一种链式级联自同步太阳能光伏发电控制装置及控制方法与流程

本发明涉及太阳能光伏发电领域，具体是一种链式级联自同步太阳能光伏发电控制装置及控制方法。

背景技术：

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，也是影响国家安全的重要因素。传统的石化能源属于不可再生能源，面临着枯竭的危险。另一方面，由于燃烧化石燃料，给大气造成了重度污染。

为了解决能源供应这一重大问题，全世界的各个国家都加快了对新能源的开发。太阳能作为一种清洁能源，具有以下几个特点：第一，取之不尽。第二，易于获取，普遍存在。第三，清洁，无污染。

太阳能的开发利用是解决传统石化能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类发展的理想替代能源。太阳能的利用主要包括光热利用(热力子发电、屋顶的太阳能热水器等)、太阳能发电、光化利用等。光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。

我国光伏发电产业起步于20世纪70年代，于90年代中期进入稳步发展时期，太阳能电池及组件产量逐年增加，目前已跃居全球第一。

在国家一系列优惠政策的刺激下，我国光伏产业发展迅速，2012年年底我国光伏发电装机容量累计达到700万千瓦，2013年年底达到1716万千瓦，2014年达到了2805万千瓦。

我国光伏发电主要以大规模光伏电站为主，采用的集中式光伏逆变器或组串式光伏逆变器，普遍存在电池板能效低的问题，同时由于热斑效应导致电池板使用寿命低。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种低成本的链式级联自同步太阳能光伏发电控制技术，能大大提高光伏电站的能效，同时延长光伏电池板的使用寿命，促进我国光伏发电事业的健康发展。

本发明的技术解决方案如下：

一种链式级联自同步太阳能光伏发电控制装置，其特点在于，包括太阳能电池板、含储能同步整流电路、H桥叠波链式级联并网电路、并网控制单元、交流电压互感器和交流电流互感器；

所述太阳能电池板的输出端与所述含储能同步整流电路输入端相连，该含储能同步整流电路的输出端与所述H桥叠波链式级联并网电路的输入端相连，该H桥叠波链式级联并网电路的输出端与所述交流电压互感器的输入端相连，所述交流电流互感器的输入端串接于所述H桥叠波链式级联并网电路的输出端，所述H桥叠波链式级联并网电路的输出端与电网相连；所述交流电压互感器的信号输出端与所述并网控制单元的交流电压信号输入端相连，所述交流电流互感器的信号输出端与所述并网控制单元的交流电流信号输入端相连，所述并网控制单元的N个H桥控制信号输出端分别与所述H桥叠波链式级联并网电路的控制信号输入端相连。

所述的含储能同步整流电路为含储能同步整流升压电路或含储能同步整流降压电路。

所述的含储能同步整流升压电路包含升压电抗器、第一功率管、第二功率管、输入滤波电容、输出滤波电容、电压传感器、电流传感器和MPPT控制器；所述的输入滤波电容并接在所述的含储能同步整流电路的输入端的正负极之间，所述的第一功率管的发射极与第二功率管的发射极相连构成节点，所述的第一功率管的集电极与所述的含储能同步整流电路的负极线路相连，所述的第二功率管的集电极构成输出的正端，所述的升压电抗器的一端与所述的输入端的正极相连，所述的升压电抗器的另一端与所述的第一功率管、第二功率管的节点相连，所述第一功率管的控制端与所述的MPPT控制器第一输出信号端相连，所述第二功率管的控制信号端与所述的MPPT控制器的第二输出信号端相连，所述的第一功率管和第二功率管的控制逻辑相反，所述的MPPT控制器的电压信号输入端与所述的电压传感器的电压信号输出端相连，所述的MPPT控制器的电流信号输入端与所述的电流传感器的电流信号输出端相连，所述的电流传感器输入端与所述的含储能同步整流电路的输入端的负极相连，所述的电压传感器的输入端与所述的含储能同步整流电路的输入端的正极相连。

所述H桥叠波链式级联并网电路包含N个并联的H桥电路，每个H桥电路包含4只功率管并称为S1、S2、S3、S4，S1与S2串接在一起，S3与S4串接在一起，这两串并接在一起，S1的控制信号与S3的控制信号相同，S2的控制信号与S4的控制信号相同，S1的控制信号与S2的控制信号相反，S1和S3的控制信号输入端与所述的并网控制单元的控制信号第一输出端相连，所述的S2和S4的控制信号输入端与所述的并网控制单元的控制信号第二输出端相连；

