專利名稱：一種快速穩(wěn)定實現(xiàn)最大功率跟蹤的光伏三相并網控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種快速穩(wěn)定實現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤的光伏三相并網控制方法，屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)控制技術應用領域。

背景技術：
開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，對環(huán)境不產生和少產生污染，既是近期急需的補充能源，也是未來能源結構的基礎。因此研究如何實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制(MPPT)算法與光伏并網控制技術有機相結合，使光伏陣列在照度不同、溫度變化的環(huán)境下，光伏并網發(fā)電系統(tǒng)既可以快速追蹤到光伏陣列的最大功率工作點，并且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，同時使逆變器輸出的并網電流能夠滿足國際標準IEEE要求，而且不會對電網電壓造成諧波污染具有非常重要的意義。
光伏三相并網發(fā)電控制系統(tǒng)不需要儲能環(huán)節(jié)，通過一個二電平三相橋式的功率變換器，通過控制方式使光伏陣列發(fā)出的直流電轉換為交流電，通過功率變換器的三相輸出端與市電相連，向電網直接輸出電能，如同一個分布式發(fā)電站。傳統(tǒng)的控制方式較復雜，通常需要雙環(huán)控制電路，其中內環(huán)為電流環(huán)實現(xiàn)并網型光伏逆變器輸出電流與市電電壓同步輸出，外環(huán)為電壓環(huán)通過調節(jié)光伏陣列的輸出電壓跟蹤參考電壓實現(xiàn)光伏陣列并網，因為這兩個控制環(huán)之間必然存在著相互影響，很難準確鎖定光伏陣列的最大功率運行點，必然會因為功率的擾動從而造成許多功率的損失，另外傳統(tǒng)的光伏并網控制技術都是在每一個PWM載波周期末尾進行中斷采樣，根據(jù)采樣的數(shù)據(jù)進行一系列計算得到下一個載波周期的占空比，勢必造成控制滯后時間為一個載波周期，這樣將會給并網電流以及光伏并網保護方案造成一定的影響。
太陽能光伏陣列其電氣輸出特性具有很強的非線性特征，其輸出電壓電流受光照強度、環(huán)境溫度和負載情況影響。圖1清楚表明了一個300Wp光伏陣列隨著光照強度變化而變化的一組輸出電壓與功率關系曲線，同時該圖顯示了最大功率追蹤過程，而現(xiàn)有的常壓法、一階爬山法以及電導調制方法等最大功率點跟蹤控制技術，都難以做到快速、平滑地跟蹤光伏電池陣列最大功率工作點(MPP)，這些方法大都應用于獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，例如蓄電池充電控制系統(tǒng)，常壓法雖然可以應用于光伏并網控制系統(tǒng)，能夠滿足光伏并網系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，但是很難實現(xiàn)在不同的光照強度下實施最大功率跟蹤，從而會造成額外的功率損失。
