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一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法及其裝置的制作方法

文檔序號:7463892閱讀:160來源:國知局
專利名稱:一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法,具體是一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法。
背景技術(shù)
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照拓?fù)涞燃壏譃閱渭壥?和多級式系統(tǒng)。單級式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的前端光伏電池板通過逆變器直接并入電網(wǎng),具有拓?fù)浜唵?、成本低、效率高等?yōu)點(diǎn),但其控制策略復(fù)雜,需要在逆變器的控制芯片上實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流控制,同時兼顧最大功率跟蹤控制和系統(tǒng)穩(wěn)定性。單級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路由太陽能光伏陣列、直流母線電容、逆變橋、濾波電感等組成。并網(wǎng)電流和最大功率跟蹤通過控制后端逆變部分實(shí)現(xiàn),逆變部分需要一塊DSP控制器,這里采用電流型并網(wǎng)控制策略,實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同步且實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)傳統(tǒng)控制方法采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),功率外環(huán)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤,電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)電流波形與電網(wǎng)電壓同步。這種雙環(huán)控制簡單而直接,通過MPPT功率外環(huán)直接控制電流內(nèi)環(huán),同時根據(jù)前端最大功率跟蹤相應(yīng)改變并網(wǎng)的電流值,控制電流的波形符合并網(wǎng)要求。然而,由于系統(tǒng)雙環(huán)控制方法沒有對直流母線電壓進(jìn)行直接控制,系統(tǒng)容易出現(xiàn)直流側(cè)電壓崩潰的現(xiàn)象,所以有必要引入直流母線電壓環(huán)的控制。雙環(huán)控制在跟蹤最大功率點(diǎn)時不斷調(diào)整并網(wǎng)電流值,如系統(tǒng)此時外界光照突然減小,而控制器無法給出一個合適的電流參考值,會造成輸出的功率大于光伏電池板提供的功率,功率不平衡會導(dǎo)致直流側(cè)工作點(diǎn)電壓降低,太陽能電池板工作點(diǎn)電壓降低時輸出功率也會相應(yīng)降低,從而進(jìn)一步加劇功率不平衡,如此循環(huán)會導(dǎo)致直流側(cè)電壓崩潰,電流畸變引起諧波污染,危害電網(wǎng)和設(shè)各種備,因此雙環(huán)控制有很大局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法及其裝置。本控制方法及其裝置,針對傳統(tǒng)的采用定步長擾動觀測的控制方法所存在的跟蹤時間長、動態(tài)響應(yīng)差的缺陷,以及傳統(tǒng)的采用雙環(huán)電流控制的方式所存在的母線電壓不穩(wěn)定的缺點(diǎn),利用可變步長擾動觀測的控制方法,以加快功率跟蹤時間和改善動態(tài)響應(yīng),并用三環(huán)實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)功能,以穩(wěn)定母線電壓,使系統(tǒng)工作更可靠。一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法,一個控制周期包括如下步驟(I)通過電壓采樣和電流采樣電路檢測太陽能電池板的輸出電壓、太陽能電池板的輸出電流、電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流;(2)利用DSP控制器,依據(jù)步驟(I)中太陽能電池板電壓、電流的的參數(shù)得到的太陽能電池板的輸出功率,與上一次太陽能電池板電壓和功率數(shù)據(jù)比較,采用最大功率跟蹤算法計算直流母線輸出參考電壓;(3)利用DSP控制器,依據(jù)步驟(I)的太陽能電池板的輸出電壓,與步驟(2)中的直流母線輸出參考電壓作差得到誤差電壓值,經(jīng)過一個PI環(huán)節(jié)計算出并網(wǎng)電流參考值;(4)由步驟(3)得到參考并網(wǎng)電流值和步驟(I)的并網(wǎng)電流作差比較,在DSP控制器中經(jīng)過一個PI比例積分運(yùn)算得到誤差值;得到的誤差值與步驟(I)電網(wǎng)電壓前饋值相加得到下一個控制周期的調(diào)制波信號值;(5)步驟(4)得到的調(diào)制波信號經(jīng)DSP控制器進(jìn)行三角波調(diào)制,并計算得到下一控制周期開關(guān)管的占空比,由該占空比產(chǎn)生一組互補(bǔ)的PWM信號;(6)步驟(5)得到的一組互補(bǔ)的PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大后送至逆變橋?qū)﹂_關(guān)管進(jìn)行控制,并等待下一控制周期的到來,控制周期由電網(wǎng)頻率決定。 