专利名称：一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置的制作方法
技术领域：
一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置 技术领域[0001]本实用新型涉及一种光伏并网系统的控制方法，具体是一种单级式光伏并网逆变 系统的三环控制装置。
背景技术：
[0002]光伏并网发电系统按照拓扑等级分为单级式和多级式系统。单级式并网发电系统 的前端光伏电池板通过逆变器直接并入电网，具有拓扑简单、成本低、效率高等优点，但其 控制策略复杂，需要在逆变器的控制芯片上实现并网电流控制，同时兼顾最大功率跟踪控 制和系统稳定性。[0003]单级式光伏并网系统主电路由太阳能光伏阵列、直流母线电容、逆变桥、滤波电感 等组成。并网电流和最大功率跟踪通过控制后端逆变部分实现，逆变部分需要一块DSP控 制器，这里采用电流型并网控制策略，实现并网电流与电网电压同步且实现最大功率跟踪 控制。[0004]单级式光伏并网逆变系统传统控制方法采用功率外环和电流内环的双环控制结 构，功率外环实现最大功率跟踪，电流内环实现电流波形与电网电压同步。这种双环控制简 单而直接，通过MPPT功率外环直接控制电流内环，同时根据前端最大功率跟踪相应改变并 网的电流值，控制电流的波形符合并网要求。然而，由于系统双环控制方法没有对直流母线 电压进行直接控制，系统容易出现直流侧电压崩溃的现象，所以有必要引入直流母线电压 环的控制。[0005]双环控制在跟踪最大功率点时不断调整并网电流值，如系统此时外界光照突然减 小，而控制器无法给出一个合适的电流参考值，会造成输出的功率大于光伏电池板提供的 功率，功率不平衡会导致直流侧工作点电压降低，太阳能电池板工作点电压降低时输出功 率也会相应降低，从而进一步加剧功率不平衡，如此循环会导致直流侧电压崩溃，电流畸变 引起谐波污染，危害电网和设各种备，因此双环控制有很大局限性。实用新型内容[0006]本实用新型目的在于提供一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置。本实 用新型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，以及传统的采用双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，并用三环实现逆变并网功能， 以稳定母线电压，使系统工作更可靠。[0007]一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置，包括采样电路、捕获电路、DSP控 制器和驱动电路，采样电路与DSP控制器连接，捕获电路与DSP控制器连接，DSP控制器输 出与驱动电路连接。[0008]进一步的，所述采样电路由直流母线电压采样电路、直流电流采样电路、电网电压 采样电路、并网电流采样电路四部分组成。[0009]进一步的，直流母线电压采样电路的输入接太阳能电池板输出电压，直流电流采样电路的输入接太阳能电池板输出电流，电网电压采样电路的输入接电网电压，并网电流采样电路的输入接逆变器输出电流；采样电路输出都接入DSP控制器；DSP控制器输出一组互补的PWM信号，接到驱动电路进行功率放大，驱动电路输出的信号接到逆变桥对开关管进行控制。[0010]进一步的，所述DSP控制器采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。