當光伏陣列工作在最大功率點附近時具有如下關系式 其中B，C為 上式中Io為流過光伏電池模型中的二極管反向飽和漏電流，Isc為光伏電池模型負載兩端電壓為零時短路電流，q為電荷量1.6×10-19C，K為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K，T為光伏陣列的工作溫度，單位為K， A為二極管的理想常數(shù)； 當dP/dV＝0時，說明光伏陣列工作在最大功率點。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種優(yōu)化簡捷有效的最大功率點跟蹤控制算法(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)使光伏陣列在不同的光照及溫度變化的條件下輸出最大功率，提高光伏陣列的轉換效率，間接地降低系統(tǒng)成本；應用同步電流矢量PI控制方法實現(xiàn)對并網電流閉環(huán)控制，既能實現(xiàn)逆變器輸出與市電電壓同步的電流(功率因數(shù)為1)，又能解決光伏并網發(fā)電控制系統(tǒng)的并網電流對電網進行沖擊的問題；采用雙定時器方案，使控制滯后周期縮小到5微秒內，既提高了動態(tài)保護響應速度，又降低并網電流的諧波畸變率。
本發(fā)明的特點在于采用高速數(shù)字信號處理器，應用C語言動態(tài)定點算法，實現(xiàn)了光伏陣列最大功率跟蹤的同時使光伏并網電流完全與市電電壓同步，功率因數(shù)為1，對并網電流能夠完全實施閉環(huán)控制，不會對電網造成任何沖擊，提高了動態(tài)保護響應速度，運行安全可靠，對市電電壓無污染，并網電流諧波畸變率低于4％。該方法依次含有以下步驟 步驟(1).利用數(shù)字信號處理器采集a、b兩相電網電壓信號，利用公式uα＝ua，將其進行Clark變換，求得電網電壓旋轉角度θ。
步驟(2).利用數(shù)字信號處理器采集逆變器輸出a、b兩相并網電流信號，將其進行Clark變換，然后再利用步驟(1)求得的電網角度θ，利用公式id＝iαcosθ+iβsinθ，iq＝-iαsinθ+iβcosθ進行Park變換，將α、β相的電流信號轉換到與電網電壓同步的dq軸坐標系下的直流電流成份id，iq。
步驟(3).在實施步驟(1)、(2)的同時，采集光伏陣列直流輸出電壓、電流信號，并根據(jù)電壓、電流信號求得當前時刻光伏陣列的輸出功率，進一步求得當前時刻光伏陣列輸出功率與前一時刻輸出功率的差值ΔP，然后計算當前時刻光伏陣列輸出電壓與前一采樣時刻電壓的差值ΔV，計算ΔP/ΔV值。
步驟(4).根據(jù)步驟(3)計算的結果進行判斷 若，ΔP/ΔV＞0，則識別方向標志Sign置-1； 若，ΔP/ΔV＜0，則識別方向標志Sign置1； 若，ΔP/ΔV＝0，則識別方向標志Sign置0； 步驟(5).根據(jù)步驟(4)的判斷結果，按照下述公式計算當前時刻的Iref(k) Iref(k)＝Iref(k-1)+α×Sign 其中α為固定步長值，該值的大小根據(jù)數(shù)字處理器處理字長的范圍以及設定的AD采樣速度進行合理設置，一般取值范圍為1e-3至5e-5。
步驟(6).利用步驟(5)計算Iref(k)調節(jié)有功、將Iref(k)減去iq的值，經過一個PI調節(jié)器輸出得到與電網電壓同步旋轉坐標系統(tǒng)下的同步旋轉電壓矢量uq*成份，同時為了使逆變器輸出電流與市電電壓相位完全相同(功率因數(shù)為1)，將idref值設置為0減去反饋的id值(idret也可根據(jù)系統(tǒng)需要設置不同的值對本地電力系統(tǒng)進行無功補償)，經過另一個PI調節(jié)器輸出得到與電網電壓同步旋轉坐標系下的同步旋轉電壓矢量ud*成份。
步驟(7).利用步驟(1)所得到的電網角度θ和利用步驟(6)經過兩個PI調節(jié)器輸出得到的ud*，uq*經過Park逆變換，公式為，得到二相靜止坐標系下的uα*、uβ*； 步驟(8).利用步驟(7)所得到uα*、uβ*形成三相空間電壓矢量ua*、ub*、uc*，利用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812事件A處理模塊輸出6路PWM脈沖，經驅動接口電路驅動二電平逆變器，從而將光伏陣列發(fā)出的能量轉換為交流輸送到電網。
