级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，该方法适用于由光伏电池板组、级联逆变器、信号检测模块、控制模块和电网组成的级联多电平光伏并网系统，包括以下步骤：步骤一，根据级联多电平光伏并网系统的拓扑结构建立数学模型；步骤二，根据数学模型确定级联逆变器中每个逆变单元的电压调制比的取值范围；步骤三，控制模块对级联逆变器中的每个逆变单元同时进行PWM控制；步骤四，根据数学模型对逆变单元直流侧电容的电压平衡控制，达到级联多电平光伏并网系统的最大功率输出。与现有技术相比，本发明能够使得级联多电平光伏并网发电系统显著提高转换效率，并达到最大功率输出的智能化控制。
【专利说明】级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新能源技术，尤其是涉及一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法。
【背景技术】
[0002]能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，是世界经济的动力，也是影响国家安全的重要因素。随着人类对矿石燃料的不断开采利用已经导致这些有限的能源储量逐渐枯竭，逼迫世界上各个国家都在致力于新能源的开发与利用。大力发展可再生能源，用可再生能源全面取代化石能源，进行一场新的工业革命，不仅是出于人类生存的需要，更是世界经济可持续发展的必然趋势。
[0003]太阳能分布广泛、储量丰富，光伏发电系统的清洁、安全、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发电被认为是21世纪最重要、最具活力的新能源。近年来光伏产业及市场需求获得了快速发展，太阳能已经开始由“补充能源”向“替代能源”的角色转换。据估算，太阳系还能存在45亿年，每年太阳提供的能量是世界人口商品消费量的1.5万倍。太阳能的开发利用必将得到长足的发展，在世界能源结构转移中必将担当重任，势必会成为今后的主导能源。
[0004]在光伏发电技术受到广泛关注的情况下，光伏并网发电的核心部件一并网逆变器的技术研究已经显得极为突出。其中，级联多电平逆变器作为多电平逆变器的一种，具有其他结构形式所无法比拟的优点。具体表现如下:
[0005](I)单个功率器件承受电压低，无需动态均压电路；
[0006](2)输出电平数多，波形得到改善；
[0007](3)开关频率低，电子开关器件损耗小；
[0008](4)无需输出变压器，大大减小了系统的结构体积及其本身的损耗；
[0009](5)基于全桥电路结构，容易采用模块化组合来拓展系统结构。
[0010]但是必须指出，在级联多电平输入电路中，其直流侧各个电容器上的分布电压相互不平衡是这种电路结构形式的“先天”不足，即必然存在的现象，简称“直流侧电容电压不平衡”。“直流侧电容电压不平衡”会导致器件耐压不均匀，还会使最大功率点跟踪出现困难。因此，要使级联多电平光伏并网系统能够高效实现最大功率点跟踪，就需要一种能够确保直流侧电容电压平衡的方法来实现功率输出最大化，同时还能够改善系统输出的功率因数。
[0011]所述“最大功率点跟踪”，是光伏发电最大功率点跟踪的简单说法，英文简称为MPPT0其本质意义是:当光伏阵列输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流变化很小，光伏阵列类似为一个恒流源；当电压超过一定的临界值继续上升时，电流急剧下降，此时的光伏阵列类似为一个恒压源。光伏阵列的输出功率则随着输出电压的升高有一个输出功率最大点。最大功率跟踪器的作用是在温度和辐射强度都变化的环境里，通过改变光伏阵列所带的等效负载，调节光伏阵列的工作点，使光伏阵列工作在输出功率最大点上。换句话说，光伏阵列的输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况的影响。但在一定的光照强度和环境温度下，光伏阵列只有工作在某一电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，因此在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近。
