一种集散电源载波交错同步控制方法及装置与流程

本发明涉及一种集散电源控制技术领域，尤其涉及一种集散电源载波交错同步控制方法。

背景技术：

集散电源式光伏发电系统，集传统的集中式并网发电系统的稳定性和组串式光伏发电系统的多路MPPT控制、发电量多的优点于一身，是近年来新兴的一种优选光伏发电系统形式。集散电源式光伏发电系统的拓扑结构如图1所示，由光伏阵列、集散电源、并网逆变器组成，其中集散电源为该系统的关键组件，集散电源装置内的直流/直流升压变换器通过PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）开关动作完成光伏阵列的最大功率点追踪（MPPT，Maximum Power Point Tracking）以实现最大功率输出控制。为了获得尽可能多的MPPT路数，以提高系统的发电量，集散电源箱内通常设置多个变换器模块、且各个变换器模块单独进行控制，再在输出端汇流至直流母线。

集散电源中功率变换器模块通常为如图2所示的直流/直流升压变换器，变换器模块的控制则通常以给定载波频率f的PWM的开关动作方式进行，输出电流Io波形为如图3所示的方波波形。

目前集散电源中变换器模块的控制主要有集中控制和分散控制两种实现方式，其中集中控制方式是由单一CPU控制多个变换器模块，该类方式要求CPU需有强大的计算能力，且各变换器模块的所有传感器信号、控制信号都要引到CPU所在的控制电路板上，因此也导致系统布线复杂、成本偏高，为权衡系统复杂程度及成本，实际应用中会限制变换器模块路数，导致光伏MPPT路数受限、不能最大限度地发挥多路MPPT的集散电源的核心优势；分散控制方式则是采用多CPU分别控制的方式，即由一个CPU控制单个或少数几个变换器模块，使得光伏MPPT路数不受限制、且控制电路可集成在各自所在的变换器模块中，系统总成简洁、便于维护。

集散电源内的所有N个变换器模块的输出端是并联在一起的，总的输出电流波形为N个方波波形（如图3所示）的电流的叠加，这种叠加随各变换器模块间载波的相位关系呈现相加或相消的效果，当变流器模块的载波相位一致时纹波电流完全相加，纹波电流最大、效果最差。现有的分散控制方式在集散电源的各变换器模块间均没有协调控制，各个变换器模块的载波相位为独立地自由设置，因而总输出电流的纹波为不确定状态，且各载波频率不可能完全一致，载波相位会出现缓慢的漂移，因此输出纹波电流会出现大小呈震荡状态变化，而为了抑制该震荡状态的输出电流纹波，通常需在输出端增加庞大的滤波电路，但是这会造成成本的增加、以及装置体积的增大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够实现集散电源中变换器模块的载波交错同步控制，且控制实现简单、所需成本低、同步控制精度高以及输出电流的纹波小的集散电源载波交错同步控制方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种集散电源载波交错同步控制方法，所述控制方法包括分别按照相位相互交错的预设载波控制集散电源中各变换器模块，所述控制方法还包括：

S1. 根据所述预设载波产生一个载波同步信号；

S2. 控制按照所述载波同步信号分别捕获各所述变换器模块的载波相位，得到对应各所述变换器模块的捕获载波相位；

S3. 根据对应的所述捕获载波相位、预设载波相位，分别调整各所述变换器模块的载波频率/载波周期。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，具体计算所述捕获载波相位、预设载波相位之间的相位差，根据所述相位差调整各所述变换器模块的载波频率/载波周期，以使得各所述变换器模块按照各自对应的预设载波相位调整。

作为本发明方法的进一步改进：所述调整各所述变换器模块的载波频率/载波周期时，具体将所述相位差经过增幅后，由增幅后相位差得到调整的目标载波频率/载波周期；或所述调整各所述变换器模块的载波频率/载波周期时，具体将所述相位差经过增幅后，由增幅后相位差、所述预设载波的周期得到调整的目标载波频率/载波周期。

作为本发明方法的进一步改进：所述增幅具体按照线性关系进行增幅，或按照非线性关系进行增幅。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中具体以指定周期产生所述载波同步信号，所述指定周期为所述预设载波的周期的指定整数倍数。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中具体按照所述载波同步信号的上升沿或下降沿捕获所述载波相位。

