微网系统中光伏变换器自治模式切换控制方法与流程

本发明光伏发电控制技术领域，尤其涉及一种微网系统中光伏变换器自治模式切换控制方法。

背景技术：

近年来，基于多变换器的智能微电网、多变换级的多能集成系统引起越来越多的研究兴趣，光伏作为清洁和易获取能源，在类似系统中所占的比例越来越高。这也引起了用户侧电网形态的变化，正在由传统被动消纳型到同时具备消纳和发生能力、工作模式多样化等特征过渡。

在孤岛微网或功率限制的多能系统中，在特定工作条件下，直流母线或交流母线(分别由储能和电网实现支撑)不具备足够的电能吸收能力，过剩的光伏电能将会引起电压的升高导致系统过压保护。解决上述难题的一种方法是根据系统的要求改变光伏变换器工作模式，即在mppt运行时使用开路电压、扰动观测、电导增量等传统算法实现最大功率跟踪，当由于市电异常或功率达到变换器限值时，直流母线或交流母线不具足够支撑能力时转为控制光伏变换器的输出电压以实现电压稳定。两种模式下，对于光伏dc-dc变换器，受控量分别是变换器的输入电压和输出电压，其控制对象传递函数并不相同，因此在模式切换时需要控制环路和pi参数的重新设定，即控制结构重新配置。这也是当前大部分应用中采用的方法，但这种方法一方面在切换时需要改变控制器的pi参数以适应不同的控制目标；另一方面为了使切换平滑，还需要在两个pi环路切换瞬间以上一控制结构的输出来初始化另一个pi的积分输出环节；此外，为了防止母线检测扰动或在检测点附近工作时出现的系统模式振荡，通常需要使用窗口比较器来辅助阈值检测，窗口电压过小无法保证模式判断准确性，可能在两种模式之间来回切换，如果窗口电压设置过大又将一定程度上影响系统的动态响应，这些都增加了的控制难度。

当前有少量应用中采用修改mppt算法的方式来直接调节变换器的输入功率，从而保持控制环路结构不变，并能够调整和限制光伏变换器的输出功率。然而这需要能量管理系统或上层控制器发送参考功率值，在协调控制过程中依赖通信的及时性和鲁棒性，带来了成本的上升和可靠性下降。另外，已有的修改mppt算法实现功率限制的方法中，反向扰动和正向扰动的频率、步长通常保持一致，这在功率调整较缓慢进入受限状态的应用中能够较好工作，但如果是并网变换器突发故障或离网系统中负载瞬态投切，而储能电池满充或容量配比较小等情况下，传统方法应用受到一定的限制。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出了一种微网系统中光伏变换器自治模式切换控制方法，包括：

步骤1：对光伏变换器的直流母线电压进行监视；

步骤2：当母线电压值在额定值以内时光伏变换器执行mppt算法；

步骤3：当母线电压值超过第一电压阈值时光伏变换器转为执行反向扰动观测法来限制功率；

步骤4：当母线电压值超过第二电压阈值时光伏变换器采用改变扰动步长来控制功率。

所述步骤2包括：如果光伏功率增量为正，而电压增量为正，则继续正方向扰动电压，若电压增量为负，则反方向扰动电压；如果功率增量为负，而电压增量为正，则反向扰动电压，若电压增量为负，则正向扰动电压。

所述反向扰动观测法与mppt算法的扰动方向相反，扰动频率为数千赫兹，接近开关和控制频率的1/3～1/2。

所述改变扰动步长来控制功率包括：当光伏剩余功率过大时增加扰动步长以降低其输出功率，当光伏剩余功率与负载消耗接近一致时减少扰动步长以防止电压振荡。

所述步骤4包括：

根据光伏变换器输入输出功率差值动态改变反向扰动步长，以实现光伏输入能量相比输出需求过剩较多时，以大的扰动步长削弱光伏输出能力，当输入输出近似一致时，扰动步长接近为0；当光伏变换器输入输出功率差值下降至较小时，且母线电压继续上升超过第一电压阈值时，直接在控制环路上叠加反馈量，实现母线电压的可靠箝位。

