一种抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电能变换装置中的控制技术领域，特别是一种抑制光伏并网发电系统 输入电流脉动的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 光伏电池组件通过光伏并网发电系统将直流电转变成交流电，并最终实现并网运 行。光伏并网发电系统有两个基本功能：一是将光伏电池组件的输出转换为交流电连接到 电网，二是实现光伏电池组件的最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT)。 光伏并网发电系统直接影响到整个太阳能光伏发电系统的发电量及运行稳定性、高效性、 安全性，是整个系统的关键设备。在中低功率场合，一般采用两级式单相光伏并网发电系 统，其输入功率相对平直，而输出功率是脉动的，该功率脉动频率较低，是输出电压频率的 两倍，需要母线电容来平衡瞬时输入功率和输出功率，母线电容电压即直流母线电压以两 倍工频频率脉动，而两级式单相光伏并网发电系统中，其前级升压（Boost)变换器的MPPT 控制和后级DC/AC变换器的控制（包含直流母线电压平均值控制和并网电流控制）是独 立的，因此Boost变换器的输入电流即光伏电池组件的输出电流也以两倍工频频率脉动， 该脉动不仅降低了MPPT跟踪精度，也会恶化电磁干扰（ElectroMagneticInterference, EMI)和光伏电池的发热，进而影响电池的寿命。现有的技术依赖主功率电路参数和主电路 的功率等级，或者通过增加格外的储能变换器来实现输入电流脉动抑制，方法比较复杂，且 可靠性比较低。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于直流母线电压反馈的抑制光伏并网发电系统输 入电流脉动的装置及方法，能够减小输入侧的电流低频脉动，提高MPPT跟踪的精度，提高 EMI性能，从而减少光伏电池组件的发热并延长其寿命。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的 装置，该装置基于直流母线电压反馈实现输入电流脉动抑制，具体包括Boost变换器和DC/ AC变换器组成的两级式主功率电路、AD采样电路、数字处理控制模块、带通滤波器、驱动电 路、辅助供电电路、显示单元，其中数字处理控制模块包括MPPT计算单元、加法器、补偿单 元和逆变控制单元；
[0005] 所述光伏并网发电系统的主功率电路包括顺次并联的光伏电池组件、Boost变换 器、母线电容Cd、DC/AC变换器和电网源Vci ;其中主功率电路中光伏电池组件的输出电压和 电流、直流母线电压、DC/AC变换器的输出电压和电流均接入AD采样电路，AD采样电路的输 出端分别接入MPPT计算单元、带通滤波器和逆变器控制单元；带通滤波器的输出端接入补 偿单元;MPPT计算单元、补偿单元的输出端分别接入加法器的两个输入端，加法器的输出 端通过驱动单元接入Boost变换器；逆变器控制单元的控制输出端通过驱动单元接入DC/ AC变换器；所述辅助供电电路的输出端分别接入驱动单元、AD采样电路、数字处理控制模 块、显示单元的电源输入端；所述显示单元与数字处理控制模块的通信端相连接。
[0006] -种抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的方法，该方法基于直流母线电压反馈 实现输入电流脉动抑制，包括以下步骤：
[0007] 步骤1，在数字处理控制模块中创建MPPT计算单元、补偿单元、加法器和逆变器控 制单元；
[0008] 步骤2,AD采样电路采集主功率电路中光伏电池组件的输出电压和电流输入到 MPPT计算单元，采集主功率电路中光伏电池组件的输出电压和直流母线电压输入到补偿单 元，采集直流母线电压输出量经过带通滤波器后输入到补偿单元，采集直流母线电压、DC/ AC变换器的输出电压和电流输入到逆变器控制单元；
[0009] 步骤3,数字处理控制模块的MPPT计算单元根据AD采样电路的光伏电池组件输 出电压电流反馈信号进行最大功率跟踪运算，输出前级Boost变换器的最大功率占空比 Dmppt;
[0010] 步骤4,数字处理控制模块的逆变器控制单元根据AD采样电路的反馈信号进行比 较运算，处理得出光伏并网发电系统后级DC/AC电路当前的占空比D，实现后级的闭环控 制；
[0011] 步骤5,补偿控制单元将采集到的光伏电池组件的输出电压、直流母线电压以及直 流母线电压经带通滤波器后的两倍工频电压分量进行运算，得到前级Boost变换器最大功 率占空比Dmppt的补偿占空比D"pple，经加法器对步骤3中输出的前级Boost变换器最大功率 占空比Dmppt进行调整，得到前级Boost变换器的当前占空比d实现前级的MPPT闭环控制， 公式如下：
[0012] d-DMPPT+Dripple