作为本发明方法的进一步改进：各所述变流器模块对应的预设载波的相位具体为2kπ/N，其中k为所述变换器模块对应的预设编号，且 k=0,1,…,N-1，N为集散电源中变换器模块的总数。

一种集散电源载波交错同步控制装置，所述控制装置包括用于分别按照相位相互交错的预设载波控制集散电源中各变换器模块的交错控制单元，所述控制装置还包括：

同步信号产生单元，用于根据所述预设载波产生一个载波同步信号；

载波相位捕获单元，用于控制按照所述载波同步信号分别捕获各所述变换器模块的载波相位，得到对应各所述变换器模块的捕获载波相位；

载波调整单元，用于根据对应的所述捕获载波相位、预设载波相位，分别调整各所述变换器模块的载波频率/载波周期。

作为本发明装置的进一步改进：所述载波调整单元包括：

相位差计算单元，用于计算所述捕获载波相位、预设载波相位之间的相位差；

载波频率/周期确定单元，用于根据所述相位差得到调整的目标载波频率/载波周期，以使得各所述变换器模块按照各自对应的预设载波相位调整。

作为本发明装置的进一步改进：所述载波频率/周期确定单元为增幅器，所述增幅器输入所述相位差，输出调整的目标载波频率/载波周期；或所述载波频率/周期输出单元为由增幅器、输出电路构成，所述增幅器输入所述相位差，输出增幅后相位差给所述输出电路，所述输出电路分别接入所述增幅后相位差、预设载波的周期，输出调整的目标载波频率/载波周期。

作为本发明装置的进一步改进：所述增幅器具体为线性增幅器或非线性增幅器。

作为本发明装置的进一步改进：所述线性增幅器具体为PID线性增幅器；所述非线性增幅器具体为具有指定调整量的非线性增幅器。

作为本发明装置的进一步改进：所述载波相位捕获单元具体按照所述载波同步信号的上升沿或下降沿捕获所述载波相位。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明在集散电源中各变换器模块载波交错控制的基础上，通过产生一个载波同步信号以作为载波同步的基准信号，由该载波同步信号来协调调整各变换器模块的载波频率/载波周期，避免各变换器模块载波相位的偏移，不需要获取其他变换器模块的载波相位，就可以同步控制使得各个变换器模块保持载波交错，实现各个变换器模块载波的载波交错同步控制，从而最大限度的减少集散电源输出的纹波电流，可简化甚至无需在集散电源输出端对输出纹波电流的滤波器设置，减小系统成本及体积；

2）本发明由基于载波同步信号捕获的载波相位、预设载波相位之间的相位差确定得到调整的目标载波频率/载波周期，由目标载波频率/载波周期对变换器模块的载波频率/载波周期进行更新，使得各变换器模块的载波相位保持与预设值一致，实现控制简单，各变换器模块能够始终保持相位相互交错，最大限度的减少集散电源输出的纹波电流；

3）本发明通过对集散电源中各变换器模块进行载波交错同步控制，控制电路可集成在各变换器模块中，且变换器模块的数量不受限制，能够方便的实现系统容量扩展；

4）本发明进一步通过使各变换器模块的载波相位在0~2π之间均匀分布，使得各变换器模块载波间均匀交错，结合载波交错同步控制方法，能够实现载波等分交错同步控制，可以使流入输出母线的纹波电流最小，进一步减小系统成本及体积。

附图说明

图1是集散电源式光伏发电系统的拓扑结构示意图。

图2是集散电源中变换器模块的电路结构示意图。

图3是集散电源中变换器模块输出电流Io波形示意图。

图4本实施例集散电源载波交错同步控制方法的实现流程示意图。

图5是本实施例实现集散电源载波交错同步控制的结构原理示意图。

图6是本实施例第一种得到调整的目标载波频率/周期的结构原理示意图。

图7是本实施例第二种得到调整的目标载波频率/周期的结构原理示意图。

图8本实施例采用非线性增幅器得到调整的目标载波频率/周期的结构原理示意图。

图9是本实施例控制变换器模块执行交错同步控制的具体控制流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图4、5所示，本实施例集散电源载波交错同步控制方法，包括分别按照相位相互交错的预设载波控制集散电源中各变换器模块，该控制方法还包括以下步骤：

