一种两级式光伏并网发电系统及中间直流侧电压稳定方法与流程

本发明属于新能源发电技术领域，更具体地说，涉及一种两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压稳定方法或者说降低中间直流侧电容容量的方法。

背景技术：

随着能源危机的日益加剧和环保意识的提高，绿色可再生能源发电成为各国研究应用的重点。其中，太阳能光伏发电凭借其具有取之不尽、用之不竭和无污染的优点，成为各国专家学者的研究热点，建设大规模光伏并网发电系统是未来可再生能源发展的必然趋势。

光伏并网发电是太阳能应用的重要方式之一。目前，中小功率等级的光伏并网发电技术在工程应用中，大多采用两级式拓扑结构。前级采用DC/DC升压、后级采用DC/AC逆变，实现并网发电控制。此时，对DC/DC与DC/AC的解耦，常常是通过中间并联电解电容来解决。该电容被用来稳定直流电压的波动，维持前、后级功率的平衡。

引入解耦电容后，对其电压的稳定就变得极为重要。现今稳压的方法主要从硬件和软件控制两个方面考虑，硬件上通常是增大电解电容的容值，采用很多电解电容进行串并联。软件控制方面主要有基于后级的电压电流双闭环控制进行稳压控制和基于前级的直流变换器(升压、降压电路)稳压控制两种控制策略。

由于采用众多的电解电容进行串并联，会使得逆变器体积和成本上升，另一方面，故障率也随之上升。因此，众多专家开始从软件控制方面来研究新的控制策略以降低电解电容的数量。

基于前级直流变换器稳定中间直流侧电压的控制原理为：在系统运行过程中，前级从光伏电池组件输入电压，通过DC/DC变换可以快速实现中间直流电容电压的稳定控制。但是，这种控制方式并网工作时，需要在后级DC/AC变换器中实现光伏电池组件的最大功率输出，以及满足并网电流与电网电压同频同相的要求，控制复杂，实现起来极为困难。同时，在给中间直流电容充电的过程中，并不能实现光伏组件的最大功率输出，造成能量浪费，导致该控制方式在两级式光伏并网发电系统中没有得到广泛应用。

基于后级电压电流双闭环控制稳定中间直流侧电压的原理为：在系统运行过程中，前级DC/DC电压变换主要实现且保持光伏电池组件的最大功率输出，向中间直流侧电容充电，而后级DC/AC光伏并网逆变器，则是当中间直流侧电容电压达到要求时，闭合继电器开始并网发电运行，后级DC/AC主要实现并网电流的控制，与前级实现最大功率点跟踪控制相互独立。然而，在这种控制方式中，并网逆变器输入、输出功率在并网运行初始阶段数值相差较大，而光伏电池组件以最大功率输出，远大于并网功率，前、后两级之间的有功功率并不能实现完全平衡，导致中间直流侧电解电容过冲，使得其电压值过高而影响其使用寿命；同时，还会威胁到后面逆变桥中功率器件的安全，进而降低整个光伏并网发电系统的使用寿命。此时，需要提高中间直流侧电容的耐压值或加大其容量，使电容更为平稳的缓冲能量。因此，在保持光伏并网发电系统高效运行的同时，稳定中间直流侧电压值极为关键。而目前暂时没有检索到公开的关于两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压稳定的技术方案。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明针对传统两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压值在并网初始阶段超调量大，导致中间直流侧电解电容损坏或者功率器件击穿等问题，提供了一种两级式光伏并网发电系统及中间直流侧电压稳定方法；本发明采用在电压电流双闭环控制外叠加功率闭环控制的光伏并网逆变器，使光伏并网发电系统在初始并网和稳态运行过程中不会产生并网冲击电流，中间直流侧电压值平稳上升且超调量小，运行过程安全可靠、实现简单，且不需要增加任何硬件成本。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压稳定方法，其步骤为：

步骤一、闭合空气开关，DSP及控制电路实现前级最大功率点跟踪，生成PWM信号送至升压电路，对中间直流侧电容器充电；

步骤二、DSP及控制电路判断电网的电压幅值和频率是否正常，以及中间直流侧电容器的电压是否达到并网要求；

步骤三、待步骤二所述电网的电压幅值和频率正常，以及中间直流侧电容器的电压达到并网要求，闭合继电器，并网逆变器通过电抗器与电网连接；

步骤四、步骤三结束后，DSP及控制电路对采集的光伏电池组件的电压与电流信号、中间直流侧电容器的电压信号、电网的电压和并网电流信号进行运算处理，将产生的SPWM信号输出至逆变器，进入并网初始阶段；