本发明的有益效果：

1、拓展了光伏变换器的工作模式，能够在mppt和限功率两种模式之间切换，满足多能变换系统中的特定工作条件。

2、不改变控制环路结构，只需要一套控制环路中pi控制器的参数整定，避免切换时的瞬态问题。

3、不依赖及时和可靠的通信交互，能够避免通信干扰造成的相关问题。基于功率平衡原理调整限功率模式下的扰动步长，即使限功率数量变化较大时也能够快速箝位母线电压，同时设计了第二阈值检测调整，防止进入过压保护引起停机，增强系统的可靠性。

4、实现了功率流和信息流的解耦，模式切换由变换器自身传感器根据模拟量检测判断，能够同时满足无通信和快速、平滑切换两方面需求，以更好满足应对微网或多能系统中的极端工况条件。

附图说明

图1.光伏dc-dc变换器的原理电路图

图2.最大功率跟踪模式下控制系统结构图

图3.母线电压稳定模式下控制系统结构图

图4.具备反向扰动观测功能的控制流程图

图5实验测试平台示意图

图6光伏模拟器设定的p-v和i-v曲线图

图7mppt向限功率模式切换实验波形图

图8解除功率限制后恢复mppt的过渡过程图

具体实施方式

本发明提出了一种微网系统中光伏变换器自治模式切换控制方法，包括：

步骤1：对光伏变换器的直流母线电压进行监视；

步骤2：当母线电压值在额定值以内时光伏变换器执行mppt算法；

步骤3：当母线电压值超过第一电压阈值时光伏变换器转为执行反向扰动观测法来限制功率；

步骤4：当母线电压值超过第二电压阈值时光伏变换器采用改变扰动步长来控制功率。

所述步骤2包括：如果光伏功率增量为正，而电压增量为正，则继续正方向扰动电压，若电压增量为负，则反方向扰动电压；如果功率增量为负，而电压增量为正，则反向扰动电压，若电压增量为负，则正向扰动电压。

所述反向扰动观测法与mppt算法的扰动方向相反，扰动频率为数千赫兹，接近开关和控制频率的1/3～1/2。

所述改变扰动步长来控制功率包括：当光伏剩余功率过大时增加扰动步长以降低其输出功率，当光伏剩余功率与负载消耗接近一致时减少扰动步长以防止电压振荡。

所述步骤4包括：

根据光伏变换器输入输出功率差值动态改变反向扰动步长，以实现光伏输入能量相比输出需求过剩较多时，以大的扰动步长削弱光伏输出能力，当输入输出近似一致时，扰动步长接近为0；当光伏变换器输入输出功率差值下降至较小时，且母线电压继续上升超过第一电压阈值时，直接在控制环路上叠加反馈量，实现母线电压的可靠箝位。

下面结合附图，对实施例作详细说明。

1、对光伏boost变换器的环路控制

光照、温度等环境因素变化引起光伏阵列p-v曲线变动，不同条件下最大功率与光伏电池的输出电压有非线性对应关系，光伏变换器的最大功率跟踪是通过对光伏电池电压的控制实现的。因此对图1所示的boost光伏dc-dc变换器，在mppt模式下控制环路结构如图2所示，控制对象为变换器的输入电压vpv。

mppt模式下，光伏变换器跟踪光伏电池能够输出的最大功率，该功率能够被储能变换器或并网变换器全部吸收。当电网异常或变换器受限情况下，最大功率跟踪的输出功率超过系统所需，会引起直流母线电压上升导致不可控。因此，需要在这些情况下相应地改变光伏变换器的控制结构，由控制变换器的输入转而稳定变换器输出，以得到稳定的直流母线电压，对应的控制环路结构如图3所示，控制对象为直流母线电压。即光伏变换器在mppt运行时为恒功率源控制模式，母线电压由并网变换器或储能系统支撑，当失去电压支撑能力后，光伏变换器应当及时转为电压控制模式，完成对母线电压支撑。

两种控制模式下，虽然主电路结构没有变化，但控制对象发生了改变，对应的控制—输出传递函数也有较大的变化，因此通过小信号模型设计控制参数必然会有不同的结果。同时，在使用数字控制pi实现时，为了减小控制环路切换时带来的瞬态和震颤，需要使用当前环路控制器pi的当前输出值来初始化要切换到的环路pi输出初值。