以上步驟中應用了TMS320F2812二個定時器，其中一個定時器用來進行AD采樣和數(shù)據(jù)處理得到二電平的三個橋臂合適的空間矢量占空比，另外一個定時器用來生成PWM載波周期形成空間矢量脈沖調制波(SVPWM)。
該方法在同步坐標系下通過PI的補償作用調節(jié)光伏并網逆變器輸出的有功電流iq實時跟蹤經過MPPT算法給定的參考電流Iref以使光伏陣列穩(wěn)定工作在最大功率點的同時，使并網輸出電流完全與市電電壓同步(功率因數(shù)為1)，當然也可根據(jù)本地負載的要求實現(xiàn)無功補償功能，因為該方案對并網電流進行了閉環(huán)控制，并網時對電網無沖擊影響。采用雙定時器方案既提高了動態(tài)響應保護速度，又改善了并網電流的波形。



圖1.光伏陣列P-V隨太陽照度變化以及最大功率跟蹤曲線，1-最大功率跟蹤曲線，2-光伏陣列P-V曲線，光照強度為700W/m2，3-光伏陣列P-V曲線，光照強度為1000W/m2； 圖2.光伏陣列并網控制系統(tǒng)結構拓撲圖； 圖3.ADC采樣周期以及PWM載波周期示意圖，4-PWM載波周期，5-AD轉換采樣時間，6-控制滯后時間； 圖4.最大功率跟蹤算法流程圖； 圖5.應用該發(fā)明實現(xiàn)了的三相光伏并網實驗波形圖，7-電網電壓，8-電網電流，9-光伏陣列輸出電壓、10-光伏陣列輸出電流。

具體實施例方式 本發(fā)明所述的具有最大功率點追蹤的三相光伏并網控制系統(tǒng)以圖2具體設計為例進行說明 1)太陽能光伏電池陣列太陽能光伏電池陣列是三相光伏并網系統(tǒng)的輸入，為整個系統(tǒng)包括控制電路提供電能。在白天光照條件下，太陽能電池陣列將所接收的光能轉換為電能，經二電平功率變換器將直流轉換為交流，將電能輸送到電網，天黑后，整個系統(tǒng)自動停止工作，利用繼電器使輸出端自動斷開脫網。
2)直流母線輸入電容主要起一定的濾波作用。
3)二電平三相橋式逆變器作為電能變換環(huán)節(jié)起著非常關鍵作用，通過控制電路所形成的6路空間矢量PWM波形驅動三相逆變器的相應6只IGBT，使光伏逆變器輸出與市電電壓同步的交流電流的同時實現(xiàn)光伏陣列最大功率輸出，提高了整個光伏系統(tǒng)的轉換效率。
4)濾波電感對逆變器輸出電流進行濾波。
5)傳感器信號采集電路板采用3只霍爾型電壓傳感器分別采集光伏陣列輸出電壓，電網A、B二相電壓信號，采用3只霍爾型電流傳感器分別采集光伏陣列輸出電流、逆變器輸出的A、B二相電流信號，所用這些信號都需要將其調理成0-3V之間，將此信號輸入至以TMS320F2812芯片為核心的控制板的AD采樣電路接口。
6)主控制電路板控制核心芯片為TMS320F2812，利用其片內AD模塊對經過傳感器電路板輸送進來的信號進行采樣，然后將信號進行復原，根據(jù)發(fā)明內容中所說明的步驟經過計算得到合適的SVPWM調制波形，生成占空比并由TMS320F2812片內PWM模塊形成PWM脈沖，通過驅動接口電路接入至相應的IGBT門極驅動電路。
權利要求
1.一種快速穩(wěn)定實現(xiàn)最大功率點跟蹤的光伏三相并網控制方法，其特征在于，該方法是在數(shù)字信號處理器DSP中依以下步驟實現(xiàn)的
步驟(1)，DSP采集市電電網的a、b兩相電壓并按公式uα＝ua，進行克拉克Clark變換，求出電網電壓矢量旋轉角度θ；