步骤五、DSP及控制电路判断光伏电池组件发出的功率与并入电网的功率差，所述功率差大于设定值时，在电压电流双闭环控制外附加功率闭环控制，直至功率差小于设定值，将功率闭环切除，光伏并网发电系统中间直流侧稳压采用传统的电压电流双闭环控制方式。

更进一步地，步骤一中DSP及控制电路通过控制升压电路的功率器件占空比，实现光伏电池组件的最大功率输出，且以该功率向中间直流侧电容器充电。

更进一步地，实现最大功率点跟踪的具体过程为：

(a)DSP及控制电路设定升压电路开关器件初始占空比为Dref，扰动步长为step以及每次步长的变化值为cons；

(b)DSP及控制电路通过电流传感器和直流电压检测电路对光伏电池组件输出电压U_pv、电流I_pv进行采样，求得输出功率与电压的变化量ΔP、ΔU；

(c)若ΔP≥0，为了快速趋近MPP区域，保持扰动步长不变；若ΔP<0，即表示步长过大超出最大功率工作点，此时以变化值cons为单位减小扰动步长；

(d)若ΔP×ΔU>0，表示扰动后系统运行于最大功率输出点左侧，保持扰动方向不变，减小占空比D；若ΔP×ΔU<0，表示扰动后系统运行于最大功率输出点右侧，应当降低光伏电池组件的工作电压，扰动方向与之前相反，增大占空比D；若ΔP×ΔU＝0，则停止扰动；

(e)重复步骤(b)、(c)、(d)进行反复寻找，直到扰动步长为零，最终实现最大功率点跟踪。

更进一步地，步骤二中DSP及控制电路实时检测中间直流侧电容器的电压值，待中间直流侧电容器的电压值达到340V时，即判断中间直流侧电容器的电压达到并网要求。

更进一步地，步骤四中DSP及控制电路预先存储由标准正弦波制成的离散表格，DSP及控制电路通过锁相获得电网电压的频率和相位值，并实时读取正弦波离散表格值，进而产生与电网电压同步的正弦SPWM信号。

更进一步地，步骤五的具体控制过程如下：

1)DSP及控制电路对采集的光伏电池组件的电压、电流信号以及电网的电压、并网电流信号进行计算，获得光伏电池组件实际输出功率与并网功率的差值；

2)将步骤1)获得的功率差值经过PI调节器后输出；

3)将步骤2)的输出值叠加到逆变器电压电流双闭环控制的电压外环参考值中；

4)将步骤3)生成的参考值与实际中间直流侧电容器的电压值做差，经过电压电流双闭环控制生成SPWM调制波。

本发明的一种两级式光伏并网发电系统，包括依次连接的光伏电池组件、空气开关、电解电容器、升压电路、中间直流侧电容器、逆变器、电抗器和继电器，电抗器通过继电器与电网相连；所述光伏电池组件回路中串联有电流传感器；所述电解电容器的两端直流电压、中间直流侧电容器的两端直流电压，分别通过电阻串联和线性光耦电路进行采样；所述电网与继电器之间的连接线路上串联有电流传感器；电网的两端还装有电压传感器；所述电压传感器和电流传感器的输出端经信号调理电路后均与DSP及控制电路的输入端连接；DSP及控制电路的输出端分别与升压电路、逆变器的输入端相连，DSP及控制电路通过MPPT运算输出PWM信号至升压电路，通过电流跟踪算法输出正弦PWM信号至逆变器，该DSP及控制电路同时控制继电器工作。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明提出的一种两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压稳定方法，创新的采用功率闭环控制，在整个系统运行中，中间直流侧电容器电压平稳上升，完全不会产生较大的过冲电压，极大程度的避免了功率器件损坏；

(2)本发明提出的一种两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压稳定方法，有效降低了中间直流侧电容器的冲击电压值及其电容值，进而在电路设计中可以选取容量更小、耐压值更低的电容，降低了系统的体积和成本；

(3)本发明提出的一种两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压稳定方法，对光伏电池组件输出能量的利用达到最大化，控制方便，实现简单，便于推广应用。

