直流侧无电压传感器控制策略的两级单相光伏并网系统及控制方法

摘要

本发明涉及一种直流侧无电压传感器控制策略的两级单相光伏并网系统及控制方法，它结构简化，有效降低了设备成本和体积，提高了系统的可靠性。它包括若干光伏电池组成的光伏电池阵列、直流升压电路、最大功率追踪控制器、三相逆变桥、逆变控制器及外围电路，所述光伏电池阵列的输出端仅设有测量光伏电池阵列电流的电感电流传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流侧无电压传感器的两级单相光伏并网系统及控制方法。 

背景技术

目前广泛应用的新能源分布式发电中，太阳能由于其能量来源不枯竭而是最受欢迎新能源之一，具有很好发展前景。由于受环境影响，光伏发电输出具有随机性和间歇性，需要对光伏电池实施最大功率追踪控制，同时系统供电可靠性受到很大影响，因而光伏发电有效运行方式是并入公共电网发电或带蓄电池来调节电能。 

光伏并网系统一般采用单级或两级式拓扑结构的逆变器。逆变器对直流链电压范围有一定要求，电压过低会导致逆变失败，过高则会增加开关器件的电压应力。因此单级拓扑逆变器对光伏电池(PV)电压有较高要求，且PV受低频谐波影响较大，会降低最大功率追踪(MPPT)性能；两级拓扑逆变器在单级逆变器前增加一级直流升压(Boost)电路来扩宽PV电压范围以及实施MPPT，同时降低低频谐波对PV影响，提升MPPT性能。 

光伏并网逆变器传统上采用传感器直接测量直流链电压，并同直流链电压预设值进行比较后经比利积分(PI)控制环节放大后控制其跟随预设值变化。同时常用MPPT算法需要直流传感器分别对光伏电池输出电压、电流进行测量，然后在Boost电路实施MPPT。传感器使用较多，增加了光伏并网系统建设成本和体积，降低了系统可靠性。 

传统两级单相光伏并网系统电路及控制原理如图1所示，系统由光伏电池阵列、boost升压电路、控制器、逆变电路组成。各部分功能作用简单介绍如下： 

光伏电池阵列由若干光伏电池通过串、并联方式组合而成，是系统电能的输入来源； 

Boost升压电路主要把前级光伏电池阵列输入的不稳定电压提升到后级逆变电路需要的范围，同时承担光伏电池阵列MPPT功能； 

控制器分为前级MPPT控制和后级逆变控制两部分。MPPT控制在PV实时输入电压和电流条件下，通过软件算法得到PV输出最大功率点(MPP)的输出电流参考，然后与流经电感电流负反馈后经PI控制放大后控制boost电路开关，从而使电感电流实时精确地跟踪输出MPP点的电流，从而得到PV最大功率。后级逆变控制器需要输入并网处电压以及并网电流，通过锁相环和幅值计算模块计算得到并网电压的相角和幅值，然后结合MPPT控制计算的PV最大功率，得到并网电流幅值参考信号，然后与维持直流链电压稳定的补偿电流幅值结合得到实际输出电流参考幅值，从而使逆变电路在控制器的控制下完成把直流链输送来的直流电逆变成同电网同步的交流电。 

由电路原理可见，交流侧分别需要1个交流电压和交流电流传感器。 

其直流侧传感器如下： 

直流电压传感器2个，分别是PV输出电压传感器和直流链电压传感器； 

直流电流传感器2个，分别是PV输出电流传感器和流经电感电流传感器。 

由上可见，除了并网必须的交流电压、电流传感器外，传统两级单相光伏并网系统中直流传感器使用较多，增加了光伏并网系统建设成本和体积，降低了系统可靠性。 

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种直流侧无电压传感器的两级单相光伏并网系统及控制方法，它结构简化，有效降低了设备成本和体积，提高了系统的可靠性。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种直流侧无电压传感器控制策略的两级单相光伏并网系统，它包括若干光伏电池组成的光伏电池阵列、直流升压电路、最大功率追踪控制器、三相逆变桥、逆变控制器及外围电路，所述光伏电池阵列的输出端仅设有测量光伏电池阵列电流的电感电流传感器。 