S1. 根据预设载波产生一个载波同步信号；

S2. 控制按照载波同步信号分别捕获各变换器模块的载波相位，得到对应各变换器模块的捕获载波相位；

S3. 根据对应的捕获载波相位、预设载波相位，分别调整各变换器模块的载波频率/载波周期。

本实施例上述方法应用于由输出直流母线并联的多路输入、多变换器模块组成的集散电源中，通过使集散电源中各变换器模块由相互交错的载波相位进行控制，即实现载波交错控制，在各变换器模块载波交错控制的基础上，同时通过产生一个载波同步信号以作为载波同步的基准信号，由该载波同步信号来协调调整各变换器模块的载波频率/载波周期，实现各个变换器模块载波的载波交错同步控制。

本实施例步骤S1中具体以指定周期产生载波同步信号，指定周期为预设载波的周期的指定整数倍数。载波同步信号由载波同步信号发生器产生，载波同步信号发生器可以为定时器电路、采用CPU内置的定时器功能模块或其他电路结构，载波同步信号发生器以预设载波周期的整数倍的周期产生载波同步信号后，分别输出给各变换器模块控制器，各变换器模块控制器以该载波同步信号作为后续载波同步的基准信号。按照预设载波周期的整数倍周期产生载波同步信号，不仅能够为各变换器模块提供周期的同步信号，同时还能避免频繁地调整各变换器模块的载波频率/载波周期，从而减小CPU计算量。

本实施例各变换器模块控制器接收到载波同步信号发生器输出的载波同步信号后，按照载波同步信号捕获变换器模块的载波相位，以获得各变换器模块的载波相对于基准信号（载波同步信号）的相位。本实施例步骤S2中具体使用CPU内置捕获(Capture)功能按照载波同步信号上升沿或下降沿捕获载波相位，即根据载波同步信号的上升或下降沿捕获内部计数器的计数值并寄送到捕获寄存器中，将该计数器与变流器的载波发生器同步，则捕获寄存器中的值即为捕获到的载波的相位值。

本实施例中，步骤S3中具体计算捕获载波相位、预设载波相位之间的相位差，根据相位差调整各变换器模块的载波频率/载波周期。变换器模块控制器由捕获载波相位、预设载波相位之间的相位差确定得到新的载波频率/载波周期，由得到的新的载波频率/载波周期作为调整的目标载波频率/载波周期，对变换器模块的载波频率/载波周期进行更新，各变换器模块跟踪载波同步信号使得载波相位保持与预设值一致，从而各变换器模块能够始终保持相位相互交错。

本实施例步骤S3中调整各变换器模块的载波频率/载波周期时，具体由捕获载波相位、预设载波相位之间的相位差经过增幅后输出调整的目标载波频率/载波周期，目标载波频率/载波周期可按照以下两种方式确定得到：

第一种：单一增幅方式

该种方式将捕获载波相位、预设载波相位之间的相位差经过增幅后，直接由增幅后相位差得到调整的目标载波频率/载波周期，实现简单。本实施例实现该种方式所采用的结构如图6所示，由变换器模块控制器输出的载波相位指令值即可获取预设载波相位，捕获载波相位、载波相位指令值之间的差值经过增幅器后，输出目标载波周期，即目标载波周期直接为载波相位指令值与捕获载波相位值之差的增幅。

第二种：增幅与前馈量组合方式

该种方式将捕获载波相位、预设载波相位之间的相位差经过增幅后，再由增幅后相位差、预设载波的周期得到调整的目标载波频率/载波周期，即误差增幅与前馈量共同得到目标载波频率/载波周期，可进一步提高调整精度。本实施例实现该种方式所采用的结构如图7所示，由变换器模块控制器输出的载波相位指令值即可获取预设载波相位，捕获载波相位、载波相位指令值之间的差值经过增幅器后，由增幅器输出以及预设载波周期组合，输出载波周期为所定载波周期与误差增幅器输出之和。

本实施例中，上述增幅可以为按照线性关系的线性增幅，如基于PI控制器进行增幅，也可以为按照非线性关系的非线性增幅，如采用具有固定调整量（△）的增幅器，如图8所示，增幅器输入捕获载波相位、载波相位指令值之间的差值进行判断，如果为正，则输出正的预设调整量△作为增幅后相位差；如果为0，则输出0作为增幅后相位差；如果为负，则输出负的预设调整量-△作为增幅后相位差。