進(jìn)一步的,所述最大功率跟蹤算法采用變步長擾動觀測法。所述變步長擾動觀測法包括以下步驟A、計算本周期太陽能電池板的輸出電壓UPV(k)和上個周期太陽能電池板的輸出電壓 UPV(k_l)之差(Iu, Clu=Upv (k)-Upv (k_I);B、計算本周期太陽能電池板的輸出功率PPV(k)=UPV*IPV和上個周期太陽能電池板的輸出功率PPV(k_l)之差dP,dP=PPV(k)-PPV(k-l),其中IPV(k)為本周期太陽能電池的電流,保存PPV(k)為下一周期的計算做準(zhǔn)備;C、根據(jù)步驟A、B得到屯、dP,計算變步長系數(shù)I^dpAlu,計算下一周期參考電壓Ifpv(k) =Ifpv(k-1)+k*step,其中UPV(k_l)是上個周期太陽能電池板的輸出電壓,step是一個步長常數(shù)。進(jìn)一步的,所述步驟(3)計算并網(wǎng)電流參考值包括以下步驟a、根據(jù)實(shí)際電壓值和直流母線輸出參考電壓值計算得到誤差電壓值G1 (k) =Upv (k) -U*PV (k);b、誤差電壓經(jīng)過第一個PI比例積分環(huán)節(jié)的計算,得到并網(wǎng)電流參考幅值IMf(k)=Iref (k-1) +Kpi [e: (k) -G1 (k-1) ] +K11G1 (k),其中 Iref (k_l)是上一周期并網(wǎng)電流參考幅值,ei(k-l)是上一周期參考電壓值和實(shí)際電壓值得到的誤差電壓值,KpjPK11是工程整定的PI參數(shù)值。進(jìn)一步的,所述步驟(4)計算調(diào)制波信號值包括以下步驟①據(jù)iMf(k)和步驟(I)電網(wǎng)電壓的相位信息,得到rMf(k),與步驟(I)采樣得到并網(wǎng)電流值i作差得到誤差電流e2 (k) =I*ref (k) -i ;②差電流經(jīng)過第二個PI環(huán)節(jié)計算得到誤差值e3 (k) =e3 (k_l) +Kp2 [e2 (k) _e2 (k_l)]+KI2e2(k),其中e3(k_l)為上一周期經(jīng)過第二個PI環(huán)節(jié)的誤差值,e2 (k-1)為上一周期的誤差電流值,Kp2和K12也是工程整定值;③到的e3(k)與電網(wǎng)電壓前饋值相加得到本控制周期的調(diào)制波信號值e4 (k) =e3 (k) +KN*uN,其中Kn是一個常數(shù)與逆變器增益有關(guān),Un是電網(wǎng)電壓瞬時值。進(jìn)一步的,所述步驟(5)產(chǎn)生一組互補(bǔ)PWM信號包括以下步驟I、采用雙極性調(diào)節(jié)和規(guī)則采樣法,得到開關(guān)的導(dǎo)通時間占= |(l+q⑷),其中T。為功率器件的開關(guān)周期,e4(k)為本控制周期的調(diào)制波信號值;
II、在DSP控制器內(nèi)部,產(chǎn)生一組互補(bǔ)的PWM信號,這組的兩個信號之間有死區(qū)時間;III、DSP控制器的一組PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大,再送去驅(qū)動開關(guān)管。實(shí)現(xiàn)所述單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法的控制裝置,包括采樣電路、捕獲電路、DSP控制器、驅(qū)動電路,采樣電路與DSP控制器連接,捕獲電路與DSP控制器連接,DSP控制器輸出與驅(qū)動電路連接;進(jìn)一步的,所述采樣電路由直流母線電壓采樣電路、直流電流采樣電路、電網(wǎng)電壓采樣電路、并網(wǎng)電流采樣電路四部分組成;直流母線電壓采樣電路的輸入是太陽能電池板輸出電壓,直流電流米樣電路的輸入是太陽能電池板輸出電流,電網(wǎng)電壓米樣電路的輸入是電網(wǎng)電壓,并網(wǎng)電流采樣電路的輸入是逆變器輸出電流;采樣電路輸出都接入DSP控制器進(jìn)行運(yùn)算;DSP控制器輸出一組互補(bǔ)的PWM信號,接到驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大,驅(qū)動電路輸出的信號接到逆變橋?qū)﹂_關(guān)管進(jìn)行控制。 進(jìn)一步的,所述DSP控制器采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果包括I、改善系統(tǒng)的最大功率跟蹤響應(yīng)速度。系統(tǒng)簡單易于搭建,不增加硬件成本,改進(jìn)的算法采用變步長擾動觀察法,使系統(tǒng)能夠快速地搜索太陽能電池板的最大功率點(diǎn),同時減少最高功率點(diǎn)的功率振蕩,特別是在光照突然變化的時候能夠快速跟蹤到最大點(diǎn)。2、改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。系統(tǒng)增加了對直流母線電壓的直接控制環(huán)節(jié),在光照突然降低的情況下,能夠保證直流電壓穩(wěn)定,系統(tǒng)在整個過程中并網(wǎng)電流不畸變,改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能,不會危害電網(wǎng)和設(shè)備,系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。