所述最大功率追踪控制器检测光伏电池阵列电流值及后级的逆变控制器输出的调制宽度值M；最大功率追踪控制器有三路输出，第一路输出PWM信号去控制Boost电路开关S，第二路输出光伏电池阵列的最大追踪功率P_max以及第三路输出计算得到的Boost电路占空比d。 

所述逆变控制器输入端与一个交流电压传感器和一个交流电流传感器连接，它们分别测量并网处电压u_g和并网电流i_g；输入端还与最大功率追踪控制器输出端及Boost电路输出端连接，分别接收最大追踪功率P_max、占空比d；输出端有五路，其中四路PWM信号去分别控制三相逆变桥开关S₁、S₂、S₃、S₄，以及第五路输出经逆变控制器得到的调制宽度值M。 

一种采用所述的直流侧无电压传感器控制策略的两级单相光伏并网系统的控制方法，它分为两步，即前级最大功率追踪控制器控制以及后级的逆变控制器的逆变控制； 

其中，所述最大功率追踪控制器在前级控制中，采用扰动控制算法，控制光 伏电池阵列电流值在最大功率工作点附近小幅值振荡，通过选择很小的步长数值Δi来控制减少振荡幅值，使光伏电池阵列工作在最大功率工作点； 

所述逆变控制器在后级控制中，以单相并网电流幅值i_g为参考信号： 

第一步，分别测量并网处电压u_g和并网电流i_g； 

第二步，由输入的P_max、d的值，依据能量平衡得到并网电流参考幅值： 

${\hat{i}}_{\mathrm{gref}}=\frac{2(1-d)i_{\mathrm{pv}}}{M};$

第三步，基于逆变控制器内为直流链电压稳定所需的PI环节，如图3所示，产生电流补偿值，对第二步计算得到的并网电流参考幅值进行修正，其中直流链电压实时值由下式估算出： 

$U_{\mathrm{dclink}}={\hat{U}}_g/M;$

第四步，单相锁相环计算电网电压u_g的频率和相角信息； 

第五步，修正后的并网电流参考幅值与u_g频率和相角信息一起，提供并网电流参考值i_gref； 

第六步，将交流电流传感器测量得到的并网电流i_g与i_gref比较，其差信号经逆变控制器内PI控制环节放大得到PWM调制信号，与控制器内单片机生成的20kHz三角载波比较得到三相逆变桥的S₁-S₄开关信号，实现i_g紧密地跟踪i_gref。 

所述扰动控制算法为，设定电流扰动步长数值为Δi，当 以及Δi_pv(n)＝i_pv(n)-i_pv(n-1)＞0或 以及Δi_pv(n)＜0，控制下一时刻电流值i_pv(n+1)＝i_pv(n)+Δi；而当 以及Δi_pv(n)＜0或 以及Δi_pv(n)＞0，则控制下一时刻电流值i_pv(n+1)＝i_pv(n)-Δi；以此为依据不停扰动，直到最后控制光伏电池阵列电流值在最大功率工作点附近小幅值振荡。 

本发明的有益效果是：所提控制算法在不降低逆变器整体性能，以及实现光伏电池阵列最大功率并网发电的基础上，取消了传统控制中所需的光伏电池电压传感器和直流链电压传感器等电路元件。①消除了电磁通过这些传感器对系统的干扰，提高了系统可靠性，节约了系统运行维护成本；②同时由于直流传感器一般体积大和较为贵重，则本发明还减小了系统体积和降低了建设成本。 

附图说明

图1为两级单相光伏并网系统电路与传统控制方法； 

图2为两级单相光伏并网系统无直流侧电压传感器电路及控制原理； 

图3为逆变电路控制器原理图； 

图4为MPPT控制器算法流程图。 

其中，1.电压传感器，2.电流传感器，3.最大功率追踪控制器，4.直流升压电路，5.逆变控制器，6.光伏电池，7.交流电压传感器，8.交流电流传感器。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。 