附图说明

图1是本发明中两级式光伏并网发电系统的结构示意图；

图2是本发明中两级式光伏并网发电系统的电路原理图；

图3是本发明实现最大功率点跟踪的流程图；

图4是本发明产生同步正弦调制波的原理示意图；图4中的(a)表示电网电压，图4中的(b)表示SPWM调制示意图；

图5是本发明中两级式光伏并网发电系统采用功率闭环调节的控制框图；

图6是两级式光伏并网发电系统采用传统的电压电流双闭环调节的控制框图；

图7是本发明并网电流与电网电压仿真波形图；其中，图7中的(a)为加入功率闭环控制的电压电流波形图；图7中的(b)为没有功率闭环控制的电压电流波形图；

图8是本发明中间直流侧电容电压的仿真波形图；其中，图8中的(a)是C＝475uF时，功率平衡控制条件下的仿真波形图；图8中的(b)是C＝475uF时，没有功率平衡控制的仿真波形图；图8中的(c)是C＝1000uF时，功率平衡控制条件下的仿真波形图；图8中的(d)是C＝1000uF时，没有功率平衡控制的仿真波形图；

示意图中的标号说明：

1、光伏电池组件；2、空气开关；3、电解电容器；4、升压电路；5、中间直流侧电容器；6、逆变器；7、电抗器；8、继电器；9、电网；10、DSP及控制电路。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例实现两级式光伏并网发电的系统结构如图1所示，该两级式光伏并网发电系统包括依次连接的光伏电池组件1、空气开关2、电解电容器3、升压电路4、中间直流侧电容器5、逆变器6、电抗器7和继电器8，电抗器7通过继电器8与电网9相连；所述光伏电池组件1回路中串联有电流传感器；所述电解电容器3的两端直流电压、中间直流侧电容器5的两端直流电压，分别通过电阻串联和线性光耦电路进行采样；所述电网9与继电器8之间的连接线路上串联有电流传感器；电网9的两端还装有电压传感器；所述电压传感器和电流传感器的输出端经信号调理电路后均与DSP及控制电路10的输入端连接；DSP及控制电路10的输出端分别与升压电路4、逆变器6的输入端相连，DSP及控制电路10通过MPPT运算输出PWM信号至升压电路4，通过电流跟踪算法输出正弦PWM信号至逆变器6，该DSP及控制电路10同时控制继电器8工作。

本实施例的一种两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压稳定方法，是发明人在对两级式光伏并网发电系统的研究和开发过程中设计的一种新方法。发明人指出，将光伏并网发电系统连接至电网时，对中间直流侧电容电压的控制是非常重要也是必不可少的环节。然而，由于传统的两级式光伏并网发电控制策略通常只是采用电压电流双闭环控制来稳定中间直流侧电容电压且实现并网电流与电网电压的同频同相，并没有对光伏电池组件输出功率与并网功率的不平衡进行实时控制。因此，在继电器闭合的并网逆变器初始运行阶段，并网电流由于软件延时和硬件电路呈现出感性而无法快速增加，在系统前后级之间会产生一个较大的瞬时功率差值，需要中间直流侧电容器缓冲，从而会导致该电容器过冲，产生较高的过冲电压。过冲电压可能导致中间直流侧电容器的损坏，甚至还会导致功率器件的损坏，给系统的安全运行带来巨大影响。

现有产品大多都是通过采用多个电解电容的串并联，组合成较大容量和耐压值的电解电容器组来缓冲前后级能量差，从而抑制过冲电压的。本发明结合理论知识和实践经验，创新性的采用了在电压电流双闭环控制外附加功率闭环的控制策略，快速增大并网电流幅值，实现前后级功率的动态平衡，减小对中间直流侧电容器的过冲电以稳定中间直流侧电压。在整个系统运行中实时判断前后两级之间的功率差，确定是否进行功率闭环调节，以保证中间直流侧电压值稳定在一个安全区域内，从而降低中间直流侧电容的容量和耐压值，并且极大程度的避免功率器件的损坏。

下面将对实施例中中间直流侧电压的稳压过程及工作原理进行具体描述。本实施例的稳压过程分为四个阶段，即前级电路实现MPPT给中间直流侧电容器充电阶段、中间直流侧电容电压值与电网异常判断阶段、并网运行初始阶段、并网运行稳定阶段。具体步骤为：