[0011]上述一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置的控制方法，一个控制周期包括如下步骤[0012](I)通过电压采样和电流采样电路检测太阳能电池板的输出电压、太阳能电池板的输出电流、电网电压、并网电流；[0013](2)利用DSP控制器，依据步骤(I)中太阳能电池板电压、电流的的参数得到的太阳能电池板的输出功率，与上一次太阳能电池板电压和功率数据比较，采用最大功率跟踪算法计算直流母线输出参考电压；[0014](3)利用DSP控制器，依据步骤(I)的太阳能电池板的输出电压，与步骤(2)中的直流母线输出参考电压作差得到误差电压值，经过一个PI环节计算出并网电流参考值；[0015](4)由步骤(3)得到参考并网电流值和步骤(I)的并网电流作差比较，在DSP控制器中经过一个PI比例积分运算得到误差值；得到的误差值与步骤(I)电网电压前馈值相加得到下一个控制周期的调制波信号值；[0016](5)步骤(4)得到的调制波信号经DSP控制器进行三角波调制，并计算得到下一控制周期开关管的占空比，由该占空比产生一组互补的PWM信号；[0017](6)步骤(5)得到的一组互补的PWM信号经驱动电路进行功率放大后送至逆变桥对开关管进行控制，并等待下一控制周期的到来，控制周期由电网频率决定。[0018]进一步的，所述最大功率跟踪算法采用变步长扰动观测法。[0019]所述变步长扰动观测法包括以下步骤[0020]A、计算本周期太阳能电池板的输出电压UPV(k)和上个周期太阳能电池板的输出电压 UPV(k_l)之差(Iu, Clu= Upv (k) -Upv (k_l)；[0021]B、计算本周期太阳能电池板的输出功率PPV(k)=UPV(k)*IPV(k)和上个周期太阳能电池板的输出功率Ppv(k-ι)之差dP，dp= Ppv(k)- Ppv(k-1),其中IPV(k)为本周期太阳能电池的电流，保存PPV(k)为下一周期的计算做准备；[0022]C、根据步骤A、B得到(! 、dP，计算变步长系数k= (Vdu，计算下一周期参考电压 Ifpv(k) =Ifpv(k-1)+k*step,其中UPV(k_l)是上个周期太阳能电池板的输出电压,step是一个步长常数。[0023]进一步的，所述步骤(3)计算并网电流参考值包括以下步骤[0024]a、根据实际电压值和直流母线输出参考电压值计算得到误差电压值 G1 (k) =Upv (k) -U*PV (k)；[0025]b、误差电压经过第一个PI比例积分环节的计算，得到并网电流参考幅值I,ef(k )=Iref (k-1) +Kpi Le1 (k) -G1 (k-1) ] +K11G1 (k),其中 Iref (k_l)是上一周期并网电流参考幅值， ei(k-l)是上一周期参考电压值和实际电压值得到的误差电压值，KpjPK11是工程整定的PI 参数值。[0026]进一步的，所述步骤(4)计算调制波信号值包括以下步骤[0027]①据IMf(k)和步骤(I)电网电压的相位信息，得到I。(k)，与步骤(I)采样得到 并网电流值i作差得到误差电流e2 (k) =I*ref (k) -1 ；[0028]②差电流经过第二个PI环节计算得到误差值e3 (k) =e3 (k_l) +Kp2 [e2 (k) _e2 (k_l)] +KI2e3(k)，其中e3(k_l)为上一周期经过第二个PI环节的误差值，e2 (k-1)为上一周期的误 差电流值，Kp2和K12也是工程整定值；[0029]③到的e3 (k)与电网电压前馈值相加得到本控制周期的调制波信号值e4 (k)= e3(k)+KN*uN，其中Kn是一个常数与逆变器增益有关，uN是电网电压瞬时值。[0030]进一步的，所述步骤(5)产生一组互补PWM信号包括以下步骤[0031]1、采用双极性调节和规则采样法，得到开关的导通时间J = t(l+〃4(々))，其中T。 为功率器件的开关周期，e4(k)为本控制周期的调制波信号值；[0032]I1、在DSP控制器内部，产生一组互补的PWM信号，这组的两个信号之间有死区时 间；[0033]II1、DSP控制器的一组PWM信号经过驱动电路进行功率放大，再送去驱动开关管。[0034]与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括[0035]1、改善系统的最大功率跟踪响应速度。系统简单易于搭建，不增加硬件成本，改进 的算法采用变步长扰动观察法，使系统能够快速地搜索太阳能电池板的最大功率点，同时 减少最高功率点的功率振荡，特别是在光照突然变化的时候能够快速跟踪到最大点。[0036]2、改善系统的动态响应性能。系统增加了对直流母线电压的直接控制环节，在光 照突然降低的情况下，能够保证直流电压稳定，系统在整个过程中并网电流不畸变，改善系 统的动态响应性能，不会危害电网和设备，系统更加稳定可靠。
