專利名稱：抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出直流分量的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出直流分量的控制方法，屬于逆變 并網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當今社會，能源已成為制約世界經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。解決能源問題 的根本辦法是開發(fā)利用環(huán)保型的新型可再生能源，其中太陽能發(fā)電就是很好的 發(fā)展方向。
目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽能電池發(fā)出的電能給蓄 電池充電，而蓄電池直接給負載供電，如我國西北地區(qū)使用較多的太陽能戶用 照明系統(tǒng)以及遠離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，
成本低廉，但由于負載直流電壓的不同(如12V、 24V、 48V等)，很難實現(xiàn)系 統(tǒng)的標準化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負載，以直流電力供 電的光伏電源很難作為商品進入市場。
并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電給電網(wǎng)，不用配置蓄電池，省掉蓄電池 的儲能和釋放的過程，可以充分利用可再生能源所發(fā)出的電力，減小能量損耗， 降低系統(tǒng)成本。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠并行使用市電和可再生能源作為本地交流負 載的電源，降低整個系統(tǒng)的負載缺電率，同時，可再生能源并網(wǎng)系統(tǒng)可以對公 用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。
太陽能逆變器的種類很多，其中的無變壓器隔離型單相全橋光伏并網(wǎng)逆變 器因為體積小、效率高、價格低在小功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用。
無變壓器隔離型單相全橋光伏并網(wǎng)逆變器涉及的單相全橋主電路如圖1所 示，其理想電路模型如圖2所示，^W為光伏并網(wǎng)逆變器的直流輸入電源。并網(wǎng) 逆變器實現(xiàn)控制光伏陣列模塊運行于最大功率點和向電網(wǎng)注入正弦電流兩大任 務(wù)。電感丄7、 i^除了濾除高頻諧波外，還兼有平衡逆變器和電網(wǎng)之間電壓差的作用。
然而，此拓撲結(jié)構(gòu)不能消除并網(wǎng)電流的直流分量。電網(wǎng)公司不希望將具有 較大輸出直流分量的逆變器連接到電網(wǎng)上，因為，向電網(wǎng)注入直流分量可以使
變電所變壓器的工作點偏移，導(dǎo)致變壓器飽和；增加電網(wǎng)電纜的腐蝕；導(dǎo)致高 的初級電流峰值，可能燒毀輸入保險，引起斷電；甚至可以增加諧波分量。
現(xiàn)有技術(shù)中抑制直流分量的一種可能的方法是在逆變器中加入一個隔直電 容，然而，這個電容在50Hz頻率處必須呈現(xiàn)低阻抗，因此，電容值會很大并且 增加了系統(tǒng)的成本。另一種抑制直流分量的最簡單的方法是在并網(wǎng)逆變器和電 網(wǎng)之間連接一個工頻變壓器，但是工頻變壓器的體積大、功耗大、價格高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流直流分量中，解決采用大 容量隔直電容系統(tǒng)成本高，采用工頻變壓器存在體積大、功耗大、價格高的問 題，提供了一種抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出直流分量的控制方法。
本發(fā)明方法為
采樣獲得光伏板的輸出電壓PW和電流^ ，所述電壓JV和所述電流/^經(jīng)過 最大功率點跟蹤算法MPPT產(chǎn)生指令電壓r;，所述指令電壓K;減去所述電壓 PW后形成電壓差值，所述電壓差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生并網(wǎng)指令電流幅值/"; 采樣獲得的交流并網(wǎng)電壓vg經(jīng)過鎖相環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生信號sh^ ,所述信號sir^與所 述并網(wǎng)指令電流幅值/^/相乘產(chǎn)生指令電流4 ，所述指令電流(減去由采樣誤 差引起的直流分量/;w形成校正后指令電流/乙，所述校正后指令電流7l減去采 樣獲得的交流并網(wǎng)電流/g后形成電流差值，所述電流差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后形成初步 調(diào)制信號 。
