电压外环，解决了升压电路为实现最大功率跟踪功能而无法稳定直流母线电压的缺陷，为逆变电路实现并网逆变功能提供稳定的母线电压，使系统更加稳定可靠；同时，电压外环根据前级升压电路跟踪到的最大功率给出并网参考电流的幅值，实现系统高效率的动作。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
图1为本实用新型的控制装置的结构框图。
图中：1、光伏组件的输出电压采样电路模块；2、光伏组件的输出电流采样电路模块；3、直流母线电压采样电路模块；4、电网电压采样电路模块；5、并网电流采样电路模块；6、光伏组件；7、升压电路模块；8、逆变电路模块；9、滤波电路模块；10、DSP控制电路模块；11、驱动电路模块A；12、驱动电路模块B。
具体实施方式      
 如图1所示，单相光伏并网发电系统的控制装置，包括升压电路模块7、逆变电路模块8、滤波电路模块9、采样电路、DSP控制电路模块和驱动电路10，其中，驱动电路包括有驱动电路模块A11和驱动电路模块B12，升压电路模块7接收来自驱动电路模块A11的控制信号，完成控制光伏组件6的最大功率跟踪的功能；逆变电路8接收来自驱动电路模块B12的控制信号，完成并网逆变和稳定母线电压的功能；滤波电路模块9对逆变电路模块8输出的按正弦规律变化的脉冲波进行滤波，使其成为正弦波。并且，滤波电路模块9的输出端与电网并联连接。
所述采样电路是由光伏组件的输出电压采样电路模块1、光伏组件的输出电流采样电路模块2、直流母线电压采样电路模块3、电网电压采样电路模块4和并网电流采样电路模块5构成；光伏组件的输出电压采样电路模块1、光伏组件的输出电流采样电路模块2、直流母线电压采样电路模块3、电网电压采样电路模块4和并网电流采样电路模块5的输出端分别与DSP控制电路模块10电连接，直流母线电压采样电路模块3的输入端与升压电路模块7的输出端电连接，电网电压采样电路模块4和并网电流采样电路模块5的输入端与逆变电路模块8的输出端电连接；所述DSP控制电路模块10通过I/O口输出导通时间控制信号至驱动电路模块A11和驱动电路模块B12，驱动电路模块A11和驱动电路模块B12将通断控制信号放大后分别对升压电路模块7的功率开关和逆变电路模块8的功率开关进行控制。
所述光伏组件的输出电压采样电路模块1、光伏组件的输出电流采样电路模块2分别将光伏组件6的输出电压和输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块10。直流母线电压采样电路模块3将升压电路模块7的输出电压转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块10。电网电压采样电路模块4将滤波电路模块9输出端的电压（即电网电压）转换成弱电正弦信号并加以抬升以及弱电方波信号，送入DSP控制电路模块10。并网电流采样电路模块5将滤波电路模块9的输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块10。
所述DSP控制电路模块10采用DSP-TMS320LF2407A型控制器，其中，TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3．3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了32K字的闪存(可加密)、2．5K的RAM、500ns转换时间的A／D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I／O功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。DSP控制电路模块10主要完成单相光伏并网发电系统的改进型控制方法的运行和PWM控制信号的输出。首先对光伏组件的输出电压、输出电流、母线电压、电网电压和并网电流进行采样，然后根据变步长的扰动观测法和双环PI控制逆变算法分别计算升压电路模块7和逆变电路模块8的占空比，再转换成相应功率开头器件的导通时间，最后通过高速I/O口将PWM控制信号输出至驱动电路模块A11和驱动电路模块B12。
单相光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）通过控制装置中的电压采样电路模块和电流采样电路模块检测光伏组件的输出电压和输出电流，得到光伏组件的输出功率；同时检测电网电压、并网电流和直流母线电压。
（2）利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤（1）中的参数得到的光伏组件的输出功率—输出电压曲线的斜率，采用变步长扰动观测最大功率跟踪算法计算控制装置中的升压电路模块中功率开关的导通时间；
（3）利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤（1）中的直流母线电压、电网电压和并网电流，采用双环PI并网逆变控制算法，计算控制装置中逆变电路模块功率开关的导通时间；所述双环PI并网逆变控制算法，是在单环PI控制的基础上加入电压环，构成内外环的双环PI控制算法，内环控制并网电流，使逆变器输出与电网电压同频同相的正弦电流；外环控制母线电压，为逆变器提供稳定的直流电压，电压环中PI控制器的输出是内环参考电流的幅值；
Figure 2011203415198100002DEST_PATH_IMAGE002
Figure 481556DEST_PATH_IMAGE002
   
（4）由步骤（2）和步骤（3）中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号经驱动电路功率放大后分别进行两方面的控制：对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，从而控制光伏组件后端的等效电阻，使光伏组件的输出电压保持在最大功率点对应的电压处，完成对光伏组件最大功率的跟踪；对逆变电路功率开关的开通与关断进行控制，从而控制并网电流快速稳定地跟踪其参考值，使逆变器输出与电网电压同频同相的正弦电流，同时通过控制电流的幅值使系统功率平衡，以稳定母线电压。
以上所述是本实用新型的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种单相光伏并网发电系统的控制装置，包括升压电路模块、逆变电路模块、滤波电路模块、采样电路、DSP控制电路模块和驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括有驱动电路模块A和驱动电路模块B；所述采样电路是由光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块构成；光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块的输出端分别与DSP控制电路模块电连接，直流母线电压采样电路模块的输入端与升压电路模块的输出端电连接，电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块的输入端与逆变电路模块的输出端电连接；所述DSP控制电路模块通过I/O口输出导通时间控制信号至驱动电路模块A和驱动电路模块B，驱动电路模块A和驱动电路模块B分别对升压电路模块的功率开关和逆变电路模块的功率开关进行控制。
2.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的控制装置，其特征在于：所述驱动电路模块A和驱动电路模块B将通断控制信号放大后分别对升压电路模块的功率开关和逆变电路模块的功率开关进行控制。
3.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的控制装置，其特征在于：所述光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块分别将光伏组件的输出电压和输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块；直流母线电压采样电路模块将升压电路模块的输出电压转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块。
4.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的控制装置，其特征在于：所述DSP控制电路模块采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。
5.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的控制装置，其特征在于：所述电网电压采样电路模块将滤波电路模块输出端的电压转换成弱电正弦信号并加以抬升以及弱电方波信号，送入DSP控制电路模块。
6.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的控制装置，其特征在于：所述并网电流采样电路模块将滤波电路模块的输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块。
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