步驟(2)，DSP采集逆變器輸出端A、B兩相的電流信號，按步驟(1)的方法進行克拉克Clark變換得到iα，iβ，再利用步驟(1)得到的電網電壓矢量旋轉角度θ，按公式id＝iαcosθ+iβsinθ，iq＝-iαsinθ+iβcosθ進行Park變換，得到同步旋轉dq軸坐標系下的直流電流成份id，iq；
步驟(3)，在實施步驟(1)和步驟(2)的同時，采集光伏陣列直流輸出電壓、電流信號，并根據(jù)電壓、電流信號求得當前時刻k的光伏陣列的輸出功率，計算當前時刻k的光伏陣列輸出功率與前一采樣時刻輸出功率之差ΔP，再計算當前時刻k的光伏陣列輸出電壓與前一采樣時刻電壓的差值ΔV，計算ΔP/ΔV值；
步驟(4)，根據(jù)步驟(3)得到的不同ΔP/ΔV值，置識別方向標志Sign的值
若，ΔP/ΔV＞0，則識別方向標志Sign置-1，
若，ΔP/ΔV＜0，則識別方向標志Sign置1，
若，ΔP/ΔV＝0，則識別方向標志Sign置0；
步驟(5)，根據(jù)步驟(4)得到的Sign的值，按下式計算當前時刻k的光伏陣列輸出電流的參考電流Iref(k)
Iref(k)＝Iref(k-1)+α×Sign
α為設定的步長值，取值范圍為10-3至10-5之間；
步驟(6)，按以下步驟利用步驟(2)得到的直流電流成份iq調節(jié)q軸參考電壓uq*
步驟(6.1)， 計算Δiq＝Iref(k)-iq；
步驟(6.2)，把步驟(6.1)得到的Δiq輸入到第一個PI調節(jié)器，比例參數(shù)P范圍在0.01至0.3之間，積分參數(shù)在0.0001至0.016之間，得到同步旋轉坐標系下q軸電壓成分uq*；
步驟(7)，Idref(k)可以用來調節(jié)光伏逆變器輸出功率因數(shù)，當Idref(k)設置為0時，光伏逆變器輸出電流與電網電壓同相位，按以下步驟利用步驟(2)得到的直流電流成份id調節(jié)d軸參考電壓ud*
步驟(7.1)，計算Δid＝Idref(k)-id；
步驟(7.2)，把步驟(7.1)得到的Δid輸入到第二個PI調節(jié)器，比例參數(shù)P范圍在0.01至0.3之間，積分參數(shù)在0.0001至0.016之間，得到同步旋轉坐標系下d軸電壓成分ud*；
步驟(8)，利用步驟(1)得到的電網電壓矢量旋轉角度θ、將步驟(6)得到的uq*和步驟(7)得到的ud*進行Park逆變換，其公式為得到二相靜止坐標系下的uα*、uβ*；
步驟(9)，利用步驟(8)得到的uα*、uβ*，采用空間矢量SVPWM算法，經DSP處理形成6路PWM脈沖，通過接口電路驅動逆變器三個橋臂相應的電力電子開關器件，從而把光伏陣列發(fā)出的最大功率轉換為交流輸送到市電電網中。
全文摘要
一種快速穩(wěn)定實現(xiàn)最大功率跟蹤的光伏三相并網控制方法屬于光伏發(fā)電控制技術領域，根據(jù)光伏陣列當前時刻k與前一時刻的功率差ΔP及電壓差ΔV來判斷ΔP/ΔV之值，計算出光伏陣列發(fā)出最大功率時的Iref(k)，再用Iref(k)來調節(jié)與電網電壓矢量同步旋轉坐標系下的uq*，以及利用Idref(k)來調節(jié)與電網電壓矢量同步旋轉坐標系下的ud*，根據(jù)三相電網電壓矢量放轉角度θ，可得到6路空間矢量SVPWM脈沖序列，去控制逆變器以便在保證光伏陣列實現(xiàn)最大功率輸出跟蹤的前提下使光伏逆變器輸出電流與市電電壓相位相同，功率因數(shù)為1，也可根據(jù)本地負載要求調節(jié)Idref(k)，從而對功率因數(shù)進行調節(jié)，并網電流諧波畸變率低。
文檔編號G05F1/67GK101119031SQ20071010032
公開日2008年2月6日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權日2007年6月8日
發(fā)明者周德佳, 趙爭鳴, 趙志強, 博 馮, 晶 趙 申請人:清華大學