專利名稱：直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流側(cè)無(wú)電壓傳感器的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
目前廣泛應(yīng)用的新能源分布式發(fā)電中，太陽(yáng)能由于其能量來(lái)源不枯竭而是最受歡迎新能源之一，具有很好發(fā)展前景。由于受環(huán)境影響，光伏發(fā)電輸出具有隨機(jī)性和間歇性， 需要對(duì)光伏電池實(shí)施最大功率追蹤控制，同時(shí)系統(tǒng)供電可靠性受到很大影響，因而光伏發(fā)電有效運(yùn)行方式是并入公共電網(wǎng)發(fā)電或帶蓄電池來(lái)調(diào)節(jié)電能。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)一般采用單級(jí)或兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器。逆變器對(duì)直流鏈電壓范圍有一定要求，電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致逆變失敗，過(guò)高則會(huì)增加開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力。因此單級(jí)拓?fù)淠孀兤鲗?duì)光伏電池(PV)電壓有較高要求，且PV受低頻諧波影響較大，會(huì)降低最大功率追蹤(MPPT)性能；兩級(jí)拓?fù)淠孀兤髟趩渭?jí)逆變器前增加一級(jí)直流升壓(Boost)電路來(lái)擴(kuò)寬 PV電壓范圍以及實(shí)施MPPT，同時(shí)降低低頻諧波對(duì)PV影響，提升MPPT性能。光伏并網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)上采用傳感器直接測(cè)量直流鏈電壓，并同直流鏈電壓預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較后經(jīng)比利積分(PI)控制環(huán)節(jié)放大后控制其跟隨預(yù)設(shè)值變化。同時(shí)常用MPPT算法需要直流傳感器分別對(duì)光伏電池輸出電壓、電流進(jìn)行測(cè)量，然后在Boost電路實(shí)施MPPT。傳感器使用較多，增加了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性。傳統(tǒng)兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電路及控制原理如圖1所示，系統(tǒng)由光伏電池陣列、 boost升壓電路、控制器、逆變電路組成。各部分功能作用簡(jiǎn)單介紹如下光伏電池陣列由若干光伏電池通過(guò)串、并聯(lián)方式組合而成，是系統(tǒng)電能的輸入來(lái)源；Boost升壓電路主要把前級(jí)光伏電池陣列輸入的不穩(wěn)定電壓提升到后級(jí)逆變電路需要的范圍，同時(shí)承擔(dān)光伏電池陣列MPPT功能；控制器分為前級(jí)MPPT控制和后級(jí)逆變控制兩部分。MPPT控制在PV實(shí)時(shí)輸入電壓和電流條件下，通過(guò)軟件算法得到PV輸出最大功率點(diǎn)(MPP)的輸出電流參考，然后與流經(jīng)電感電流負(fù)反饋后經(jīng)PI控制放大后控制boost電路開(kāi)關(guān)，從而使電感電流實(shí)時(shí)精確地跟蹤輸出MPP點(diǎn)的電流，從而得到PV最大功率。后級(jí)逆變控制器需要輸入并網(wǎng)處電壓以及并網(wǎng)電流，通過(guò)鎖相環(huán)和幅值計(jì)算模塊計(jì)算得到并網(wǎng)電壓的相角和幅值，然后結(jié)合MPPT控制計(jì)算的PV最大功率，得到并網(wǎng)電流幅值參考信號(hào)，然后與維持直流鏈電壓穩(wěn)定的補(bǔ)償電流幅值結(jié)合得到實(shí)際輸出電流參考幅值，從而使逆變電路在控制器的控制下完成把直流鏈輸送來(lái)的直流電逆變成同電網(wǎng)同步的交流電。由電路原理可見(jiàn)，交流側(cè)分別需要1個(gè)交流電壓和交流電流傳感器。其直流側(cè)傳感器如下直流電壓傳感器2個(gè)，分別是PV輸出電壓傳感器和直流鏈電壓傳感器；直流電流傳感器2個(gè)，分別是PV輸出電流傳感器和流經(jīng)電感電流傳感器。