，所述初步調(diào)制信號"，減去由脈寬不平衡引起的直流分量f/;形 成最終調(diào)制信號"sin ，根據(jù)所述最終調(diào)制信號"sin控制PWM調(diào)制獲得用于驅(qū)動 光伏并網(wǎng)逆變器四個開關(guān)管的驅(qū)動信號，
其中，由采樣誤差引起的直流分量；w的獲取方法為
步驟a、采樣交流并網(wǎng)電流！》
步驟b、獲取所述交流并網(wǎng)電流/g中的直流分量/^ ;步驟c、對所述直流分量/—進行PI調(diào)節(jié)獲得采樣誤差引起的直流分量4w ; 脈寬不平衡引起的直流分量f/"的獲取方法為
步驟1、獲取前一工頻周期內(nèi)每個開關(guān)周期內(nèi)的初步調(diào)制信號"^的平均直 流分量"-;
步驟2、所述平均直流分量t/^經(jīng)PI調(diào)節(jié)后獲得脈寬不平衡引起的直流分
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明方法不用增加成本高的硬件結(jié)構(gòu)，利用兩個PI調(diào)節(jié) 環(huán)節(jié)抑制了采樣誤差引起的直流分量和脈寬不平衡引起的直流分量，有效的抑 制了光伏并網(wǎng)直流分量注入電網(wǎng)，實現(xiàn)簡單，控制方便，成本低，效果明顯， 采用本發(fā)明的方法能夠?qū)⑤敵龅闹绷鞣至靠刂圃?0mA以內(nèi)。
圖1是背景技術(shù)中無變壓器隔離型單相全橋光伏并網(wǎng)逆變器涉及的單相全 橋主電路圖，圖2是圖1的理想電路圖，圖3是本發(fā)明方法框圖，圖4是本發(fā) 明涉及的各參量波形圖，圖5是并網(wǎng)電壓和電流波形實驗效果圖，圖6是光伏 并網(wǎng)逆變器輸出的直流分量曲線示意圖，.圖7是最大功率點跟蹤法工作特性曲 線，圖8是最大功率點跟蹤法流程圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一下面結(jié)合圖3至圖8說明本實施方式，本實施方式方法
為
采樣獲得光伏板的輸出電壓fW和電流^ ，所述電壓^W和所述電流/^經(jīng)過 最大功率點跟蹤算法MPPT產(chǎn)生指令電壓F;，所述指令電壓K,減去所述電壓 ^后形成電壓差值，所述電壓差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生并網(wǎng)指令電流幅值/^ ; 采樣獲得的交流并網(wǎng)電壓vg經(jīng)過鎖相環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生信號sine ，所述信號sit^與所
述并網(wǎng)指令電流幅值/^相乘產(chǎn)生指令電流〈，所述指令電流c減去由采樣誤
差引起的直流分量/;w形成校正后指令電流/二 ，所述校正后指令電流/:減去采 樣獲得的交流并網(wǎng)電流&后形成電流差值，所述電流差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后形成初步 調(diào)制信號"￡。
，所述初步調(diào)制信號^。"減去由脈寬不平衡引起的直流分量[/二形成最終調(diào)制信號"sin ，根據(jù)所述最終調(diào)制信號"sin控制PWM調(diào)制獲得用于驅(qū)動 光伏并網(wǎng)逆變器四個開關(guān)管的驅(qū)動信號。
如圖3所示，圖中所示為單相全橋光伏并網(wǎng)逆變器，主電路的單相全橋由 四個開關(guān)管(巧、FT2、盯3和^74)構(gòu)成，光伏板輸出的直流電壓^W經(jīng)逆變后 輸出交流并網(wǎng)電流/g以供使用，為了有效提高太陽能板的工作效率，我們需要 控制太陽能板的輸出，使太陽能板隨時都能工作在其最大功率點。
我們應(yīng)用的最大功率點跟蹤法(MPPT)為擾動觀察法。其原理為通過光伏 陣列輸出電壓的擾動，來改變陣列輸出功率i^，從而以輸出功率的變化來判斷 電壓擾動方向是否正確。
參見圖7說明最大功率點跟蹤法的工作原理首先，假定系統(tǒng)工作點在功 率上升曲線A點，此時電壓擾動方向+AF，則下一個MPPT周期的光伏板輸出 電壓為<formula>formula see original document page 7</formula>。由于/V^4，說明電壓擾動方向正確，繼續(xù)保持原方向， 工作點從B點到C點。由于戶^Ps，繼續(xù)保持原擾動方向，工作點從C點到D 點，而此時功率點在下降曲線上，由于尸c〉尸d，說明電壓擾動方向為功率下降 方向，則擾動方向反向為-AF，工作點從D點到C點。同理，系統(tǒng)工作點在B 點、C點、D點之間徘徊，保持尋優(yōu)過程。
上述最大功率點跟蹤法MPPT的工作流程如圖8所示，具體過程為
