专利名称：单相光伏并网发电系统的控制方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种并网型光伏发电系统控制技术，具体是一种单相光伏并网发电系统的控制方法及其装置。
背景技术：
小型光伏发电系统的性价比是推广应用的前提，在目前的工艺技术条件下，影响效率的主要因素是光伏电池组件和光伏并网控制器的效率，而光伏电池组件效率由组件厂的生产工艺决定，因此，提高系统效率的关键在于并网控制器的并网逆变控制技术和最大功率跟踪技术。单相光伏并网发电系统如图1所示。单相光伏并网发电系统由光伏组件、控制器及电网组成。控制器由升压电路、逆变电路、滤波电路、电量检测电路、驱动电路及控制电路组成。控制器的作用是控制光伏发电系统进行最大功率跟踪、并网逆变控制及系统保护等寸。由于光伏并网发电系统在运行过程中存在发电效率低下的问题，因此设计性能良好的最大功率跟踪方法是提高光伏并网发电系统的发电效率的关键。光伏组件是一个既非电压源又非电流源的非线性直流电源，其输出功率主要受光照强度和表面温度两个因素的影响。因此光伏发电系统需要以适当的速度进行最大功率跟踪，当跟踪的速度足够快时，在一小段时间内可把光照和温度视为恒定，此时光伏电池组件的PV曲线如图2所示。如果升压电路后端的等效电阻为/ ，升压电路开头管的占空比为从则光伏组件后端的等效电阻为
^f = (I-D)2J (1)
因为々的数值在0和1之间，所以从式(1)可知，当々增大时，‘减小；反之则增大。目前光伏组件的最大功率跟踪策略一般用扰动观测法，其基本思想是当系统工作在如图2所示曲线的最大功率点A左边时，则减小升压电路的占空比D，使光伏组件后端的等效电阻AW增大，以增大光伏组件的输出电压，使其输出功率增大；当系统工作在该曲线A点右边时，则增大D。扰动观测法适应性好，但是，定步长的扰动观测法会使功率跟踪时间长，动态响应差。对于单相光伏并网发电系统逆变电路的控制，一般采样电压源输入、电流源输出的控制方式，即对并网电流进行控制。当母线电压稳定时，单环的PI算法加上软件锁频锁相和电网电压前馈，即可使逆变器输出电流满足并网要求。其基本思想是在DSP软件中用查表方式产生正弦波，通过捕获电网电压的相位和频率，对该正弦波进行锁频锁相后得到参考电流，再参考电流与反馈电流比较后产生的误差进行PI调节，PI控制器的输出加上电网电压前馈量后得到PWM信号，经驱动电路放大后控制逆变电路开关管的通断。单环的电流控制在母线电压稳定的情况下可以使并网电流满足要求，但当母线电压不稳定，特别是由于前级的升压电路用于最大功率控制而无法稳定母线电压时，有很大的局限性。
发明内容
本发明目的在于提供一种单相光伏并网发电系统的控制方法及其装置。本控制方法及其装置，针对传统的采用定步长扰动观测的控制方法所存在的跟踪时间长、动态响应差的缺陷，以及传统的采用单环电流控制的方式所存在的母线电压不稳定的缺点，利用可变步长扰动观测的控制方法，以加快功率跟踪时间和改善动态响应，并用双环PI算法实现逆变并网功能，以稳定母线电压，使系统工作更可靠。本发明的另一目的是为了实施上述控制方法，而提供一种单相光伏并网发电系统的控制装置。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是
单相光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)通过控制装置中的电压采样电路模块和电流采样电路模块检测光伏组件的输出电压和输出电流，得到光伏组件的输出功率；同时检测电网电压、并网电流和直流母线电压。(2)利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤(1)中的参数得到的光伏组件的输出功率一输出电压曲线的斜率，采用变步长扰动观测最大功率跟踪算法计算控制装置中的升压电路模块中功率开关的导通时间；
(3)利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤(1)中的直流母线电压、电网电压和并网电流，采用双环PI并网逆变控制算法，计算控制装置中逆变电路模块功率开关的导通时间；所述双环PI并网逆变控制算法，是在单环PI控制的基础上加入电压环，构成内外环的双环PI控制算法，内环控制并网电流，使逆变器输出与电网电压同频同相的正弦电流；外环控制母线电压，为逆变器提供稳定的直流电压，电压环中PI控制器的输出是内环参考电流的幅值；
(4)由步骤(2)和步骤(3)中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号经驱动电路功率放大后分别进行两方面的控制对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，从而控制光伏组件后端的等效电阻，使光伏组件的输出电压保持在最大功率点对应的电压处， 完成对光伏组件最大功率的跟踪；对逆变电路功率开关的开通与关断进行控制，从而控制并网电流快速稳定地跟踪其参考值，使逆变器输出与电网电压同频同相的正弦电流，同时通过控制电流的幅值使系统功率平衡，以稳定母线电压。