步骤一、手动闭合空气开关2，DSP及控制电路10通过运算调整升压电路4的开关器件占空比，实现MPPT控制，具体为：

(a)DSP及控制电路10设定升压电路4开关器件初始占空比Dref，扰动步长step以及每次步长的变化值cons。

(b)DSP及控制电路10通过电流传感器和直流电压检测电路对光伏电池组件1输出电压U_pv、电流I_pv进行采样，求得其输出功率与电压的变化量ΔP、ΔU。

(c)若ΔP≥0，为了快速趋近MPP区域，保持扰动步长不变；若ΔP<0，即表示步长过大超出最大功率工作点，此时需要以变化值cons为单位减小扰动步长。

(d)若ΔP×ΔU>0，表示扰动后系统运行于最大功率输出点左侧，保持扰动方向不变，减小占空比D；若ΔP×ΔU<0，表示扰动后系统运行于最大功率输出点右侧，应当降低光伏电池组件1的工作电压，扰动方向与之前相反，增大占空比D；若ΔP×ΔU＝0，则停止扰动。如此重复步骤(b)、(c)、(d)进行反复寻找，直到扰动步长为零，最终实现最大功率点跟踪，生成PWM信号送至升压电路4，对中间直流侧电容器5充电，其实现过程如图3所示。

步骤二、DSP及控制电路10判断中间直流侧电容器5电压是否达到给定工作电压值340V，同时判断电网9的电压幅值与频率值是否正常，即达到判断电网是否正常的国家标准；

步骤三、待步骤二所述的中间直流侧电容器5电压达到340V且电网9的电压幅值与频率值正常时，DSP及控制电路10控制继电器8闭合，将两级式光伏并网发电系统与电网9连接；

步骤四、DSP及控制电路10预先存储由标准正弦波制成的离散表格，DSP及控制电路10采用地址指针实时读取与电网9电压同相位对应的离散正弦表格值，对电网9电压与并网电流进行锁相控制，具体过程为：

DSP及控制电路10捕捉电网9电压过零点检测电路的上升沿，通过连续记录两次上升沿的计数器值，计算电网9的电压周期，调整并网电流周期，实现并网电流与电网电压同频；

在电网9电压过零点时刻，把给定正弦表指针置零，实现并网电流与电网电压初始相位相同；

用变量k记录初始相位相同次数，若k>11，即系统已经完成了11次同相，可以认为锁相完成，并将锁相完成标志位赋值为1。

DSP及控制电路10实时读取离散正弦波表格中与给定并网电流幅值相乘，得到并网电流给定值，与并网电流反馈值进行闭环调节，进而产生与电网9电压同步的SPWM信号输出至逆变器6中控制功率器件的工作，图4为本实施例同步正弦PWM波产生示意图。图4中的(a)表示电网电压，其中，e_s为电网电压信号，θ为其相位。图4中的(b)表示SPWM调制示意图，其中，载波采用等腰三角形波形，u_c为载波幅值；u_r＝Msin(ωt+θ)为正弦调制波(0≤M≤u_c)，整个正弦调制波的产生过程均由DSP及控制电路10来完成。

由于光伏并网发电系统初始并网阶段，光伏电池组件1仍以最大功率输出，并网电流不能突变，响应速度较慢，因此，需对并网初始阶段叠加功率控制，具体过程如下：

DSP及控制电路10通过读取电压、电流采样值，计算光伏电池组件1与并入电网9的功率差值，判断该功率差值的绝对值是否大于根据实际调试设定的参考值；

若上述功率差值大于设定参考值，则采用在电压电流双闭环控制外附加功率闭环的控制策略，增大并网电流给定值，其过程参见图5。此时，并网电流给定值大多由功率闭环调节器的输出产生，可实现中间直流侧电容电压的快速调节和并网功率的迅速增大，加快了系统的动态响应；

若上述功率差值小于等于设定参考值，则采用普通的电压闭环与电流闭环产生并网电流给定值，整个系统恢复到电压电流双闭环控制，进入后续运行阶段，其控制框图见图6。

本实施例中间直流侧电压稳定过程仿真实验结果参见图7与图8。如图7中的(a)和(b)所示，本实施例的稳压过程没有任何冲击电流。在相同控制条件下，加入功率闭环控制后，并网电流上升速度比普通电压电流双闭环控制要快。如图8所示，比较图8中电容值相等的(a)和(b)、(c)和(d)，增加功率调节，可以有效降低中间直流侧电容的过冲电压。

实施例1所述的一种两级式光伏并网发电系统中间直流侧电压稳定方法，采用在电压电流双闭环控制外附加功率闭环的控制策略，中间直流侧电容过冲电压较小，完全不会产生冲击电流，且光伏电池组件始终工作在最大功率点。同时，该控制策略实现简单，便于推广应用。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。