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    重庆时时彩大底方法: 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.pdf

    关 键 词:
    级联 平光 并网 系统 最大 功率 跟踪 智能 控制 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201210548712.8

    申请日:

    2012.12.17

    公开号:

    CN103869872A

    公开日:

    2014.06.18

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G05F 1/67申请日:20121217授权公告日:20150805终止日期:20171217|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G05F 1/67申请日:20121217|||公开
    IPC分类号: G05F1/67 主分类号: G05F1/67
    申请人: 上海工程技术大学; 上海雷诺尔科技股份有限公司
    发明人: 曾国辉; 张秀彬; 陈国成; 陈国祥; 刘海珊
    地址: 201620 上海市松江区龙腾路333号
    优先权:
    专利代理机构: 上??剖⒅恫ù碛邢薰?31225 代理人: 宣慧兰
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201210548712.8

    授权公告号:

    |||||||||

    法律状态公告日:

    2018.12.07|||2015.08.05|||2014.07.16|||2014.06.18

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    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???、控制??楹偷缤槌傻募读嗟缙焦夥⑼低?,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??槎约读姹淦髦械拿扛瞿姹涞ピ苯蠵WM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。

    权利要求书

    权利要求书
    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???、控制??楹偷缤槌傻募读嗟缙焦夥⑼低?,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??槎约读姹淦髦械拿扛瞿姹涞ピ苯蠵WM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???,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??榈姆蠢⌒藕攀淙虢涌诹?;信号检测??榱用扛龉夥绯匕搴兔扛瞿姹涞ピ?,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dn和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:

    式中,Vg为电网的电压值,N为光伏电池板组所包括的光伏电池板数量,dn为 逆变单元的电压调制比,为第n个逆变单元输出电压幅值,ω为第n个逆变单元输出电压信号角频率,为第n个逆变单元输出电压信号初相位;
    直流侧电容的电压方程:
    In(p)-In=CdVn(c)dt]]>
    式中,为第n个逆变单元输入端电流或第n个光伏电池板输出电流值,p表示光伏电池板,In为第n个逆变单元输出电流值,C为逆变单元直流侧电容器的电容值;为出现在第n个逆变单元直流侧电容器上的电压值或第n个逆变单元输入端的电压值;
    逆变单元输入端和输出端的功率平衡关系方程:
    Vn·I=Vn(c)·In]]>
    式中,I为级联多电平光伏系统并网时输出的串联电流值,Vn为第n个逆变单元的输出电压值,为出现在第n个逆变单元直流侧电容器上的电压值或第n个逆变单元输入端的电压值。

    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=1。

    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1,调节逆变单元电压调制比的大??;
    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,当时,返回分步骤1;当时,执行分步骤4;式中,各个逆变单元直流侧电容的电压值,为所有逆变单元直流侧电容电压的平均值,ε为由实验确定的足够小的参数;
    分步骤4,处理获取临界平衡点,计算的值,并与电网中电压测点的实测电压值进行比较,当时,返回分步骤1;当时,返回步骤四,继续对级联多电平光伏并网系统的最大功率点进行跟踪;其中,σ为由电力系统标准确定的足够小的参数。