[0037]图1为实施方式中的单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置中各部分连接示 意图。[0038]图2为实施方式中的控制方法流程示意图。[0039]图3为实施方式中的变步长扰动观察最大功率跟踪算法流程图。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保 护不限于此。[0041]如图1所示单级式光伏并网逆变系统的主电路由太阳能电池板(图中多个平行 四边形所示)、母线电容、逆变桥、滤波电感和电网组成。控制装置的目标是实现逆变器输 出的电流是与电网电压同频同相的正弦波。控制电路包括一个DSP控制器，采用TI公司 的DSP-TMS320LF2407A型控制器。控制外围器件接口如图1所示，主要包括采样电路、捕获 电路和驱动电路。主要运用到DSP控制器ADC采样模块、EVA/EVB事件管理模块、捕获模块 等。其他模块如看门狗、串口通信、指示灯模块都有用到，但不是控制的重点，属于本领域常 规技术，不再详细讲述。[0042]其中采样电路由直流母线电压采样电路、直流电流采样电路、电网电压采样电路、 并网电流采样电路四部分组成。采样电路的作用是获取系统运行的电压电流数据，为控制 器运作准备数据。其中电网电压采样之后作为前馈环节，可以有效地减少电网电压对逆变 器输出的干扰。这里总共需用到4个ADC通道作为输入。[0043]捕获电路的作用是获取电网电压过零点的时刻点，从而计算出两个相邻电网电压 过零点的间隔时间，计算出电网电压的频率，从而使逆变器输出并网电流跟随电网电压的 频率；同时在过零点时刻令输出的电流相位为零，达到锁相的目标。锁频锁相在DSP控制器 中的具体做法是在电网电压过零点处计算电网电压频率，由于采用同步调制的方式，相应 地在并网电流产生单元修改三角波的频率即可修改并网电流参考值的频率，假设检测到此刻电网电压的频率为/ ，其中T1为相邻两次电网过零的时间间隔，假设同步调制比为 300，三角波的周期(即控制周期)为C = j =，根据这个等式可以通过修改三角波的Jc J 00 _./,周期改变并网电流的频率；程序中设定一个输出参考电流相位的正弦表，在电网电压过零 时刻，让正弦表的相位归到零，即实现锁相。[0044]三环控制包括最大功率跟踪外环、直流电压中环和并网电流内环。通过增加直流 侧电压环控制，保证系统在外界光照突然减小时能快速响应，在运行过程中直流母线电压 稳定，并网电流不畸变。[0045]单级式光伏并网逆变系统的三环控制方法，包括如下步骤[0046](I)通过电压采样和电流采样电路模块检测太阳能电池板的输出电压、太阳能电 池板的输出电流、电网电压、并网电流；[0047](2)利用DSP控制器(数字控制芯片)，依据步骤(I)中太阳能电池板电压、电流的 的参数得到的太阳能电池板的输出功率，与上一次太阳能电池板电压和功率数据比较，采 用变步长扰动观测最大功率跟踪算法计算直流母线输出参考电压；[0048](3)利用DSP数字控制芯片，依据步骤(I)的太阳能电池板的输出电压，与步骤(2) 中的直流母线输出参考电压作差得到误差电压值，经过一个PI环节可以计算出并网电流 参考值；[0049](4)由步骤(3)得到参考并网电流值和步骤(I)的并网电流作差比较，在DSP数字 控制芯片中经过一个PI比例积分运算得到误差值；得到的误差值与步骤(I)电网电压前馈 值相加得到下一个开关周期调制波信号；[0050](5)由步骤(4)得到的调制波信号经过三角波调制在DSP数字控制芯片计算得到 下一开关周期开关管的占空比，得到一组互补的PWM信号；[0051](6)由由步骤(5)得到的下一开关周期开关管的开通和关断时间信号送去驱动电 路进行功率放大再送至逆变桥对开关管进行控制。