所述并网控制单元的N个H桥控制信号的输出端分别与所述的H桥叠波链式级联并网电路的N个H桥电路的控制信号输入端相连，所述的并网控制单元的交流电压信号输入端与所述的交流电压互感器的电压信号输出端相连，所述的并网控制单元输入的交流电流信号的输入端与所述的交流电流互感器的电流信号输出端相连。

所述的H桥叠波链式级联并网电路包含的H桥电路的数量N为12或16。

所述的功率管是MOSFET或IGBT开关管。

所述的含储能低压同步整流升压电路的输入端并接一电解电容、小电池或其他储能元件。

所述太阳能电池板为1块电池板，或多块电池板串联，如图5所示。

利用所述的链式级联全域自同步太阳能光伏发电控制装置，对太阳能光伏发电并网控制方法，该方法步骤如下：

步骤1，设定并网控制单元的初始值：

设定PWM1初值为0.8，设定PWM2初值为0.5，设定控制信号θ角初值＝0；

步骤2，按下列公式计算所述的H桥叠波链式级联并网电路的N个控制信号θ角值θ角：其中，θ_n＝nθ_A-(n-1)θ_B+N(cosθ_A-cosθ_B)n为链接数，N为桥模块串联数量，

θ_A＝sin^-1A＝arcsinA；θ_B＝sin^-1B＝arcsinB；

A＝n/N；B＝(n-1)/N；

步骤3，所述MPPT控制器的控制：

设定PWM1初值为0.8；所述MPPT控制器通过采集所述电压传感器、电流传感器的输出信号，对所述的第一功率管和第二功率管进行同步整流控制，实现太阳能电池板的最大功率跟踪，PWM1从初值开始，每次增加0.01，直到搜索到最大功率为止。

与现有技术相比，本发明的特点如下：

1.对单块或几块光伏电池板进行MPPT控制，提高了光伏电站的能效；

2.解决了光伏电池板热斑问题，延长了电池板寿命；

3.综合考虑了成本，性价比高。

附图说明

图1是本发明链式级联自同步太阳能光伏发电控制装置的示意图。

图2是本发明的含储能同步整流升压电路图。

图3是本发明的含储能同步整流降压电路图。

图4是本发明的H桥电路框图。

图5是本发明的采用2块太阳能电池板串联进行MPPT的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明链式级联自同步太阳能光伏发电控制装置的示意图，如图所示，一种链式级联自同步太阳能光伏发电控制装置，包括太阳能电池板2、含储能同步整流电路3、H桥叠波链式级联并网电路4、并网控制单元5、交流电压互感器6和交流电流互感器7；

所述太阳能电池板2的输出端与所述含储能同步整流电路3输入端相连，该含储能同步整流电路3的输出端与所述H桥叠波链式级联并网电路4的输入端相连，该H桥叠波链式级联并网电路4的输出端与所述交流电压互感器6的输入端相连，所述交流电流互感器7的输入端串接于所述H桥叠波链式级联并网电路4的输出端，所述H桥叠波链式级联并网电路4的输出端与电网相连；所述交流电压互感器6的信号输出端与所述并网控制单元5的交流电压信号输入端相连，所述交流电流互感器7的信号输出端与所述并网控制单元5的交流电流信号输入端相连，所述并网控制单元5的N个H桥控制信号输出端分别与所述H桥叠波链式级联并网电路4的控制信号输入端相连。

所述含储能同步整流电路3为含储能同步整流升压电路或含储能同步整流降压电路。

图2是本发明的含储能同步整流升压电路图，如图所示，包含升压电抗器8、第一功率管9、第二功率管10、输入滤波电容11、输出滤波电容12、电压传感器13、电流传感器14和MPPT控制器15；所述的输入滤波电容11并接在所述的含储能同步整流电路3的输入端的正负极之间，所述的第一功率管9的发射极与第二功率管10的发射极相连构成节点，所述的第一功率管9的集电极与所述的含储能同步整流电路3的负极线路相连，所述的第二功率管10的集电极构成输出的正端，所述的升压电抗器8的一端与所述的输入端的正极相连，所述的升压电抗器8的另一端与所述的第一功率管9、第二功率管10的节点相连，所述第一功率管9的控制端与所述的MPPT控制器15第一输出信号端相连，所述第二功率管10的控制信号端与所述的MPPT控制器15第二输出信号端相连，所述的第一功率管9和第二功率管10的控制逻辑相反，所述的MPPT控制器15的电压信号输入端与所述的电压传感器13的电压信号输出端相连，所述的MPPT控制器15的电流信号输入端与所述的电流传感器14的电流信号输出端相连，所述的电流传感器14输入端与所述的含储能同步整流电路3的输入端的负极相连，所述的电压传感器13的输入端与所述的含储能同步整流电路3的输入端的正极相连。