步驟一、計算當前周期光伏板輸出功率/VK&)，<formula>formula see original document page 7</formula>其中， f^(fc)為當前周期光伏板輸出的直流電壓，；()fc)為當前周期光伏板輸出的直流 電流；
步驟二、判斷當前周期光伏板輸出功率i^^)是否大于上一周期光伏板輸出 功率/V^^-l)，
判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟三，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟六， 步驟三、判斷當前周期光伏板輸出的直流電壓^(/fc)是否大于上一周期光伏 板輸出的直流電壓^(ife-l)，
判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟四，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟五，
步驟四、輸出下一個周期光伏陣列輸出閉環(huán)的指令電壓^為l;-fW(" + Ar，完成此次計算，
如圖7所示，從0—A點一B點一C點所處上升段屬于此種情況， 步驟五、輸出下一個周期光伏陣列輸出閉環(huán)的指令電壓^為
&V=fW("-AF，完成此次計算，
如圖7所示，從E點一D點一C點所處上升段屬于此種情況，
步驟六、判斷當前周期光伏板輸出的直流電壓^W("是否大于上一周期光伏
板輸出的直流電壓JV^-l),
判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟七，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟八，
步驟七、輸出下一個周期光伏陣列輸出電壓閉環(huán)的指令電壓^為
&V=^T("-△「，完成此次計算，
如圖7所示，從C點一D點一E點所處下降段屬于此種情況，
步驟八、輸出下一個周期光伏陣列輸出閉環(huán)的指令電壓^為
&V=fW(" + Ar，完成此次計算， 其中AF為電壓擾動當量。
如圖7所示，從C點一B點一A點一0所處下降段屬于此種情況。
圖8所示的流程詳細的說明了擾動觀測法工作的流程，最終輸出指令電壓 r;，指令電壓^減去光伏板輸出電壓^W后形成電壓差值，所述電壓差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)可以得到電流幅值/g^。
鎖相環(huán)PLL的作用是提取交流并網(wǎng)電壓、的頻率和相位。sir^表示交流電 網(wǎng)電壓vg的相位和頻率，交流電網(wǎng)電壓vg和交流并網(wǎng)電流/g同頻同相位。
采樣獲得的交流并網(wǎng)電壓Vg經(jīng)過鎖相環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的sir^與并網(wǎng)指令電流幅
值/^r相乘產(chǎn)生指令電流〈，指令電流C是幅值為的正弦波。
現(xiàn)有技術(shù)對光伏并網(wǎng)逆變器用于PWM調(diào)制的調(diào)制信號往往是在如前所述 的基礎(chǔ)上采取如下方法獲得的采樣獲得交流并網(wǎng)電流0指令電流〈減去交 流并網(wǎng)電流^經(jīng)PI調(diào)節(jié)后形成。該方法中所述調(diào)制信號通過PWM計算，輸出 用于驅(qū)動光伏并網(wǎng)逆變器四個開關(guān)管的驅(qū)動信號。但是，在并伏并網(wǎng)逆變器工 作過程中，由于功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間不對稱；PWM調(diào)制過程中脈寬不平衡；驅(qū)動信號的不匹配；并網(wǎng)電流檢測誤差都能引起光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)輸 出電流^中含有直流分量，上述四種原因中，功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間不 對稱和驅(qū)動信號的不匹配導(dǎo)致了 pwm調(diào)制過程中脈寬不平衡。所以，產(chǎn)生直 流分量有pwm調(diào)制過程中脈寬不平衡和并網(wǎng)電流檢測誤差兩個原因。本發(fā)明 針對這兩種原因引起的直流分量進行抑制，下面分兩部分分別加以介紹 對并網(wǎng)電流檢測誤差引起的直流分量進行抑制
采用電流霍爾元件獲得交流并網(wǎng)電流/g ，考慮到電流霍爾元件有一定的零 漂，也就是說其輸入一個上下對稱的正弦波時，它的輸出i言號有一個直流偏置， 如果這個偏置是正值，那么通過電流環(huán)的修正，就會使逆變器的輸出產(chǎn)生一個 負的直流分量，反之亦然。利用這一理論，就可以得到輸出電流直流分量消除
的控制方法。本發(fā)明獲取采樣誤差引起的直流分量/;^的方法為-
步驟a、采樣獲得交流并網(wǎng)電流/g;.