[0012]太阳辐射光照强度的变化主要影响太阳能电池输出电流大小，温度变化主要影响输出电压大小。温度相同时，随着光照强度的增加，太阳能光伏电池的开路电压几乎不变，由于短路电流有所增加，相应的最大输出功率增加；光照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，虽然短路电流也有所增大，但系统最大输出功率减小。太阳能光伏阵列的输出功率伴随着输出电压的升高有一个先升后降的过程。在一定的温度和光照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率点，当光伏电池工作在该点时，能输出当前温度和光照强度条件下的最大功率。负载曲线和太阳能电池电流-电压特性曲线的交点即为太阳能电池的工作点。为了获得最大的输出功率，有必要使太阳能电池和负载大小相匹配。太阳能光伏电池阵列的最大功率输出主要是在变化的环境条件下通过调整负载曲线来实现，这也是目前所有最大功率点跟踪方法的根本依据。随着温度和光照强度的变化，必须不断的调整输出负载工作点，使光伏阵列一直处在相对应的最大输出功率点上。所述“级联多电平光伏并网系统的最大功率点跟踪”，就是指在级联多电平光伏并网系统如何去实现最大功率点跟踪的技术问题。
[0013]对于级联多电平逆变器，由于有多个全桥逆变电路(简称“逆变桥”)，可以考虑用两种方法实现MPPT。一般传统的方法是对整个逆变器的输出电流和电压采样进行MPPT控制，这种方法控制简单，实现较容易；但是，由于级联逆变器采用多路独立直流源输入，每个逆变桥的工作状况会有差别，采用这种传统方式的MPPT会产生功率损失，不能保证各个逆变桥都能够以最大效率输出。因此，必须对各个逆变桥分别使用MPPT控制，调节每个逆变桥的输出电压，才能实现每个逆变桥的最大功率输出，从而才能提高整个逆变器的效率。
[0014]对桥式逆变器输出电压的调节技术有两种方式:一种是调节逆变器的PWM占空t匕，另一种是调节输入端直流侧电容的电压大小。前者调节方式较方便，但是占空比过高或者过低时，波形电平会降低，进而会导致波形失真。级联多电平光伏逆变器的输入侧是光伏阵列，由于光伏阵列的输出受温度、光照强度的影响，会导致输出电压不稳定，每个逆变桥的直流输入电压必然会存在差别，从而使直流侧电容器两端的电压出现不平衡问题，导致电子开关器件承受的电压不一致，严重时还会使部分电子开关器件因承受较高电压应力而损坏，同时对MPPT控制稳定性造成进一步的负面影响。因此，要实现级联多电平光伏逆变器的最大功率输出，必须首先解决直流侧输入电容器的电压平衡问题。
[0015]经对现有技术文献的检索发现，周家琪、周维来、张哲等的“光伏发电变流器的并网发电控制方法”(中国专利申请号:201110341180.6)提供一种光伏发电变流器的并网发电控制方法。它包括电网电压软件锁相、电压外环建立、电流控制和电网电压定向矢量控制，电网电压软件锁相采用软件三相锁相环的方法，锁相环由鉴相器、环路滤波器和振荡器构成，电网电压定向矢量控制采用双闭环级联式控制结构:电压外环、电流内环，电压环控制直流母线电压；电流环对交流侧输入电流进行控制。该发明可以做到定向准确，控制直流母线电压稳定，实现最大功率点跟踪控制。但是，由于该发明仅针对电流环进行无差拍控制设计，电流环根据电压环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制，没有对直流侧电容电压进行相应的调节，因此实际上难以实现单位功率因数运行。
[0016]再经对现有技术文献的检索还发现，葛宝明的“储能型级联多电平光伏并网发电控制系统”(中国专利申请号:201010234866.0)公开了一种储能型级联多电平光伏并网发电控制系统。其中，多电平逆变器由多个储能型光伏发电模块组成，多个模块串联为三相逆变器中的一相，各模块单级功率变换实现升降压、逆变和储能，适应光伏电池电压的宽范围变化。光伏电池和储能电池分布于对应模块，各模块发电独立控制，实现分布式最大功率跟踪。由于“各模块发电独立控制”加大了电路结构的复杂性，势必增加技术经济成本，并降低系统运行的可靠性。
【发明内容】
[0017]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，该方法能够使得级联多电平光伏并网发电系统显著提高转换效率，并达到最大功率输出的智能化控制。