当然，在其他实施例中，还可以采用其他方式确定调整的目标载波频率/载波周期。

本实施例中，各变流器模块的载波相位及交错方式可按照具体控制需求进行设定，由各变换器模块控制器产生对应的相位指令值，使得各变流器模块按照载波交错控制。

优选地，各变流器模块对应的预设载波的相位具体设定为2kπ/N，各变换器模块控制器按照该相位设定发送载波相位指令值给变换器模块，其中k为变换器模块对应的预设编号，且 k=0,1,…,N-1，N为集散电源中变换器模块的总数，即各变流器模块之间按照相位差2π/N相互交错。采用上述载波相位设定，各变换器模块的载波相位可在0~2π之间保持均匀分布，即使得各变换器模块载波间均匀交错，实现载波等分交错控制，结合上述载波交错同步控制方法，能够使流入输出母线的纹波电流最小，理想情况下频率低于Nf以下的较低频纹波可完全相消，剩余的高频纹波采用较小尺寸的滤波器即可消除，进一步利用线路的分布漏感特性还可以完全省掉滤波器的设置，大大减小了系统所需成本及体积。

变换器模块控制器对变换器模块执行上述载波控制时，同步本机的载波周期循环执行如图9所示为控制流程，当进入中断服务程序后，首先判断CPU硬件有无捕获信号，如果没有就跳出后续程序的执行；如果有则读取捕获的载波相位值，并与本机载波相位指令值比较，根据偏差增幅算出目标载波周期值；再根据求得的目前载波周期更新设置CPU内的PWM定时器周期，即可达到变换器模块的载波相位跟踪其相位指令值的目的，实现对各变换器模块的载波交错同步控制。

本实施例采用上述方法，在集散电源中各变换器模块载波交错控制的基础上，各变换器模块的载波还能够独立跟踪载波同步信号并保持各自指定的相位，避免各变换器模块载波相位的偏移，不需要获取其他变换器模块的载波相位，就可以同步控制使得各个变换器模块保持载波相对相位差，实现载波交错同步控制，从而最大限度的减少集散电源输出的纹波电流，进而可简化甚至无需在集散电源输出端对输出纹波电流的滤波器设置，减小系统成本及体积。

本实施例采用上述方法对集散电源中各变换器模块进行载波交错同步控制，控制电路可集成在各变换器模块中，变换器模块的数量不受限制，仅需根据需求扩展增加变换器模块，即可方便的实现系统容量扩展。

本实施例进一步提供集散电源载波交错同步控制装置，包括用于分别按照相位相互交错的预设载波控制集散电源中各变换器模块的交错控制单元，该控制装置还包括：

同步信号产生单元，用于根据预设载波产生一个载波同步信号；

载波相位捕获单元，用于控制按照载波同步信号分别捕获各变换器模块的载波相位，得到对应各变换器模块的捕获载波相位；

载波调整单元，用于根据对应的捕获载波相位、预设载波相位，分别调整各变换器模块的载波频率/载波周期，以同步控制各变换器模块。

本实施例中，载波调整单元包括：

相位差计算单元，用于计算捕获载波相位、预设载波相位之间的相位差；

载波频率/周期确定单元，用于根据相位差得到调整的目标载波频率/载波周期。

本实施例中，载波频率/周期确定单元可以如图6所示直接为增幅器，增幅器输入相位差，输出目标载波频率/载波周期；载波频率/周期输出单元也可以为如图7所示由增幅器、输出电路构成，增幅器输入相位差，输出增幅后相位差给输出电路，输出电路分别接入增幅后相位差、预设载波的周期，输出调整的目标载波频率/载波周期。

本实施例中，增幅器可以为线性增幅器，如PID线性增幅器；也可以为非线性增幅器，如图8所示具有指定调整量的非线性增幅器，增幅器输入捕获载波相位、载波相位指令值之间的差值进行判断，如果为正，则输出正的预设调整量△作为增幅后相位差；如果为0，则输出0作为增幅后相位差；如果为负，则输出负的预设调整量-△作为增幅后相位差。

本实施例中，同步信号产生单元具体以指定周期产生载波同步信号，指定周期为预设载波的周期的指定整数倍数。

本实施例中，载波相位捕获单元具体按照载波同步信号的上升沿或下降沿捕获载波相位。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。