一种并网光伏发电系统的混成控制装置及其控制方法

摘要

一种并网光伏发电系统的混成控制装置，它包括至少两组电压采样电路、至少三组电流采样电路、双通道A/D转换模块、驱动电路和保护电路、控制单元、显示单元、三通道A/D转换模块、加减运算电路及谐波和无功电流检测模块；其控制方法为：分析工作模式、设定转换条件、控制策略、切换检测；其优越性在于：变换器的控制精度，降低故障率，结构简单、方法易行，可以提高整个并网光伏发电系统的利用率。

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及光伏发电和混成控制理论领域，尤其是一种一种并网 光伏发电系统的混成控制装置及其控制方法。

(二)背景技术：

以光生伏打效应来利用太阳能进行发电，在近几十年得到了广泛 应用，被视为一种有效地利用太阳能的形式。目前，我国在建和建成 的光伏电站处于上升趋势。但是，光伏电池只有在有光照的条件下才 能产生电能，在没有光照的条件下，整个并网光伏系统基本处于闲置 状态，然而，随着光伏电站容量的不断增大，如何更加有效地利用并 网光伏发电系统越来越受到人们的重视。从并网光伏系统结构图(附 图1)可以看出，如果将逆变器左侧等效成直流电压源或将C₁左侧部 分去除，其系统结构与STATCOM或APF一样，系统结构决定其应用范围。 因此，本发明文以此为出发点，在光伏逆变器控制上采取谐波、无功、 有功电流的控制策略。在有光照的条件下，并网光伏发电系统可以向 电网提供有功；在没有光照的条件下，系统可以为电网提供无功和抑 制谐波电流，提高电能质量。这样，可以提高整个并网光伏发电系统 的利用率，增加经济效益。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种并网光伏发电系统的混成控制装置 及其控制方法，它可以克服现有技术的不足，是一种利用混成控制理 论中的有限状态机理论对并网光伏发电系统的工作状态进行划分，在 有光照条件和无光照条件下分别采取不同的子控制系统进行控制，提 高整个并网光伏发电系统的利用率，其结构简单、方法易行。

本发明的技术方案：一种并网光伏发电系统的混成控制装置，包 括含有光伏阵列、功率开关器件、变压器和电网的光伏发电系统，其 特征在于它包括至少两组电压采样电路、至少三组电流采样电路、双 通道A/D转换模块、驱动电路和保护电路、控制单元、显示单元、三 通道A/D转换模块、加减运算电路及谐波和无功电流检测模块；所述 一组电压采样电路和一组电流采样电路的输入端采集光伏系统的输 出电压和电流，其输出端连接双通道A/D转换模块的输入端；所述控 制单元的输入端连接双通道A/D转换模块的输出端和三通道A/D转换 模块的输出端，其输出端连接驱动电路和保护电路的输入端和显示模 块的输入端；所述驱动电路和保护电路的输出端将信号传送到光伏系 统中的功率开关器件中；所述三通道A/D转换模块的输入端连接加减 运算电路的输出端；所述加减运算电路的输入端连接另一组采集变压 器进端电流信号的电流采样电路的输出端和谐波和无功电流检测模 块的输出端；所述谐波和无功电流检测模块的输入端连接采集变压器 出端电压电流信号的另一组电压采样电路和第三组电流采样电路的 输出端。

所述电压采样电路由电压互感器PT、电阻R15、电阻R11、电阻 R12、电阻R13、电阻R14、电容C11、电容C12、二极管D11、二极 管D12、电感L11和电感L12构成；其连接为常规连接。

所述电流采样电路由电压互感器CT、电阻R25、电阻R21、电阻 R22、电阻R23、电阻R24、电容C21、电容C22、二极管D21、二极 管D22、电感L21和电感L22构成；其连接为常规连接。

所述控制单元由DSP芯片、单片机芯片和CY7C136芯片构成，所 述DSP芯片的输入端连接双通道A/D转换模块的输出端和三通道A/D 转换模块的输出端，其输出端连接驱动电路和保护电路的输入端，同 时与单片机芯片呈双向连接；所述单片机芯片的输出端连接显示模块 的输入端。

所述DSP芯片采用TMS320F206DSP芯片，所述单片机芯片采用 P89V51RD2芯片。

所述驱动电路和保护电路由光电隔离电路和功率放大电路组成， 其连接为常规连接。

一种并网光伏发电系统的混成控制装置的控制方法，其特征在于 包括以下步骤：

(1)分析并网光伏发电系统的工作模式，得出工作模式的个数； 在有光照的情况下，光伏阵列有电能的输出，向电网提供电能，将此 工作模式称为子模式1；在没有光照的条件下，光伏阵列没有电能的 输出，但是对于此时的并网光伏系统采取控制，使其向电网提供无功 和抑制谐波电流，此工作模式称之为子模式2；

(2)根据光伏阵列有无电能的输出，光伏阵列电能的输出与光 照强度是否有关，设定两种工作模式之间的转换条件，即：当光照强 度S≥0.1Kw/m²时且光伏阵列有电能输出，系统工作在子模式1，当 光照强度S＜0.1Kw/m²时，光伏阵列没有电能的输出，系统工作模式 切换到工作模式2，反之亦然；