步驟b、獲取所述交流并網(wǎng)電流/g中的直流分量/一；
步驟c、對所述直流分量/—進行pi調(diào)節(jié)獲得采樣誤差引起的直流分量/;^;
采樣交流并網(wǎng)電流Zg中含有的直流分量為全部的直流分量/—，包括因釆樣 誤差引起的直流分量和脈寬不平衡引起的直流分量，在本部分我們只能部分消 除分量(即因采樣誤差引起的直流分量)，另一部分在下一個環(huán)節(jié)中消除。采樣
誤差引起的直流分量經(jīng)pi調(diào)節(jié)后形成直流分量/;^,并以負反饋的形式引入到
并網(wǎng)電流的給定中，其目的就是產(chǎn)生類似于電流傳感器零漂的作用。如果逆變 器的輸出電流中有正的直流分量，將這個補償負反饋加到并網(wǎng)電流的給定中后， 就會通過電流環(huán)的作用，降低輸出電流的直流偏置，達到消除輸出直流分量的 目的。指令電流4減去采樣誤差弓l起的直流分量形成校正后指令電流/^ ， 引入這部分負反饋后，消除了因采樣誤差引起的直流分量，所述校正后指令電 流d減去采樣回來的交流并網(wǎng)電流^后形成電流差值，所述電流差值經(jīng)pi調(diào)節(jié) 后形成初步調(diào)制信號"，。圖4所示為各個參量的波形圖，假定采樣誤差引起的
直流分量/;^為正的直流分量，/^是消除直流分量/;w后形成的波形，"，波 形中含有脈寬不平衡引起的直流分量c/"，留待下一個環(huán)節(jié)處理。對PWM調(diào)制過程中脈寬不平衡引起的直流分量進行抑制 脈寬不平衡引起的直流分量《w的獲取方法為
步驟1、獲取前一工頻周期內(nèi)每個開關(guān)周期內(nèi)的初步調(diào)制信號"e。"的平均直 流分量f/^;
步驟2、所述平均直流分量C/^經(jīng)PI調(diào)節(jié)后獲得脈寬不平衡引起的直流分
為了消除由調(diào)制脈寬不對稱引起的直流分量，在并網(wǎng)控制中加入了一個補
償環(huán)節(jié)。通過檢測并計算PWM調(diào)制信號前一個工頻周期的直流分量，然后可 以計算獲得每個開關(guān)周期調(diào)制信號的平均直流分量^/- 。所述平均直流分量 C7-經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后形成調(diào)制脈寬不對稱引起的直流分量C/^ ，并將所述調(diào)制脈 寬不對稱引起的直流分量C/"以負反饋的形式引入到本工頻周期的初步調(diào)制信 號"^中，初步調(diào)制信號"^減去脈寬不平衡引起的直流分量C/;形成最終調(diào)制 信號"sin,如圖4所示，假定調(diào)制脈寬不對稱引起的直流分量C/"為正的直流分 量，經(jīng)過兩部分消除直流分量后形成的最終調(diào)制信號"^為不含或含有少量直流 分量的正弦波，以它為基礎(chǔ)進行PWM調(diào)制，輸出用于驅(qū)動光伏并網(wǎng)逆變器四
個開關(guān)管(M、 pt2、 ft;和^;)的驅(qū)動信號，結(jié)果準確，誤差小，輸出的交流
并網(wǎng)/g不含或含有少量直流分量，接入電網(wǎng)后，不會對后面的設(shè)備造成不良影響。
為了驗證本發(fā)明方法的實用性，采用無變壓器隔離型單相全橋并網(wǎng)逆變器
拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一臺額定功率lkW的實驗樣機。電網(wǎng)電壓220VAC，工頻50Hz， 開關(guān)頻率為16.6kHz。
圖5可見，交流并網(wǎng)電流/g與交流并網(wǎng)電壓Vg是同頻、同相的正弦波。圖6 為經(jīng)本發(fā)明方法調(diào)節(jié)后的直流分量輸出曲線，從中可見電流直流分量/^小于 50mA 。
權(quán)利要求
1、抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出直流分量的控制方法，其特征在于，實現(xiàn)抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出直流分量的控制方法包括以下內(nèi)容采樣獲得光伏板的輸出電壓VPV和電流IPV，所述電壓VPV和所述電流IPV經(jīng)過最大功率點跟蹤算法MPPT產(chǎn)生指令電壓VPV*，所述指令電壓VPV*減去所述電壓VPV后形成電壓差值，所述電壓差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生并網(wǎng)指令電流幅值Igref；采樣獲得的交流并網(wǎng)電壓vg經(jīng)過鎖相環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生信號sinθ，所述信號sinθ與所述并網(wǎng)指令電流幅值Igref相乘產(chǎn)生指令電流Iac*，所述指令電流Iac*減去由采樣誤差引起的直流分量Igrid*形成校正后指令電流Iac1*，所述校正后指令電流Iac1*減