圖I為實(shí)施方式中的單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的控制裝置中各部分連接示意圖。圖2為實(shí)施方式中的控制方法流程示意圖。圖3為實(shí)施方式中的變步長擾動觀察最大功率跟蹤算法流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說明,但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。如圖I所示單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的主電路由太陽能電池板(圖中多個平行四邊形所示)、母線電容、逆變橋、濾波電感和電網(wǎng)組成??刂蒲b置的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的電流是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波??刂齐娐钒ㄒ粋€DSP控制器,采用TI公司的DSP-TMS320LF2407A型控制器??刂仆鈬骷涌谌鐖DI所示,主要包括采樣電路、捕獲電路和驅(qū)動電路。主要運(yùn)用到DSP控制器ADC采樣模塊、EVA/EVB事件管理模塊、捕獲模塊等。其他模塊如看門狗、串口通信、指示燈模塊都有用到,但不是控制的重點(diǎn),屬于本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù),不再詳細(xì)講述。其中采樣電路由直流母線電壓采樣電路、直流電流采樣電路、電網(wǎng)電壓采樣電路、并網(wǎng)電流采樣電路四部分組成。采樣電路的作用是獲取系統(tǒng)運(yùn)行的電壓電流數(shù)據(jù),為控制器運(yùn)作準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。其中電網(wǎng)電壓采樣之后作為前饋環(huán)節(jié),可以有效地減少電網(wǎng)電壓對逆變器輸出的干擾。這里總共需用到4個ADC通道作為輸入。捕獲電路的作用是獲取電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)的時刻點(diǎn),從而計算出兩個相鄰電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)的間隔時間,計算出電網(wǎng)電壓的頻率,從而使逆變器輸出并網(wǎng)電流跟隨電網(wǎng)電壓的頻率;同時在過零點(diǎn)時刻令輸出的電流相位為零,達(dá)到鎖相的目標(biāo)。鎖頻鎖相在DSP控制器中的具體做法是在電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)處計算電網(wǎng)電壓頻率,由于采用同步調(diào)制的方式,相應(yīng)地在并網(wǎng)電流產(chǎn)生單元修改三角波的頻率即可修改并網(wǎng)電流參考值的頻率,假設(shè)檢測到此
刻電網(wǎng)電壓的頻率為
權(quán)利要求
1.一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法,其特征在于,一個控制周期包括如下步驟 (1)通過電壓采樣和電流采樣電路檢測太陽能電池板的輸出電壓、太陽能電池板的輸出電流、電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流; (2)利用DSP控制器,依據(jù)步驟(I)中太陽能電池板電壓、電流的的參數(shù)得到的太陽能電池板的輸出功率,與上一次太陽能電池板電壓和功率數(shù)據(jù)比較,采用最大功率跟蹤算法計算直流母線輸出參考電壓; (3)利用DSP控制器,依據(jù)步驟(I)的太陽能電池板的輸出電壓,與步驟(2)中的直流母線輸出參考電壓作差得到誤差電壓值,經(jīng)過一個PI環(huán)節(jié)計算出并網(wǎng)電流參考值; (4)由步驟(3)得到參考并網(wǎng)電流值和步驟(I)的并網(wǎng)電流作差比較,在DSP控制器中經(jīng)過一個PI比例積分運(yùn)算得到誤差值;得到的誤差值與步驟(I)電網(wǎng)電壓前饋值相加得到下一個控制周期的調(diào)制波信號值; (5)步驟(4)得到的調(diào)制波信號經(jīng)DSP控制器進(jìn)行三角波調(diào)制,并計算得到下一控制周期開關(guān)管的占空比,由該占空比產(chǎn)生一組互補(bǔ)的PWM信號; (6)步驟(5)得到的一組互補(bǔ)的PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大后送至逆變橋?qū)﹂_關(guān)管進(jìn)行控制,并等待下一控制周期的到來,控制周期由電網(wǎng)頻率決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的控制方法,其特征在于所述最大功率跟蹤算法采用變步長擾動觀測法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法,其特征在于,所述變步長擾動觀測法包括以下步驟 A、計算本周期太陽能電池板的輸出電壓UpvGO和上個周期太陽能電池板的輸出電壓Upv (k_l)之差 dv,Clu=Upv (k)-Upv (k_I); B、計算本周期太陽能電池板的輸出功率Ppv上個周期太陽能電池板的輸出功率PPV(k_l)之差dP,dP=PPV(k)-PPV(k-l),其中IPV(k)為本周期太陽能電池的電流,保存Ppv (k)為下一周期的計算做準(zhǔn)備; C、根據(jù)步驟A、B得到屯、dP,計算變步長系數(shù)I^dpMu,計算下一周期參考電壓Ifpv(k) =Ifpv(k-1)+k*step,其中UPV(k_l)是上個周期太陽能電池板的輸出電壓,step是一個步長常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法,其特征在于,所述步驟(3 )計算并網(wǎng)電流參考值包括以下步驟 a、根據(jù)實(shí)際電壓值和直流母線輸出參考電壓值計算得到誤差電壓值G1 (k) =Upv (k) -U*PV (k); b、誤差電壓經(jīng)過第一個PI比例積分環(huán)節(jié)的計算,得到并網(wǎng)電流參考幅值IMf(k)=IMf(k-I)+Kpi Iie1 (k)-e! (k_l) ]+K^e1 (k),其中 Iref (k_l)是上一周期并網(wǎng)電流參考幅值,e: (k_l)是上一周期參考電壓值和實(shí)際電壓值得到的誤差電壓值,Kpi和K11是工程整定的PI參數(shù)值。