[0018]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0019]一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，该方法适用于由光伏电池板组、级联逆变器、信号检测模块、控制模块和电网组成的级联多电平光伏并网系统，包括以下步骤:
[0020]步骤一，根据级联多电平光伏并网系统的拓扑结构建立数学模型；
[0021]步骤二，根据数学模型确定级联逆变器中每个逆变单元的电压调制比的取值范围；
[0022]步骤三，控制模块对级联逆变器中的每个逆变单元同时进行PWM控制；
[0023]步骤四，根据数学模型对逆变单元直流侧电容的电压平衡控制，达到级联多电平光伏并网系统的最大功率输出。
[0024]级联多电平光伏并网系统包括:光伏电池板组、级联逆变器、信号检测模块、控制模块、电网。光伏电池板组输出接口与级联逆变器的电源输入接口连接，信号检测模块的信号输出接口与控制模块的反馈信号输入接口连接，控制模块的控制指令输出接口与级联逆变器的控制指令输入接口连接，级联逆变器的电源输出接口与电网输入接口连接。光伏电池板组在太阳光的照射下，发生光电效应而产生相应的直流电压信号输出并通过其输出接口输送至级联逆变器的电源输入接口，信号检测模块检测获取的反馈信号通过其信号输出接口输至控制模块的反馈信号输入接口，控制模块根据反馈信号运算将控制指令经其控制指令输出接口输至级联逆变器控制指令输入接口，级联逆变器的功率输出信号经其电源输出接口输送至电网的输入接口。
[0025]所述光伏电池板组，由多个光伏电池板组成。每个光伏电池板由多个光伏电池单元组合而成，形成一种平板式的矩阵结构。在每个光伏电池板中，先由多个光伏电池单元组成光伏电池组,再由多个光伏电池组构成一个光伏电池板。每个光伏电池组中的各个光伏电池单元输出电压信号逐个依次相串接，即第一个光伏电池单元的正极端头与第二个光伏电池单元的负极端头连接，依次类推，最后由每个光伏电池组的最后一个光伏电池单元的正极端头和第一个光伏电池单元的负极端头形成每个光伏电池组的正、负输出端头，即在运行时能够获得各个光伏电池单元输出电压信号的相加。再由多个光伏电池组的正、负输出端头对应并接来作为每个光伏电池板的正、负输出端头，即每个光伏电池组的正、负输出端头相互并接，在运行时能够形成具有足够电功率输出。多个光伏电池板排列在一起就构成光伏电池板组，每个光伏电池板之间相互独立，即它们在电气上并没有相互直接连接，而是每个光伏电池板的正、负输出端头分别与级联逆变器中每个逆变单元的正、负输入端头对应连接。光伏电池板组的输出接口是由每个光伏电池板的正、负输出端头并列而成。
[0026]所述级联逆变器，由多个逆变单元构成。每个逆变单元的正、负输入端头分别独立地并接一个电容器，再与光伏电池板的正、负输出端头对应连接，即由每个逆变单元的正、负输入端头相互独立地并列而构成级联逆变器的电源输入接口。每个逆变单元正、负输入端头所并接的电容器被称之为级联逆变器直流侧电容，在级联逆变器直流侧每个电容器上所产生的电压被称之为级联逆变器直流侧电容电压，或者称之为级联逆变器输入侧电容电压。每个逆变单元的输出端头相互串联，即第一个逆变单元的左输出端头连接第二个逆变单元的右输出端头，第二个逆变单元的左输出端头连接第三个逆变单元的右输出端头，以此类推，倒数第二个逆变单元的左输出端头连接最后一个逆变单元的右输出端头，最终以最后一个逆变单元的左输出端头和第一个逆变单元的右输出端头为级联逆变器的两个输出端头。因为级联逆变器是由多个逆变单元级联而成，所以称之为级联多电平逆变器，简称级联逆变器。所述逆变单元是一种由4个电力电子器件组成的桥式电路，又称H桥。
[0027]所述信号检测模块，包括:输入接口、前端信号处理器和输出接口。输入接口的光伏电压信号输入端头与每个光伏电池板正、负电极输出端头连接，输入接口的逆变输出电压信号输入端头与每个逆变单元输出端头连接，输入接口的电网电压信号输入端头与电网侧电压测点连接；输入接口的输出端头与前端信号处理器的输入端头连接；前端信号处理器的输出端头与输出接口的输入端头连接，输出接口的输出端头与控制模块的反馈信号输入接口连接。也就是说，信号检测模块同时检测每个光伏电池板的正、负输出端头的电压信号、每个逆变单元的输出电压信号，以及电网侧的电压信号。