(3)在子模式1下采取并网光伏系统向系统提供有功电能的子 控制策略1，在子模式2下采取并网光伏系统向系统提供无功和抑制 谐波电流的子控制策略2；

(4)利用混成控制理论中的有限状态机来实现子控制策略的切 换。

所述步骤(3)中的子控制策略1采取的是电压电流双闭环控制 策略，子控制策略2采取的是基于瞬时无功功率理论来检测无功电流 和谐波电流的控制策略。

本发明的优越性在于：利用混成控制理论中的有限状态机理论对 并网光伏发电系统的工作状态进行划分，在有光照条件和无光照条件 下分别采取不同的子控制系统进行控制，结合高性能的DSP芯片，通 过驱动电路和保护电路来实现控制，提高变换器的控制精度，降低故 障率。同时通过选用单片机P89V51RD2来处理显示和与外部设备通讯 等以减轻DSP的负担，提高整个并网光伏发电系统的利用率。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种并网光伏发电系统的混成控制装置的整 体结构示意图；

图2为本发明所涉一种并网光伏发电系统的混成控制装置中电 压采样电路结构示意图；

图3为本发明所涉一种并网光伏发电系统的混成控制装置中电 流采样电路结构示意图；

图4为本发明所涉一种并网光伏发电系统的混成控制装置中单 片机与DSP连接示意图；

图5为本发明所涉一种并网光伏发电系统的混成控制装置中驱 动电路和保护电路结构示意图；

图6为本发明所涉一种并网光伏发电系统的混成控制装置控制 方法中电压电流双闭环控制策略结构图；

图7为本发明所涉一种并网光伏发电系统的混成控制装置控制 方法中无功和谐波电流检测控制策略结构图；

图8为本发明所涉一种并网光伏发电系统的混成控制装置控制 方法中基于混成控制理论的有限状态机示意图.

(五)具体实施方式：

实施例：一种并网光伏发电系统的混成控制装置(见图1)，包括 含有光伏阵列、功率开关器件、变压器和电网的光伏发电系统，其特 征在于它是由至少两组电压采样电路、至少三组电流采样电路、双通 道A/D转换模块、驱动电路和保护电路、控制单元、显示单元、三通 道A/D转换模块、加减运算电路及谐波和无功电流检测模块构成；所 述一组电压采样电路和一组电流采样电路的输入端采集光伏系统的 输出电压和电流，其输出端连接双通道A/D转换模块的输入端；所述 控制单元的输入端连接双通道A/D转换模块的输出端和三通道A/D转 换模块的输出端，其输出端连接驱动电路和保护电路的输入端和显示 模块的输入端；所述驱动电路和保护电路的输出端将信号传送到光伏 系统中的功率开关器件中；所述三通道A/D转换模块的输入端连接加 减运算电路的输出端；所述加减运算电路的输入端连接另一组采集变 压器进端电流信号的电流采样电路的输出端和谐波和无功电流检测 模块的输出端；所述谐波和无功电流检测模块的输入端连接采集变压 器出端电压电流信号的另一组电压采样电路和第三组电流采样电路 的输出端。

所述电压采样电路(见图2)由电压互感器PT、电阻R15、电阻R11、 电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C11、电容C12、二极管D11、 二极管D12、电感L11和电感L12构成；其连接为常规连接。

所述电流采样电路(见图3)由电压互感器CT、电阻R25、电阻R21、 电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C21、电容C22、二极管D21、 二极管D22、电感L21和电感L22构成；其连接为常规连接。

所述控制单元(见图4)由DSP芯片、单片机芯片和CY7C136芯片 构成，所述DSP芯片的输入端连接双通道A/D转换模块的输出端和三 通道A/D转换模块的输出端，其输出端连接驱动电路和保护电路的输 入端，同时与单片机芯片呈双向连接；所述单片机芯片的输出端连接 显示模块的输入端。

所述DSP芯片(见图4)采用TMS320F206DSP芯片，所述单片机 芯片采用P89V51RD2芯片。

所述驱动电路和保护电路(见图5)由光电隔离电路和功率放大电 路组成，其连接为常规连接。

一种并网光伏发电系统的混成控制装置的控制方法(见图6、图 7、图8)，其特征在于包括以下步骤：

(1)分析并网光伏发电系统的工作模式，得出工作模式的个数； 在有光照的情况下，光伏阵列有电能的输出，向电网提供电能，将此 工作模式称为子模式1；在没有光照的条件下，光伏阵列没有电能的 输出，但是对于此时的并网光伏系统采取控制，使其向电网提供无功 和抑制谐波电流，此工作模式称之为子模式2；

(2)根据光伏阵列有无电能的输出，光伏阵列电能的输出与光 照强度是否有关，设定两种工作模式之间的转换条件，即：当光照强 度S≥0.1Kw/m²时且光伏阵列有电能输出，系统工作在子模式1，当 光照强度S＜0.1Kw/m²时，光伏阵列没有电能的输出，系统工作模式 切换到工作模式2，反之亦然；

(3)在子模式1下采取并网光伏系统向系统提供有功电能的子 控制策略1，在子模式2下采取并网光伏系统向系统提供无功和抑制 谐波电流的子控制策略2；

(4)利用混成控制理论中的有限状态机来实现子控制策略的切 换(见图8)。

所述步骤(3)中的子控制策略1采取的是电压电流双闭环控制 策略(见图6)，子控制策略2采取的是基于瞬时无功功率理论来检 测无功电流和谐波电流的控制策略。