所述步骤(2)中，变步长扰动观测最大功率跟踪算法包括以下步骤
A、计算由本周期的光伏组件的输出电压JiWP)和上周期的光伏组件的输出电压计算输出电压增量f^p-Ι);
B、由本周期的光伏组件的输出功率马和上周期的光伏组件的输出功率&P-1) 计算输出功率增量# =1)；
C、计算占空比的变化步长旭(1')=|,/,卜β,其中"是一个常系数；
D、依据步骤C中的变化步长，得到下周期的占空比D汰+ 如果Λ =0，下周期的占空比DOfc + )与本周期々α)相同，即1會+ 1}=￡)⑷;如果浙>0且浙=0，或者职类0且,#0 KdPZdV <0 ,= D(Jc) +AD(fc)；如果# <0 且沿·- =0,或者^tfV 0 且tiF# 0 且dP/tiZ > 0
E、将占空比 決+ 乘以升压电路的开关周期即可得到其功率开关的导通时间。
所述步骤(3)中的双环PI并网逆变控制算法，包括以下步骤
a、由采样到的母线电压与其参考值&计算误差Φ)= - 4 ；
b、由上一次外环PI调节器的输出％^-1)和误差1),计算本次外环PI调节器的输出:_ = ιφ-1) + ^^(^-^(^-1)]+ ^) ，式中 Zjri 和 Zil 为外环 PI 控制器的 PI 参数，由工程整定获得；
c、得到的叫⑷用作内环参考电流的幅值，乘以经过锁频锁相的单位正弦波即得并网参
考电流4； , Ai；减去本采样周期采样到的实验并网电流即得电流误差-Mk) = h: - ；
d、由上一次内环PI调节器的输出D和误差计算本次内环PI调节
器的输出
u2(k) = U2 (fc -1) + [e2 (fc) - e2 (ir -1)] + ^2 (^)式中、2 和为内环 PI 控制器的 PI 参数，由工程整定获得；
6、用《2(勾加上电网电压前馈量 ㈨即得最终的占空比+ ；
f、采样双极性调节，用以下公式计算逆变电路功率开关的导通时间5 +斗)
式中ζ为功率器件的开关周期。
单相光伏并网发电系统的控制方法中所用的控制装置，包括升压电路模块、逆变电路模块、滤波电路模块、采样电路、DSP控制电路模块和驱动电路，其中，驱动电路包括有驱动电路模块A和驱动电路模块B，其特征在于所述采样电路是由光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块构成；光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块的输出端分别与DSP控制电路模块电连接，直流母线电压采样电路模块的输入端与升压电路模块的输出端电连接，电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块的输入端与逆变电路模块的输出端电连接；所述DSP控制电路模块通过I/O 口输出导通时间控制信号至驱动电路模块A和驱动电路模块B，驱动电路模块A和驱动电路模块B将通断控制信号放大后分别对升压电路模块的功率开关和逆变电路模块的功率开关进行控制。
本发明的有益效果
1.利用光伏组件的功率一电压曲线的斜率计算扰动观测法的步长，在系统工作点离
6最大功率点较远时，其斜率较大，相应得到的步长也较大；在系统工作点离最大功率点较近时，其斜率较小，相应得到的步长也较小。这样可以减少最大功率跟踪的时间，而且使减轻系统在最大功率点附近的震荡，使系统更加稳定。2.在单环电流控制的基础上加入电压外环，解决了升压电路为实现最大功率跟踪功能而无法稳定直流母线电压的缺陷，为逆变电路实现并网逆变功能提供稳定的母线电压，使系统更加稳定可靠；同时，电压外环根据前级升压电路跟踪到的最大功率给出并网参考电流的幅值，实现系统高效率的动作。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。图1为本发明的控制装置的结构框图2为本发明的变步长扰动观测最大功率跟踪算法中判断得到下一开关周期功率开关的导通占空比的流程图3为本发明的双环PI控制的原理框图。图中1、光伏组件的输出电压采样电路模块；2、光伏组件的输出电流采样电路模块；3、直流母线电压采样电路模块；4、电网电压采样电路模块；5、并网电流采样电路模块； 6、光伏组件；7、升压电路模块；8、逆变电路模块；9、滤波电路模块；10、DSP控制电路模块； 11、驱动电路模块A ； 12、驱动电路模块B。
具体实施例方式