图3是本发明的含储能同步整流降压电路图，如图所示，包括降压电抗器8、第一功率管9、第二功率管10、输入滤波电容11、输出滤波电容12、电压传感器13、电流传感器14和MPPT控制器15；所述的输入滤波电容11并接在所述的含储能同步整流电路3的输入端的正负极之间，所述的第一功率管9的发射极与第二功率管10的集电极相连构成节点，所述的第一功率管9的集电极与所述的含储能同步整流电路3的负极线路相连，所述的第二功率管10的发射极与所述的输入端的正极相连，所述的降压电抗器8的一端与所述的第一功率管9、第二功率管10的节点相连，所述的降压电抗器8的另一端构成输出端的正端，所述第一功率管9的控制端与所述的MPPT控制器15第一输出信号端相连，所述第二功率管10的控制信号端与所述的MPPT控制器15第二输出信号端相连，所述的第一功率管9和第二功率管10的控制逻辑相反，所述的MPPT控制器15的电压信号输入端与所述的电压传感器13的电压信号输出端相连，所述的MPPT控制器15的电流信号输入端与所述的电流传感器14的电流信号输出端相连，所述的电流传感器14输入端与所述的含储能同步整流电路3的输入端的负极相连，所述的电压传感器13的输入端与所述的含储能同步整流电路3的输入端的正极相连。

图4是本发明的H桥电路框图，如图所示，H桥叠波链式级联并网电路4包含N个并联的H桥电路，每个H桥电路包含4只功率管并称为S1、S2、S3、S4，S1与S2串接在一起，S3与S4串接在一起，这两串并接在一起，S1的控制信号与S3的控制信号相同，S2的控制信号与S4的控制信号相同，S1的控制信号与S2的控制信号相反，S1和S3的控制信号输入端与所述的并网控制单元5的控制信号第一输出端相连，所述的S2和S4的控制信号输入端与所述的并网控制单元5的控制信号第二输出端相连；

所述并网控制单元5的N个H桥控制信号的输出端分别与所述的H桥叠波链式级联并网电路4的N个H桥电路的控制信号输入端相连，所述的并网控制单元5的交流电压信号输入端与所述的交流电压互感器6的电压信号输出端相连，所述的并网控制单元5输入的交流电流信号的输入端与所述的交流电流互感器7的电流信号输出端相连；

所述的H桥叠波链式级联并网电路4包含的H桥电路的数量N为12或16。

所述的功率管是MOSFET或IGBT开关管。

所述的含储能低压同步整流升压电路(3的输入端并接一电解电容、小电池或其他储能元件。

所述太阳能电池板2为1块电池板，或多块电池板串联或并联。

利用所述的链式级联全域自同步太阳能光伏发电控制装置，对太阳能光伏发电并网控制方法，该方法步骤如下：

步骤1，设定并网控制单元5的初始值：

设定PWM1初值为0.8，设定PWM2初值为0.5，设定控制信号θ角初值＝0；

步骤2，按下列公式计算所述的H桥叠波链式级联并网电路4的N个控制信号θ角值θ角：θ_n＝nθ_A-(n-1)θ_B+N(cosθ_A-cosθ_B)其中，n为链接数，N为桥模块串联数量，

θ_A＝sin^-1A＝arcsinA；θ_B＝sin^-1B＝arcsinB；

A＝n/N；B＝(n-1)/N；

步骤3，所述MPPT控制器15的控制：

设定PWM1初值为0.8；所述MPPT控制器15通过采集所述电压传感器13、电流传感器14的输出信号，对所述的第一功率管9和第二功率管10进行同步整流控制，实现太阳能电池板2的最大功率跟踪，PWM1从初值开始，每次增加0.01，直到搜索到最大功率为止。