[0028]在步骤一的数学模型中，建立级联多电平光伏并网系统输出端电流/电压方程如下:
【权利要求】
1.一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，该方法适用于由光伏电池板组、级联逆变器、信号检测模块、控制模块和电网组成的级联多电平光伏并网系统，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，根据级联多电平光伏并网系统的拓扑结构建立数学模型； 步骤二，根据数学模型确定级联逆变器中每个逆变单元的电压调制比的取值范围； 步骤三，控制模块对级联逆变器中的每个逆变单元同时进行PWM控制； 步骤四，根据数学模型对逆变单元直流侧电容的电压平衡控制，达到级联多电平光伏并网系统的最大功率输出。
2.根据权利要求1所述的一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，其特征在于，所述的光伏电池板组包括多个光伏电池板，每个光伏电池板由多个光伏电池单元组合而成；所述的级联逆变器包括多个级联的逆变单元，每个逆变单元的正、负输入端头分别独立地并接一个电容器，再与对应光伏电池板的正、负输出端头对应连接；所述的信号检测模块，包括输入接口、前端信号处理器和输出接口，输入接口的光伏电压信号输入端头与每个光伏电池板正、负电极输出端头连接，输入接口的逆变输出电压信号输入端头与每个逆变单元输出端头连接，输入接口的电网电压信号输入端头与电网的电压测点连接，输入接口的输出端头与前端信号处理器的输入端头连接，前端信号处理器的输出端头与输出接口的输入端头连接，输出接口的输出端头与控制模块的反馈信号输入接口连接；信号检测模块连接每个光伏电池板和每个逆变单元，同时检测每个光伏电池板的正、负输出端头的电压信号、每个逆变单元的输出电压信号以及电网的电压信号。
3.根据权利要求2所述的一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，其特征在于，步骤一所述的数学模型中，通过理论推导得到下列公式从而建立了调节4和死能够达到级联多电平光伏并网系统对电网侧电压Vg的临界平衡的理论依据:
4.根据权利要求3所述的一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，其特征在于，步骤二电压调制比的取值范围为|dn|≤D，且D= I。
5.根据权利要求2所述的一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，其特征在于，步骤三中采用电压型PWM或者电流型PWM，并由同一个PWM控制信号同时控制每个逆变单元的输出电压信号。
6.根据权利要求3所述的一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，其特征在于，步骤四包含以下分步骤: 分步骤I，调节逆变单元电压调制比的大小； 分步骤2，调节逆变单元的直流侧电容的电压值:首先采用电压闭环控制将各个逆变单元直流侧电容的电压值与所有逆变单元直流侧电容的电压平均值进行比较，将获得的误差信号用于调整相应逆变单元的初始相位，使该逆变单元的直流侧电容的电压值改变，然后按照功率比例的分布对逆变单元进行重新分配，再来调节各个逆变单元的输出值；同时通过各个逆变单元输出电流值与有功信号参考电流值的比较来产生需要补偿的电流值，用于保持直流侧电容的电压值和补偿功率损耗； 分步骤3，比较逆变单元直流侧电容的电压值与所有逆变单元直流侧电容的电压平均 值的大小，当
7.根据权利要求6所述的一种级联多电平光伏并网系统最大功率点跟踪的智能控制方法，其特征在于，参数ε的值为0.01，参数σ的值为0.05。
【文档编号】G05F1/67GK103869872SQ201210548712
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月17日 优先权日:2012年12月17日
【发明者】曾国辉, 张秀彬, 陈国成, 陈国祥, 刘海珊 申请人:上海工程技术大学, 上海雷诺尔科技股份有限公司