如图1所示，单相光伏并网发电系统的控制装置，包括升压电路模块7、逆变电路模块 8、滤波电路模块9、采样电路、DSP控制电路模块和驱动电路10，其中，驱动电路包括有驱动电路模块All和驱动电路模块B12，升压电路模块7接收来自驱动电路模块All的控制信号，完成控制光伏组件6的最大功率跟踪的功能；逆变电路8接收来自驱动电路模块B12的控制信号，完成并网逆变和稳定母线电压的功能；滤波电路模块9对逆变电路模块8输出的按正弦规律变化的脉冲波进行滤波，使其成为正弦波。并且，滤波电路模块9的输出端与电网并联连接。所述采样电路是由光伏组件的输出电压采样电路模块1、光伏组件的输出电流采样电路模块2、直流母线电压采样电路模块3、电网电压采样电路模块4和并网电流采样电路模块5构成；光伏组件的输出电压采样电路模块1、光伏组件的输出电流采样电路模块2、 直流母线电压采样电路模块3、电网电压采样电路模块4和并网电流采样电路模块5的输出端分别与DSP控制电路模块10电连接，直流母线电压采样电路模块3的输入端与升压电路模块7的输出端电连接，电网电压采样电路模块4和并网电流采样电路模块5的输入端与逆变电路模块8的输出端电连接；所述DSP控制电路模块10通过I/O 口输出导通时间控制信号至驱动电路模块Al 1和驱动电路模块B12，驱动电路模块Al 1和驱动电路模块B12将通断控制信号放大后分别对升压电路模块7的功率开关和逆变电路模块8的功率开关进行控制。所述光伏组件的输出电压采样电路模块1、光伏组件的输出电流采样电路模块2 分别将光伏组件6的输出电压和输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块10。直流母线电压采样电路模块3将升压电路模块7的输出电压转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块10。电网电压采样电路模块4将滤波电路模块9 输出端的电压(即电网电压)转换成弱电正弦信号并加以抬升以及弱电方波信号，送入DSP 控制电路模块10。并网电流采样电路模块5将滤波电路模块9的输出电流转换成弱电信号并经电平抬高之后送入DSP控制电路模块10。所述DSP控制电路模块10采用DSP-TMS320LFM07A型控制器，其中， TMS320LF2407A是TI公司推出的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术， 使得供电电压降为3. 3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到 25ns GOMHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了 3 (字的闪存(可加密)、2. 5K 的RAM、500ns转换时间的A / D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I / 0功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、 SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。DSP控制电路模块10主要完成单相光伏并网发电系统的改进型控制方法的运行和PWM控制信号的输出。首先对光伏组件的输出电压、输出电流、母线电压、电网电压和并网电流进行采样，然后根据变步长的扰动观测法和双环PI控制逆变算法分别计算升压电路模块7和逆变电路模块8的占空比，再转换成相应功率开头器件的导通时间，最后通过高速I/O 口将PWM控制信号输出至驱动电路模块All和驱动电路模块B12。单相光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤
(1)通过控制装置中的电压采样电路模块和电流采样电路模块检测光伏组件的输出电压和输出电流，得到光伏组件的输出功率；同时检测电网电压、并网电流和直流母线电压。(2)利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤(1)中的参数得到的光伏组件的输出功率一输出电压曲线的斜率，采用变步长扰动观测最大功率跟踪算法计算控制装置中的升压电路模块中功率开关的导通时间；
(3 )利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤(1)中的直流母线电压，采用双环 PI并网逆变控制算法，计算控制装置中逆变电路模块功率开关的导通时间；所述双环PI并网逆变控制算法，是在单环PI控制的基础上加入电压环，构成内外环的双环PI控制算法， 内环控制并网电流，使逆变器输出与电网电压同频同相的正弦电流；外环控制母线电压，为逆变器提供稳定的直流电压，电压环中PI控制器的输出是内环参考电流的幅值；(4)由步骤(2)和步骤(3)中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号经驱动电路功率放大后分别进行两方面的控制对升压电路功率开关的开通与关断进行控制，从而控制光伏组件后端的等效电阻，使光伏组件的输出电压保持在最大功率点对应的电压处，完成对光伏组件最大功率的跟踪；对逆变电路功率开关的开通与关断进行控制，从而控制并网电流快速稳定地跟踪其参考值，使逆变器输出与电网电压同频同相的正弦电流，同时通过控制电流的幅值使系统功率平衡，以稳定母线电压。