由上可見(jiàn)，除了并網(wǎng)必須的交流電壓、電流傳感器外，傳統(tǒng)兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中直流傳感器使用較多，增加了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決上述問(wèn)題，提供一種直流側(cè)無(wú)電壓傳感器的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及控制方法，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，有效降低了設(shè)備成本和體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，它包括若干光伏電池組成的光伏電池陣列、直流升壓電路、最大功率追蹤控制器、三相逆變橋、逆變控制器及外圍電路，所述光伏電池陣列的輸出端僅設(shè)有測(cè)量光伏電池陣列電流的電感電流傳感器。所述最大功率追蹤控制器檢測(cè)光伏電池陣列電流值及后級(jí)的逆變控制器輸出的調(diào)制寬度值M ；最大功率追蹤控制器有三路輸出，第一路輸出PWM信號(hào)去控制Boost電路開(kāi)關(guān)S，第二路輸出光伏電池陣列的最大追蹤功率Pmax以及第三路輸出計(jì)算得到的Boost電路占空比d。所述逆變控制器輸入端與一個(gè)交流電壓傳感器和一個(gè)交流電流傳感器連接，它們分別測(cè)量并網(wǎng)處電壓Ug和并網(wǎng)電流ig ；輸入端還與最大功率追蹤控制器輸出端及Boost電路輸出端連接，分別接收最大追蹤功率Pmax、占空比d ；輸出端有五路，其中四路PWM信號(hào)去分別控制三相逆變橋開(kāi)關(guān)Si、S2、S3、S4，以及第五路輸出經(jīng)逆變控制器得到的調(diào)制寬度值M。一種采用所述的直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法，它分為兩步，即前級(jí)最大功率追蹤控制器控制以及后級(jí)的逆變控制器的逆變控制；其中，所述最大功率追蹤控制器在前級(jí)控制中，采用擾動(dòng)控制算法，控制光伏電池陣列電流值在最大功率工作點(diǎn)附近小幅值振蕩，通過(guò)選擇很小的步長(zhǎng)數(shù)值Δ i來(lái)控制減少振蕩幅值，使光伏電池陣列工作在最大功率工作點(diǎn)；所述逆變控制器在后級(jí)控制中，以單相并網(wǎng)電流幅值ig為參考信號(hào)第一步，分別測(cè)量并網(wǎng)處電壓Ug和并網(wǎng)電流ig ；第二步，由輸入的Pmax、d的值，依據(jù)能量平衡得到并網(wǎng)電流參考幅值
Γ , 2(W)V第三步，基于逆變控制器內(nèi)為直流鏈電壓穩(wěn)定所需的PI環(huán)節(jié)，如圖3所示，產(chǎn)生電流補(bǔ)償值，對(duì)第二步計(jì)算得到的并網(wǎng)電流參考幅值進(jìn)行修正，其中直流鏈電壓實(shí)時(shí)值由下式估算出Udclink = UgZM ；第四步，單相鎖相環(huán)計(jì)算電網(wǎng)電壓Ug的頻率和相角信息；第五步，修正后的并網(wǎng)電流參考幅值與Ug頻率和相角信息一起，提供并網(wǎng)電流參
考值igrrf ；第六步，將交流電流傳感器測(cè)量得到的并網(wǎng)電流ig與igref比較，其差信號(hào)經(jīng)逆變控制器內(nèi)PI控制環(huán)節(jié)放大得到PWM調(diào)制信號(hào)，與控制器內(nèi)單片機(jī)生成的20kHz三角載波比較得到三相逆變橋的S1-S4開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)ig緊密地跟蹤igref。
所述擾動(dòng)控制算法為，設(shè)定電流擾動(dòng)步長(zhǎng)數(shù)值為Ai，當(dāng)A gw=ig(n> - “>0以及 Δ ipv(n) = ipvW-ipvfc-D > 0 或 Δ ζ(η) <0以及 Δ ipv(n) < 0，控制下一時(shí)刻電流值 ipv(n+1)= ρν(η)+Δ Δζ(η)>0以及 Aipvfc) <0 或 Δζ(η)<0以及 Aipvfc) >0，則控制下一時(shí)刻電流值ipv(n+1) = ipv(n)_Ai ；以此為依據(jù)不停擾動(dòng)，直到最后控制光伏電池陣列電流值在最大功率工作點(diǎn)附近小幅值振蕩。本發(fā)明的有益效果是所提控制算法在不降低逆變器整體性能，以及實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列最大功率并網(wǎng)發(fā)電的基礎(chǔ)上，取消了傳統(tǒng)控制中所需的光伏電池電壓傳感器和直流鏈電壓傳感器等電路元件。①消除了電磁通過(guò)這些傳感器對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高了系統(tǒng)可靠性，節(jié)約了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本；②同時(shí)由于直流傳感器一般體積大和較為貴重，則本發(fā)明還減小了系統(tǒng)體積和降低了建設(shè)成本。