图2中，它包括若干光伏电池6组成的光伏电池阵列、直流升压电路4、最大功率追踪控制器3、三相逆变桥、逆变控制器5及外围电路，所述光伏电池阵列的输出端仅设有测量光伏电池阵列电流的电感电流传感器2。 

所述最大功率追踪控制器3检测光伏电池阵列电流值及后级的逆变控制器5输出的调制宽度值M；最大功率追踪控制器3有三路输出，第一路输出PWM信号去控制Boost电路开关S，第二路输出光伏电池阵列的最大追踪功率P_max以及第三路输出计算得到的Boost电路占空比d。 

所述逆变控制器5输入端与一个交流电压传感器7和一个交流电流传感器8 连接，它们分别测量并网处电压u_g和并网电流i_g；输入端还与最大功率追踪控制器3输出端及Boost电路输出端连接，分别接收最大追踪功率P_max、占空比d；输出端有五路，其中四路PWM信号去分别控制三相逆变桥开关S₁、S₂、S₃、S₄，以及第五路输出经逆变控制器5得到的调制宽度值M。 

图2中各符号的含义为：u_g为逆变器并网处电网相电压；i_g为光伏系统逆变器并网电流；L_ac为系统电网侧滤波电抗器；L为直流侧滤波电感；S₁、S₂、S₃、S₄为单相逆变桥开关，采用并联反向二极管的可关断器件绝缘栅极晶体管(IGBT)；U、V为并网逆变器输出端；D为Boost电路二极管；S为Boost电路开关管；C₁为直流稳压电容器；C₂为直流链稳压电容器；PV为光伏电池板阵列；i_L为电感电流传感器测量得到的光伏电池阵列电流；P_max为MPPT算法提供的最大功率；M为调制宽度。 

图3、图4中，采用所述的直流侧无电压传感器控制策略的两级单相光伏并网系统的控制方法，它分为两步，即前级最大功率追踪控制器控制以及后级的逆变控制器的逆变控制； 

其中，所述最大功率追踪控制器在前级控制中，采用扰动控制算法，控制光伏电池阵列电流值在最大功率工作点附近小幅值振荡，通过选择很小的步长数值Δi来控制减少振荡幅值，使光伏电池阵列工作在最大功率工作点；所述扰动控制算法为，设定电流扰动步长数值为Δi，当 以及Δi_pv(n)＝i_pv(n)-i_pv(n-1)＞0或 以及Δi_pv(n)＜0，控制下一时刻电流值i_pv(n+1)＝i_pv(n)+Δi；而当 以及Δi_pv(n)＜0或 以及Δi_pv(n)＞0，则控制下一时刻电流值i_pv(n+1)＝i_pv(n)-Δi；以此为依据不停扰动，直到最后控制光伏电池阵列电流值在最大功率工作点附近小幅值振荡。 

所述逆变控制器在后级控制中，以单相并网电流幅值i_g为参考信号： 

第一步，分别测量并网处电压u_g和并网电流i_g； 

第二步，由输入的P_max、d的值，依据能量平衡得到并网电流参考幅值： 

${\hat{i}}_{\mathrm{gref}}=\frac{2(1-d)i_{\mathrm{pv}}}{M};$

第三步，基于逆变控制器内为直流链电压稳定所需的PI环节，如图3所示，产生电流补偿值，对第二步计算得到的并网电流参考幅值进行修正，其中直流链电压实时值由下式估算出： 

M为调制宽度，也称为幅值调制比。 

第四步，逆变控制器内由相位比较器、滤波器以及振荡器组成的单相锁相环环节计算电网电压u_g的频率和相角信息； 

第五步，修正后的并网电流参考幅值与u_g频率和相角信息一起，提供并网电流参考值i_gref； 

第六步，将交流电流传感器测量得到的并网电流i_g与i_gref比较，其差信号经PI控制环节放大得到PWM调制信号，与逆变控制器内单片机产生的20kHz三角载波比较得到三相逆变桥的S₁-S₄开关信号，实现i_g紧密地跟踪i_gref。