[0013] 步骤6,数字处理控制模块将所得光伏并网发电系统的输入、输出值送入显示单元 实时显示。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)能够实时调整前级Boost电路的控制 占空比，不增加额外的硬件成本，不依赖于主功率系统参数和功率等级；(2)方法简单可靠 且容易数字实现，能够减少或完全抑制输入侧的电流低频脉动，提高MPPT跟踪的精度，改 善EMI性能；(3)减少了光伏电池的发热并延长其寿命，具有重要的工程应用价值。
【附图说明】
[0015] 图1是两级式单相光伏并网发电系统的主功率电路图。
[0016] 图2是两级式单相光伏并网发电系统及其控制电路示意图。
[0017] 图3是两级式单相光伏并网发电系统开关周期中输入电压、输入电流、母线电压 的仿真工作波形图，其中（a)是输入电流脉动抑制前输入电压Vpv、输入电流ipv、直流母线电 压Vd波形图，（b)是输入电流脉动抑制后输入电压Vpv、输入电流ipv、直流母线电压Vd波形 图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0019] 本发明提供一种基于直流母线电压反馈的抑制光伏并网发电系统输入电流脉动 的装置及方法。
[0020] 1、传统的两级式光伏并网发电系统的理论推导：
[0021] 如图1所示，定义电网电压Vci(t)为：
[0023] 其中V。是电网电压的有效值，《是电网电压的角频率，t为时间。
[0024] 当输出功率因数为1时，输入到电网的电流ta)可表示为：
[0026] 其中I。是电网电流的有效值。
[0027] 由式⑴和⑵可以推出输出到电网的瞬时功率pjt)为：
[0029]Boost变换器的输出功率pd(t)为：
[0030] Pd(t)=Vdid =Vd(Id-icd(t)) (4)
[0031] 其中：Vd是直流母线电压的平均值，Id是Boost变换器的输出电流的平均值， Ut)是流过母线电容的瞬时电流。
[0032] 为了使光伏并网发电系统工作在最大功率点，则其输入电流即光伏电池组件输出 电流无两倍工频脉动，则由一个工频周期内DC/AC变换器的输入输出功率平均值相等可 得：
[0033]Pd=VdId=P0=V0I0 (5)
[0034] 式中，Pd是Boost变换器输出功率的平均值即DC/AC变换器输入功率的平均值，P。 是DC/AC变换器输出到电网功率的平均值。
[0035] 由式⑷可以知Boost变换器输出电流的平均值Id为：
[0044] 其中：Vd是直流母线电压的平均值，Vpv是光伏电池工作在最大功率点时输出电压 的平均值。
[0045]而
[0047]其中，vd(t)是直流母线电压的瞬时值，Dmppt是前级Boost变换器最大功率的占空t匕，D"pple是前级Boost变换器最大功率占空比Dmppt的补偿占空比。
[0056] 其中Ipv是光伏电池组件输出电流的有效值。
[0057] 由式（13)和（14)可以推出输出到Boost变换器的瞬时功率pin(t)为：
[0061] 假设电路的效率为100%，那么其工频周期内整个光伏系统的平均输入功率等于 输出功率。由式（5)和（16)可得：
[0062] Pin=VpvIpv =P0=V0I0 (17)
[0063] 当输入功率因数为1时，在半个工频周期内，当瞬时输入功率大于输出功率时，母 线电容Cd充电；当瞬时输入功率小于输出功率时，母线电容Cd放电。因此，母线电容Cd在 半个工频周期中储存能量的最大差AE为
[0067] 其中AVd为母线电容Cd纹波电Svd的峰峰值。
[0068] 由式（18)和（19)可得母线电容Cd与其纹波电压峰峰值AVd、电压平均值Vd的关 系为：
[0072] 基于式（21)，可以得到基于直流母线电压反馈的光伏并网发电系统输入电流脉动 抑制技术。
[0073] 2、本发明基于直流母线电压反馈的抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的装置 及方法
[0074] 结合图2，本发明是抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的装置，该装置基于直流 母线电压反馈实现输入电流脉动抑制，具体包括Boost变换器和DC/AC变换器组成的两级 式主功率电路1、AD采样电路2、数字处理控制模块、带通滤波器10、驱动电路7、辅助供电 电路8、显示单元9,其中数字处理控制模块包括MPPT计算单元3、加法器5、补偿单元4和 逆变控制单元6 ;
[0075] 所述光伏并网发电系统的主功率电路1包括顺次并联的光伏电池组件、Boost变 换器、母线电容Cd、DC/AC变换器和电网源V。；其中主功率电路1中光伏电池组件的输出电 压和电流、直流母线电压、DC/AC变换器的输出电压和电流均接入AD采样电路2,AD采样电 路2的