圖1為兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電路與傳統(tǒng)控制方法；圖2為兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)直流側(cè)電壓傳感器電路及控制原理；圖3為逆變電路控制器原理圖；圖4為MPPT控制器算法流程圖。其中，1.電壓傳感器，2.電流傳感器，3.最大功率追蹤控制器，4.直流升壓電路， 5.逆變控制器，6.光伏電池，7.交流電壓傳感器，8.交流電流傳感器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。圖2中，它包括若干光伏電池6組成的光伏電池陣列、直流升壓電路4、最大功率追蹤控制器3、三相逆變橋、逆變控制器5及外圍電路，所述光伏電池陣列的輸出端僅設(shè)有測(cè)量光伏電池陣列電流的電感電流傳感器2。所述最大功率追蹤控制器3檢測(cè)光伏電池陣列電流值及后級(jí)的逆變控制器5輸出的調(diào)制寬度值M ；最大功率追蹤控制器3有三路輸出，第一路輸出PWM信號(hào)去控制Boost電路開(kāi)關(guān)S，第二路輸出光伏電池陣列的最大追蹤功率Pmax以及第三路輸出計(jì)算得到的Boost 電路占空比d。所述逆變控制器5輸入端與一個(gè)交流電壓傳感器7和一個(gè)交流電流傳感器8連接，它們分別測(cè)量并網(wǎng)處電壓Ug和并網(wǎng)電流ig ；輸入端還與最大功率追蹤控制器3輸出端及Boost電路輸出端連接，分別接收最大追蹤功率Pmax、占空比d;輸出端有五路，其中四路 PWM信號(hào)去分別控制三相逆變橋開(kāi)關(guān)Sp S2, S3、S4,以及第五路輸出經(jīng)逆變控制器5得到的調(diào)制寬度值M。圖2中各符號(hào)的含義為ug為逆變器并網(wǎng)處電網(wǎng)相電壓；ig為光伏系統(tǒng)逆變器并網(wǎng)電流；La。為系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)濾波電抗器；L為直流側(cè)濾波電感；S” S2, S3、S4為單相逆變橋開(kāi)關(guān)，采用并聯(lián)反向二極管的可關(guān)斷器件絕緣柵極晶體管(IGBT) ；U、V為并網(wǎng)逆變器輸出端； D為Boost電路二極管；S為Boost電路開(kāi)關(guān)管K1為直流穩(wěn)壓電容器；C2為直流鏈穩(wěn)壓電容器；PV為光伏電池板陣列小為電感電流傳感器測(cè)量得到的光伏電池陣列電流；Pmax為MPPT 算法提供的最大功率；M為調(diào)制寬度。
圖3、圖4中，采用所述的直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法，它分為兩步，即前級(jí)最大功率追蹤控制器控制以及后級(jí)的逆變控制器的逆變控制；其中，所述最大功率追蹤控制器在前級(jí)控制中，采用擾動(dòng)控制算法，控制光伏電池陣列電流值在最大功率工作點(diǎn)附近小幅值振蕩，通過(guò)選擇很小的步長(zhǎng)數(shù)值A(chǔ)i來(lái)控制減少振蕩幅值，使光伏電池陣列工作在最大功率工作點(diǎn)；所述擾動(dòng)控制算法為，設(shè)定電流擾動(dòng)步長(zhǎng)數(shù)值為 Ai，當(dāng) Δ ζ(η) = - 8(η, >0以及 Aipv(n) = ‘ω-^Μ) > 0 或 Δ ζ(η) <0以及 Δ ipv(n) < 0，控制下一時(shí)刻電流值 ipv(n+1) = ρν(η)+Δ ；而當(dāng) Δζ(η) >0以及 Δ ipv(n) < 0 或Δζ(η)<0以及Aipvfc) >0，則控制下一時(shí)刻電流值ipv(n+1) = ipv(n)_Ai ；以此為依據(jù)不停擾動(dòng)，直到最后控制光伏電池陣列電流值在最大功率工作點(diǎn)附近小幅值振蕩。所述逆變控制器在后級(jí)控制中，以單相并網(wǎng)電流幅值ig為參考信號(hào)第一步，分別測(cè)量并網(wǎng)處電壓Ug和并網(wǎng)電流ig ；第二步，由輸入的Pmax、d的值，依據(jù)能量平衡得到并網(wǎng)電流參考幅值
權(quán)利要求
1.一種直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及控制方法，它包括若干光伏電池(6)組成的光伏電池陣列、直流升壓電路G)、最大功率追蹤控制器(3)、三相逆變橋、逆變控制器( 及外圍電路，其特征是，所述光伏電池陣列的輸出端僅設(shè)有測(cè)量光伏電池陣列電流的電感電流傳感器O)。
2.如權(quán)利要求1所述的直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述最大功率追蹤控制器C3)檢測(cè)光伏電池陣列電流值及后級(jí)的逆變控制器(5) 輸出的調(diào)制寬度值M ；最大功率追蹤控制器(3)有三路輸出，第一路輸出PWM信號(hào)去控制 Boost電路開(kāi)關(guān)S，第二路輸出光伏電池陣列的最大追蹤功率Pmax以及第三路輸出計(jì)算得到的Boost電路占空比d0