具体的变步长扰动观测最大功率跟踪算法如下
由本采样周期检测到的光伏组件输出电压&M和输出电流^闪计算其输出功率由本采样周期检测得到的光伏组件输出电压 M和计算得到的输出功还有上一采样周期检测得到的光伏组件输出电压FiTp-I)和计算得到的输出功率计算输出功率和输出电压的变化量 dp = - Ppf(k — 1)
由功率变化量朋和电压变化量dV计算占空比的变化步长轉)=μρ/dV\*D
式中々是一个常系数，由实验调试得到。如图2所示，根据变步长扰动观测法流程图判断得到下一开关周期功率开关的导通占空比，当卻=0时，!ψ + = Σψ ；当朋>0且狀=0，或者妒#0且朴VO且
dPidV <0 时，Dpc+ = Dlk)+紅例；当 JidF =0,或者 a1尸# O aT^ O RdP/dV>0 IM, D(λ-+1) = D(^)-AD(Ar)；
最后将占空比+ 乘以升压电路的开关周期即可得到其功率开关的导通时间。由DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号经驱动电路功率放大后去控制升压电路功率开关的开通与关断，从而控制光伏组件后端的等效电阻，使光伏组件的输出电压保持在最大功率点对应的电压处，完成对光伏组件最大功率的跟踪。
具体的双环PI并网逆变控制算法如下
由采样到的母线电压与其参考值 !计算误差-Mk) = ^ - 4 ；
由上一次外环pi调节器的输出崎休- 和误差1)计算本次外环PI调节器的输
出
Ul(Jc) = Ui(k 一 1) +-S1(^-I)]+ KilSl (k)
式中Zil和JTil为外环PI控制器的PI参数，由工程整定获得；
得到的約⑷用为内环参考电流的幅值，乘以经过锁频锁相的单位正弦波即得并网参考电流4；, 4；减去本采样周期采样到的实验并网电流即得电流误差= Ij - ； 由上一次内环Pi调节器的输出約伏-1)和误差勺(H)计算本次内环PI调节器的输
出
U2(k) = u2(k-l) + Kp2[S2{k)-e2(k-l)] + rH2e2 (k)
式中和Zi2为内环PI控制器的PI参数，由工程整定获得； 用勾加上电网电压前馈量 ㈨即得最终的占空比屮ur = !^k) + u“k). 本发明采样双极性调节，用以下公式计算逆变电路功率开关的导通时间5
5 = 1(1+",)； 式中j；为功率器件的开关周期。由DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号经驱动电路功率放大后去控制逆变电路功率开关的开通与关断，从而控制并网电流快速稳定地跟踪其参考值，使逆变器输出与电网电压同频同相的高质量正弦电流；同时通过控制电流的幅值使系统功率平衡以稳定母线电压。如图3所示，双环PI控制的工作原理如下用PI控制器对直流母线电压的实际值 Fifc与其参考值 ！的偏差进行控制，可使~。跟随且趋向F^，控制器的输出是并网参考电
流的幅值。同理，可使系统输出电流^不断地跟随参考电流/^,的变化而变化。当光伏组
件输出的功率等于并网功率与系统损耗功率之和时，并网参考电流的幅值是一个使系统功率平衡的定值。此时，如果光照增强，则在最大功率跟踪控制器的作用下，光伏组件的输出功率变大，升压电路的输出电压(即母线电压) 升高。于是 与^作差后产生正的
偏差，在外环PI控制器的控制下使的幅值增大。而在内环PI控制器的作用下，并网电
流很快地跟随，使得送入电网的功率也随即增大。反之亦然。以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的保护范围。
权利要求
1.一种单相光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤(1)通过控制装置中的电压采样电路模块和电流采样电路模块检测光伏组件的输出电压和输出电流，得到光伏组件的输出功率；同时检测电网电压、并网电流和直流母线电压；(2)利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤(1)中的参数得到的光伏组件的输出功率一输出电压曲线的斜率，采用变步长扰动观测最大功率跟踪算法计算控制装置中的升压电路模块中功率开关的导通时间；(3 )利用控制装置中的DSP控制电路模块，依据步骤(1)中的直流母线电压、电网电压和并网电流，采用双环PI并网逆变控制算法，计算控制装置中逆变电路模块功率开关的导通时间；所述双环PI并网逆变控制算法，是在单环PI控制的基础上加入电压环，构成内外环的双环PI控制算法，内环控制并网电流，使逆变器输出与电网电压同频同相的正弦电流；外环控制母线电压，为逆变器提供稳定的直流电压，电压环中PI控制器的输出是内环参考电流的幅值；(4)由步骤(2)和步骤(3)中DSP控制电路模块计算得出的导通时间控制信号经驱动电路功率放大后分别进行两方面的控制对升压电路功率开关的开通与关断进行控制， 从而控制光伏组件后端的等效电阻，使光伏组件的输出电压保持在最大功率点对应的电压处，完成对光伏组件最大功率的跟踪；对逆变电路功率开关的开通与关断进行控制，从而控制并网电流快速稳定地跟踪其参考值，使逆变器输出与电网电压同频同相的正弦电流，同时通过控制电流的幅值使系统功率平衡，以稳定母线电压。