[0052]如图3，其中变步长扰动观察法包括以下几个步骤[0053]A、计算本周期太阳能电池板的输出电压UPV(k)和上个周期太阳能电池板的输出 电压 UPV(k_l)之差，Clu= Upv(k)-Upv(k_I)；[0054]B、计算本周期太阳能电池板的输出功率PPV(k)=UPV(k)*IPV(k)和上个周期太阳能 电池板的输出电压Upv (k-Ι)之差，dP=pPV(k)-Ppv (k-1)，保存Ppv (k)为下一周期作准备；[0055]C、根据步骤A、B得到屯、dP,计算变步长系数I^dpAlu,计算下一周期参考电压 Ifpv(k) =Ifpv(k-1)+k*step,其中 step 是一个步长常数。[0056]其中PWM信号的产生包括以下几个步骤[0057]a、根据参考电压值和实际电压值计算得到误差电压值ei (k) =Upv (k) -U*PV (k)[0058]b、误差电压经过PI比例积分环节的计算，得到并网电流参考幅值I,ef(k)= Iref (k-1) +Kp1 Le1 (k) -ei (k-1) ] +Kiiei (k)其中 Kp1 和 Kil 是工程整定的 PI 参数值。[0059]C、根据IMf(k)和步骤(I)电网电压的相位信息，得到Ilf(k)，与步骤(I)采样得到并网电流值作差得到误差电流e2 (k) =I*ref (k) -1，[0060]d、误差电流经过一个 PI 环节的计算得到 e3(k)=e3(k-l)+KP2[e2(k)-e2(k_l)]+Ki2e2 (k)，其中Kp2和Ki2也是工程整定值。[0061]e、得到的e3 (k)与电网电压前馈值相加得到PWM正弦信号参考值 e4(k) =e3(k) +KN*uN，其中Kn是一个常数与逆变器增益有关(即逆变器增益的倒数)，Un是电网电压瞬时值。[0062]f、采用双极性调节和规则采样法，得到开关的导通时间
权利要求1.一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置，其特征在于包括采样电路、捕获电路、DSP控制器和驱动电路，采样电路与DSP控制器连接，捕获电路与DSP控制器连接，DSP控制器输出与驱动电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置，其特征在于所述采样电路由直流母线电压采样电路、直流电流采样电路、电网电压采样电路、并网电流采样电路四部分组成。
3.根据权利要求2所述的一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置，其特征在于直流母线电压采样电路的输入接太阳能电池板输出电压，直流电流采样电路的输入接太阳能电池板输出电流，电网电压采样电路的输入接电网电压，并网电流采样电路的输入接逆变器输出电流；采样电路输出都接入DSP控制器；DSP控制器输出一组互补的PWM信号，接到驱动电路进行功率放大，驱动电路输出的信号接到逆变桥对开关管进行控制。
4.根据权利要求1任一项所述的一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置，其特征在于所述DSP控制器采用DSP-TMS320LF2407A型控制器。
专利摘要本实用新型公开了一种单级式光伏并网逆变系统的三环控制装置。控制装置包括采样电路、捕获电路、DSP控制器、驱动电路等，DSP控制器产生的信号经过驱动电路放大送至逆变桥驱动开关管。三环控制包括最大功率跟踪外环、直流电压中环和并网电流内环。通过增加直流侧电压环控制，保证系统在外界光照突然减小时能快速响应，在运行过程中直流母线电压稳定，并网电流不畸变；所述最大功率跟踪方法采用变步长扰动观察法，使系统运行在不同的电压点从而快速搜索到最大功率点。本实用新型的控制方法能够实现单级式光伏并网逆变系统在光照频繁变化时快速跟踪到最大功率点且稳定运行。
文档编号H02M7/5395GK202872384SQ20122035921
公开日2013年4月10日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者杨苹, 陈红生 申请人:华南理工大学