去采樣獲得的交流并網(wǎng)電流ig后形成電流差值，所述電流差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后形成初步調(diào)制信號ucon，所述初步調(diào)制信號ucon減去由脈寬不平衡引起的直流分量Ugrid*形成最終調(diào)制信號usin，根據(jù)所述最終調(diào)制信號usin控制PWM調(diào)制獲得用于驅(qū)動光伏并網(wǎng)逆變器四個開關(guān)管的驅(qū)動信號，其中，由采樣誤差引起的直流分量Igrid*的獲取方法為步驟a、采樣交流并網(wǎng)電流ig；步驟b、獲取所述交流并網(wǎng)電流ig中的直流分量Igrid；步驟c、對所述直流分量Igrid進行PI調(diào)節(jié)獲得采樣誤差引起的直流分量Igrid*；脈寬不平衡引起的直流分量Ugrid*的獲取方法為步驟1、獲取前一工頻周期內(nèi)每個開關(guān)周期內(nèi)的初步調(diào)制信號ucon的平均直流分量Ugrid；步驟2、所述平均直流分量Ugrid經(jīng)PI調(diào)節(jié)后獲得脈寬不平衡引起的直流分量Ugrid*。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出直流分量的控制方法， 其特征在于，最大功率點跟蹤算法MPPT產(chǎn)生指令電壓F;包括以下步驟步驟一、計算當前周期光伏板輸出功率尸/^&)， /W(W = PW0fc)x/w("，其中， PW("為當前周期光伏板輸出的直流電壓，/^("為當前周期光伏板輸出的直流 電流；步驟二、判斷當前周期光伏板輸出功率/^K^)是否大于上一周期光伏板輸出 功率戶M^-i)，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟三，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟六， 步驟三、判斷當前周期光伏板輸出的直流電壓rw()fc)是否大于上一周期光伏 板輸出的直流電壓PW("i)，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟四，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟五，步驟四、輸出下一個周期光伏陣列輸出閉環(huán)的指令電壓^為^V-I^(" + Ar，完成此次計算，步驟五、輸出下一個周期光伏陣列輸出閉環(huán)的指令電壓4為r;-fW(A:)-Ar，完成此次計算，步驟六、判斷當前周期光伏板輸出的直流電壓J^(;t)是否大于上一周期光伏 板輸出的直流電壓^("1)，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟七，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟八，步驟七、輸出下一個周期光伏陣列輸出電壓閉環(huán)的指令電壓F;為 ^V-r^("-Ar，完成此次計算，步驟八、輸出下一個周期光伏陣列輸出閉環(huán)的指令電壓^為 4 = ^V(fc) +厶r ，完成此次計算，其中AF為電壓擾動當量。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出直流分量的控制方法， 其特征在于，采用電流霍爾元件獲得交流并網(wǎng)電流/g，采用電壓霍爾元件獲得 交流并網(wǎng)電壓v"
全文摘要
抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出直流分量的控制方法，屬于逆變并網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明是在抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流直流分量中，解決采用大容量隔直電容系統(tǒng)成本高，采用工頻變壓器存在體積大、功耗大、價格高的問題而提出的。本發(fā)明方法采樣并網(wǎng)電流，獲取其含有的電流直流分量，分兩部分進行抑制，第一部分將采樣誤差引起的直流分量以負反饋的形式引入到并網(wǎng)電流給定中，第二部分獲取前一工頻周期中每個開關(guān)周期調(diào)制信號的平均直流分量，并經(jīng)PI調(diào)節(jié)后形成脈寬不平衡引起的直流分量，將其以負反饋的形式引入到初步調(diào)制信號中。經(jīng)過上述兩部分，最終形成抑制直流分量調(diào)制信號，獲得用于驅(qū)動光伏并網(wǎng)逆變器四個開關(guān)管的PWM驅(qū)動信號。
文檔編號H02M7/5395GK101577434SQ200910072328
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者劉桂花, 劉鴻鵬, 輝 吳, 姜世公, 徐殿國, 衛(wèi) 王 申請人:哈爾濱工業(yè)大學