2.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于所述步骤(2)中，变步长扰动观测最大功率跟踪算法包括以下步骤计算由本周期的光伏组件的输出电压⑷和上周期的光伏组件的输出电压 -1)计算输出电压增量,=^⑷-‘ & -1);由本周期的光伏组件的输出功率PmP)和上周期的光伏组件的输出功率h(fc-i)计算输出功率增量浙1)；计算占空比的变化步长ΔΙ)&)=μΡ/CiFj*! ,其中"是一个常系数； 依据步骤C中的变化步长，得到下周期的占空比+ P :如果朋=0，下周期的占空比 D沩+ 与本周期汐α)相同，即！^ + = ；如果职>0且,=0,或者职#0且评#0 且妒ZdZ <0 ,= +AU(Jc)；如果且d厂=0,或者(《=^0 且且iiP/￡iF>0,1) = D(Ar)-ΔΙ>(Α·).Ε、将占空比+ 乘以升压电路的开关周期即可得到其功率开关的导通时间。
3.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的控制方法，其特征在于所述步骤(3)中的双环PI并网逆变控制算法，包括以下步骤a、由采样到的母线电压Fdb与其参考值 ！计算误差e^k)= Vdc - Vl ；b、由上一次外环PI调节器的输出崎休-D和误差A(M ,计算本次外环PI调节器的输出:U1^) = U1Cic-l) + z 1[ei^)-^(^-1)]+ ^)，式中 ^^和 Zil 为外环 PI 控制器的 PI参数，由工程整定获得；C、得到的MM用作内环参考电流的幅值，乘以经过锁频锁相的单位正弦波即得并网参考电流, 减去本采样周期采样到的实验并网电流即得电流误差= Ij - Iffia d、由上一次内环PI调节器的输出W2^-I)和误差約(^-1)计算本次内环PI调节器的输出嚇=叱Cfc - +
+尽趵⑷式中Κ 2和Zi2为内环PI控制器的PI 参数，由工程整定获得；e、用《2(勾加上电网电压前馈量 ㈨即得最终的占空比+ ；f、采样双极性调节，用以下公式计算逆变电路功率开关的导通时间<5 i=|(l + Ur)式中 力功率器件的开关周期。
4.根据权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的控制方法中所用的控制装置，包括升压电路模块、逆变电路模块、滤波电路模块、采样电路、DSP控制电路模块和驱动电路，其中，驱动电路包括有驱动电路模块A和驱动电路模块B，其特征在于所述采样电路是由光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块构成；光伏组件的输出电压采样电路模块、光伏组件的输出电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块、电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块的输出端分别与DSP控制电路模块电连接，直流母线电压采样电路模块的输入端与升压电路模块的输出端电连接，电网电压采样电路模块和并网电流采样电路模块的输入端与逆变电路模块的输出端电连接；所述DSP控制电路模块通过I/O 口输出导通时间控制信号至驱动电路模块A和驱动电路模块B，驱动电路模块A和驱动电路模块B将通断控制信号放大后分别对升压电路模块的功率开关和逆变电路模块的功率开关进行控制。
5.根据权利要求4所述的单相光伏并网发电系统的控制方法中所用的控制装置，其特征在于所述DSP控制电路模块采用DSP-TMS320LFM07A型控制器。
全文摘要
本发明公开了一种单相光伏并网发电系统的控制方法及其装置，所述方法通过检测光伏组件的输出电压和输出功率，应用变步长的扰动观察法计算直流升压电路的占空比，使光伏组件输出最大功率；用双环PI算法实现逆变并网功能，内环控制并网电流，使其满足与电网电压同频同相的并网要求，外环控制母线电压，使其稳定并给出系统在最大输出功率下参考电流的幅值。控制装置包括升压电路模块、逆变电路模块、滤波电路模块、采样电路、DSP控制电路模块和驱动电路模块，DSP控制电路模块输出控制信号至驱动电路模块，驱动电路模块对升压电路模块的功率开关和逆变电路模块的功率开关进行控制。本发明的控制方法能使光伏并网发电系统更稳定，更高效。
文档编号H02J3/38GK102355003SQ201110269538
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者曾晓生, 杨苹, 王宪彬 申请人:辽宁力迅风电控制系统有限公司