基于此，本发明中使用单套控制环路，即仅控制光伏变换器的输入电压间接实现功率限制模式下母线电压的箝位。

2、正向和反向扰动观测算法

兼容功率限制模式是通过修改mppt算法实现的，传统的mppt跟踪算法有较多成熟方法，这里选用了最简单易实现的扰动观测方法。扰动观测法的两个主要指标分别为扰动周期和扰动步长。

实现mppt的扰动观测采用固定周期和固定步长法，在数字控制器的中断例程里采样输入电压电流、母线电压和输出电流，计算对应的瞬时输入输出功率。通过计数方法，以10hz的频率执行mppt算法跟踪，以5khz频率执行功率限制算法。

在mppt算法中，得到本次光伏电压与上次保存电压做差得到电压增量，计算本次瞬时功率并与上一次做差判断功率增量。如果功率增量为正，而本次电压增量为正，则继续正方向扰动电压，若本次电压增量为负，则反方向扰动电压；如果功率增量为负，而本次电压增量为正，则反向扰动电压，若本次电压增量为负，则正向扰动电压。

功率限制算法与mppt的扰动方向相反，实现功率的反向调整。控制框图的流程图如图4所示。

3、变步长扰动观测

在传统正向扰动观测法中，步长过大容易在最大功率点来回震荡，步长过小则mppt的追踪时间过长，变步长调整能较好解决这一难题，通常是以当前光伏电池电压与最大工作点电压差作为扰动步长的调整依据。

本发明中对扰动瞬态调整要求最高的是正向扰动观测向反向扰动观测切换的过程，切换前变换器输出光伏电池的最大功率，当电网异常或并网变换器限流后，光伏输出过剩的功率额度、网侧惯性和变换器限流设置的时间常数、直流母线电容大小共同决定了母线电压上升的速率，要求能够在直流母线电压达到第一阈值时转为反向扰动观测，并在初始时刻以较大的反向步长扰动，以限制直流母线电压的继续上升，随后该步长逐渐减小以防止母线电压下降过多造成较大的电压纹波。

根据光伏的输入输出功率差值动态改变反向扰动步长，以实现光伏输入能量相比输出需求过剩较多时，以较大的步长削弱光伏输出能力，当输入输出近似一致时，该步长接近为0。在反向扰动观测过程中，对应的步长为：

dv2＝k(ppv-po)

限功率算法下使用的采样滤波频率较高，当光伏变换器输入输出功率差值下降至较小时，由于传感器误差可能判断出输入功率小于输出功率，此情况下停止扰动，但实际输入功率可能略高于输出功率引起母线继续上升，为了避免母线过压引入第二阈值检测，当母线电压继续上升超过该阈值时，直接在控制环路上叠加反馈量，实现母线电压的可靠箝位。

4、主要实验结果

为了验证提出的自治切换控制方法的有效性，使用光伏模拟器和boost变换器充当光伏阵列和dc-dc变换器，使用具备电网回馈功能且可限制电流或功率的双向可编程电源作为并网变换器，搭建如图5所示的实验测试平台。

光伏模拟器使用软件预设光伏曲线，模拟环境参数为恒定光照1000和室温25℃条件，最大功率点为光伏电池电压109v，对应610w输出功率，图6为光伏模拟器的p-v和i-v曲线，可以看出在109v左侧和右侧，光伏输出功率分别为近似单调递增和单调递减，在非最大功率点时光伏面板电压越低其输出功率也越小。并网逆变器直流母线电压额定值为190v，设定dc-dc变换器状态切换的母线电压阈值为200v。

波形图7和图8对应相关实验结果，图中ch1、ch2通道分别对应boost变换器的输出和输入电压。在mppt的稳定跟踪状态下，并网变换器向电网回馈610w功率，此时调整并网变换器功率限制值到400w，从波形图7看出dc-dc变换器能够迅速调整并减小光伏变换器输入侧电压，光伏电压降低到75v左右对应约400v的输出功率，此时光伏变换器的输入输出功率接近一致，直流母线电压被箝位。图8为解除并网变换器功率限制后变换器从限制功率模式到mppt的过渡过程，电压逐渐上升对应其输出功率逐渐增大，最终实现在最大功率点附近稳态工作。实验结果验证了mppt和限功率模式相互转换方法的有效性。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。