3.如權(quán)利要求1所述的直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述逆變控制器( 輸入端與一個(gè)交流電壓傳感器(7)和一個(gè)交流電流傳感器(8) 連接，它們分別測(cè)量并網(wǎng)處電壓Ug和并網(wǎng)電流ig;輸入端還與最大功率追蹤控制器(3)輸出端及Boost電路輸出端連接，分別接收最大追蹤功率Pmax、占空比d ；輸出端有五路，其中四路PWM信號(hào)去分別控制三相逆變橋開(kāi)關(guān)Sp S2, S3、S4,以及第五路輸出經(jīng)逆變控制器(5) 得到的調(diào)制寬度值M。
4.一種采用權(quán)利要求1所述的直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法，其特征是，它分為兩步，即前級(jí)最大功率追蹤控制器C3)控制以及后級(jí)的逆變控制器(5)的逆變控制；其中，所述最大功率追蹤控制器C3)在前級(jí)控制中，采用擾動(dòng)控制算法，控制光伏電池陣列電流值在最大功率工作點(diǎn)附近小幅值振蕩，通過(guò)選擇很小的步長(zhǎng)數(shù)值A(chǔ)i來(lái)控制減少振蕩幅值，使光伏電池陣列工作在最大功率工作點(diǎn)；所述逆變控制器( 在后級(jí)控制中，以單相并網(wǎng)電流幅值ig為參考信號(hào)第一步，分別測(cè)量并網(wǎng)處電壓Ug和并網(wǎng)電流ig ；第二步，由輸入的Pmax、d的值，依據(jù)能量平衡得到并網(wǎng)電流參考幅值1 ,=-—gr^ M .第三步，基于逆變控制器內(nèi)為直流鏈電壓穩(wěn)定所需的PI環(huán)節(jié)，產(chǎn)生電流補(bǔ)償值，對(duì)第二步計(jì)算得到的并網(wǎng)電流參考幅值進(jìn)行修正，其中直流鏈電壓實(shí)時(shí)值由下式估算出Udclink = UJM ；第四步，逆變控制器內(nèi)由相位比較器、濾波器以及振蕩器組成的單相鎖相環(huán)計(jì)算電網(wǎng)電壓Ug的頻率和相角信息；第五步，修正后的并網(wǎng)電流參考幅值與Ug頻率和相角信息一起，提供并網(wǎng)電流參考值Igref >第六步，將交流電流傳感器測(cè)量得到的并網(wǎng)電流、與igMf比較，其差信號(hào)經(jīng)PI控制環(huán)節(jié)放大得到PWM調(diào)制信號(hào)，與逆變控制器內(nèi)單片機(jī)產(chǎn)生的20kHz三角載波比較得到三相逆變橋的S1-S4開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)ig緊密地跟蹤igref。
5.如權(quán)利要求4所述的直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法，其特征是，所述擾動(dòng)控制算法為，設(shè)定電流擾動(dòng)步長(zhǎng)數(shù)值為Ai，當(dāng)Δ 咖=Im - >0以及 Δ ipv(n) = ρ,ω- ρ,^) > 0 或Δ ζ(η) <0以及 Δ ipv(n) < 0，控制下一時(shí)刻電流值 ipv(n+1) = ρν(η)+Δ ；而當(dāng)Δ ζ(η) >0以及 Δ ipv(n) < 0 或Δ ζ(η) <0以及 Δ ipv(n) > 0，則控制下一時(shí)刻電流值ipv(n+1) = ipv(n)-Ai ；以此為依據(jù)不停擾動(dòng)，直到最后控制光伏電池陣列電流值在最大功率工作點(diǎn)附近小幅值振蕩。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直流側(cè)無(wú)電壓傳感器控制策略的兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及控制方法，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，有效降低了設(shè)備成本和體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。它包括若干光伏電池組成的光伏電池陣列、直流升壓電路、最大功率追蹤控制器、三相逆變橋、逆變控制器及外圍電路，所述光伏電池陣列的輸出端僅設(shè)有測(cè)量光伏電池陣列電流的電感電流傳感器。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK102231534SQ20111018834
公開(kāi)日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者安艷秋, 王慧, 袁建華, 鄒貴彬, 高厚磊, 高峰 申請(qǐng)人:山東大學(xué)