5.據(jù)權(quán)利要求4所述的一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法,其特征在于,所述步驟(4)計算調(diào)制波信號值包括以下步驟 ①根據(jù)iMf(k)和步驟(I)電網(wǎng)電壓的相位信息,得到rMf(k),與步驟(I)采樣得到并網(wǎng)電流值i作差得到誤差電流e2 (k) =I*ref (k) -i ;②誤差電流經(jīng)過第二個PI環(huán)節(jié)計算得到誤差值e3(k) =e3 (k_l) +Kp2 [e2 (k) _e2 (k_l) ] +K12e2(k),其中e3(k_l)為上一周期經(jīng)過第二個PI環(huán)節(jié)的誤差值,e2(k-l)為上一周期的誤差電流值,Kp2和K12也是工程整定值; ③得到的e3(k)與電網(wǎng)電壓前饋值相加得到本控制周期的調(diào)制波信號值e4 (k) =e3 (k) +KN*uN,其中Kn是一個常數(shù)與逆變器增益有關(guān),Un是電網(wǎng)電壓瞬時值。
6.據(jù)權(quán)利要求I所述的一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法,其特征在于,所述步驟(5)產(chǎn)生一組互補(bǔ)PWM信號包括以下步驟 I、采用雙極性調(diào)節(jié)和規(guī)則采樣法,得到開關(guān)的導(dǎo)通時間5= +e4(k)),其中T。為功率器件的開關(guān)周期,e4(k)為本控制周期的調(diào)制波信號值; II、在DSP控制器內(nèi)部,產(chǎn)生一組互補(bǔ)的PWM信號,這組的兩個信號之間有死區(qū)時間; III、DSP控制器的一組PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大,再送去驅(qū)動開關(guān)管。
7.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法的控制裝置,包括采樣電路、捕獲電路、DSP控制器、驅(qū)動電路,其特征在于采樣電路與DSP控制器連接,捕獲電路與DSP控制器連接,DSP控制器輸出與驅(qū)動電路連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制裝置,其特征在于所述采樣電路由直流母線電壓采樣電路、直流電流采樣電路、電網(wǎng)電壓采樣電路、并網(wǎng)電流采樣電路四部分組成;直流母線電壓采樣電路的輸入是太陽能電池板輸出電壓,直流電流采樣電路的輸入是太陽能電池板輸出電流,電網(wǎng)電壓采樣電路的輸入是電網(wǎng)電壓,并網(wǎng)電流采樣電路的輸入是逆變器輸出電流;采樣電路輸出都接入DSP控制器進(jìn)行運(yùn)算;DSP控制器輸出一組互補(bǔ)的PWM信號,接到驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大,驅(qū)動電路輸出的信號接到逆變橋?qū)﹂_關(guān)管進(jìn)行控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的控制方法,其特征在于所述DSP控制器采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的三環(huán)控制方法及其裝置,三環(huán)控制包括最大功率跟蹤外環(huán)、直流電壓中環(huán)和并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)。通過增加直流側(cè)電壓環(huán)控制,保證系統(tǒng)在外界光照突然減小時能快速響應(yīng),在運(yùn)行過程中直流母線電壓穩(wěn)定,并網(wǎng)電流不畸變;所述最大功率跟蹤方法采用變步長擾動觀察法,使系統(tǒng)運(yùn)行在不同的電壓點(diǎn)從而快速搜索到最大功率點(diǎn)??刂蒲b置包括采樣電路、捕獲電路、DSP控制器、驅(qū)動電路等,DSP控制器產(chǎn)生的信號經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變橋驅(qū)動開關(guān)管。本發(fā)明的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)在光照頻繁變化時快速跟蹤到最大功率點(diǎn)且穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號H02M7/5395GK102780232SQ20121025665
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者楊蘋, 陳紅生 申請人:華南理工大學(xué)
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