    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。

    说明书

    说明书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
    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
    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。
    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。
    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——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:
    (1)单个功率器件承受电压低,无需动态均压电路;
    (2)输出电平数多,波形得到改善;
    (3)开关频率低,电子开关器件损耗??;
    (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;
    (5)基于全桥电路结构,容易采用??榛楹侠赐卣瓜低辰峁?。
    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”?!爸绷鞑嗟缛莸缪共黄胶狻被岬贾缕骷脱共痪?,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。
    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MPPT。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?;痪浠八?,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。
    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。
    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。
    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占空比,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。
    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。
    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??樽槌?,多个??榇嗄姹淦髦械囊幌?,各??榈ゼ豆β时浠皇迪稚笛?、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???,各??榉⒌缍懒⒖刂?,实现分布式最大功率跟踪。由于“各??榉⒌缍懒⒖刂啤奔哟罅说缏方峁沟母丛有?,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
    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。
    本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
    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???、控制??楹偷缤槌傻募读嗟缙焦夥⑼低?,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??槎约读姹淦髦械拿扛瞿姹涞ピ苯蠵WM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。
    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???、控制???、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??榈男藕攀涑鼋涌谟肟刂颇?榈姆蠢⌒藕攀淙虢涌诹?,控制??榈目刂浦噶钍涑鼋涌谟爰读姹淦鞯目刂浦噶钍淙虢涌诹?,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??榧觳饣袢〉姆蠢⌒藕磐ü湫藕攀涑鼋涌谑渲量刂颇?榈姆蠢⌒藕攀淙虢涌?,控制??楦莘蠢⌒藕旁怂憬刂浦噶罹淇刂浦噶钍涑鼋涌谑渲良读姹淦骺刂浦噶钍淙虢涌?,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。
    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。
    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。
    所述信号检测???,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??榈姆蠢⌒藕攀淙虢涌诹?。也就是说,信号检测??橥奔觳饷扛龉夥绯匕宓恼?、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。
    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:
    Σn=1NVn=LdIdt+IR+Vg]]>(公式一)
    其中,L为电网等效电感值;R为电网等效电阻值;Vg为电网电压值;Vn为第n个逆变单元输出电压值,它与第n个逆变单元输入电压值即对应的直流侧电容器上的电压值有逆变单元输入/输出电压方程如下:
    Vn=dn·Vn(c)]]>(公式二)
    其中,dn为逆变单元的电压调制比。
    直流侧电容器上的电压值,亦即第n个逆变单元输入电压值与逆变单元输入端电流又构成关系方程为:
    In(p)-In=CdVn(c)dt]]>(公式三)
    其中,C为逆变单元直流侧电容器的电容值;为出现在第n个逆变单元直流侧电容器上的电压值,c表示逆变单元直流侧电容器;既是第n个逆变单元输入端电流又是第n个光伏电池板输出电流值,p表示光伏电池板;In为第n个逆变单元输出电流值。n=1,2,...,N,N为光伏电池板组所包括的光伏电池板数量。
    第n个逆变单元输出电流值In又与级联多电平光伏系统并网时输出的串联电流值I构成逆变单元两端功率平衡关系方程为:
    Vn·I=Vn(c)·In]]>(公式四)
    当I=0时,进而从公式(一)和公式(二)能够获得如下方程:
    Vg=Σn=1NdnVn(c)]]>(公式五)
    因为能够表达为:
    (公式六)
    其中,为第n个逆变单元输出电压幅值;ω为第n个逆变单元输出电压信号角频率;为第n个逆变单元输出电压信号初相位。
    将(公式六)代入(公式五)得:
    (公式七)
    由(公式七)能够看出,的大小受限于光伏效应,属于不可控参数,因此只有通过对dn和的调节才能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,即两者的误差接近最小。
    步骤二确定逆变单元电压调制比dn的取值范围
    因为Vg为固定值,在追求(公式七)的临界平衡时,dn不能过大,否则会造成电平的减少和波形的失真,因此需要确定dn的调节范围,即|dn|≤D。D的值由实验确定,如:D=1,此时,-1≤dn≤1。
    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。
    步骤四直流侧电容电压平衡控制,包含以下分步骤:
    分步骤1,调节逆变单元电压调制比的大??;
    采用电压双环加电流环的控制方法,通过多个误差信号的叠加,得到逆变单元电压调制比信号dn。
    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,当时,返回分步骤1;当时,执行分步骤4;式中,各个逆变单元直流侧电容的电压值,为所有逆变单元直流侧电容电压的平均值,ε为由实验确定的足够小的参数;
    分步骤4,处理获取临界平衡点,计算的值,并与电网中电压测点的实测电压值进行比较,当时,返回分步骤1;当时,返回步骤四,继续对级联多电平光伏并网系统的最大功率点进行跟踪;其中,σ为由电力系统标准确定的足够小的参数。
    参数ε的值可取为0.01,参数σ的值可取为0.05。
    与现有技术相比,本发明对每个级联逆变器的每个逆变单元同时进行最大功率点跟踪控制,通过在PWM调节的基础上对每个逆变单元输入/输出电压调制比和直流侧电容电压进行调节,使得每个逆变单元输出波形失真度降到最低,使得光伏电池板组的输出功率达到最大值,最终获得级联多电平光伏并网系统的最大功率点跟踪。
    附图说明
    图1为本发明的各个步骤的流程图;
    图2为级联多电平光伏并网系统的结构图。
    具体实施方式
    下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
    实施例
    如图1所示,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1、级联逆变器2、信号检测???、控制???和电网5组成的级联多电平光伏并网系统,该系统的结构如图2所示,光伏电池板组1输出接口与级联逆变器2的电源输入接口连接,信号检测???的信号输出接口与控制???的反馈信号输入接口连接,控制???的控制指令输出接口与级联逆变器2的控制指令输入接口连接,级联逆变器2的电源输出接口与电网5输入接口连接。光伏电池板组1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2的电源输入接口,信号检测???检测获取的反馈信号通过其信号输出接口输至控制???的反馈信号输入接口,控制???经过对反馈信号的运算后,将控制指令经其控制指令输出接口输至级联逆 变器2控制指令输入接口,级联逆变器2的功率输出信号经其电源输出接口输送至电网5的输入接口。
    所述“反馈信号”,包括:每个光伏电池板正、负电极输出电压信号、每个逆变单元输出电压信号和电网侧电压信号。
    其中,光伏电池板组1由多个光伏电池板11~1N组成,N为光伏电池板组1所包含的光伏电池板数。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。再由多个光伏电池组的正、负输出端头对应并接以作为每个光伏电池板的正、负输出端头。多个光伏电池板11~1N排列在一起就构成光伏电池板组1,每个光伏电池板11~1N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11~1N的正、负输出端头分别与级联逆变器2中每个逆变单元21~2N的正、负输入端头对应连接。光伏电池板组1的输出接口是由每个光伏电池板11~1N的正、负输出端头并列而成。
    级联逆变器2由多个逆变单元21~2N构成,N为级联逆变器2所包含的逆变单元数。每个逆变单元21~2N的正、负输入端头分别独立地与光伏电池板11~1N的正、负输出端头对应连接,即由每个逆变单元21~2N的正、负输入端头并列构成级联逆变器2的电源输入接口。每个逆变单元21~2N的输出端头相互串联,即第一个逆变单元21的左输出端头连接第二个逆变单元22的右输出端头,第二个逆变单元22的左输出端头连接第三个逆变单元23的右输出端头,以此类推,倒数第二个逆变单元2(N-1)的左输出端头连接最后一个逆变单元2N的右输出端头,最终以最后一个逆变单元2N的左输出端头和第一个逆变单元21的右输出端头为级联逆变器2的两个输出端头。
    信号检测???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11~1N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21~2N输出端头连接,输入接口的电网电压信号输入端头与电网5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???的反馈信号输入接口连接。通过这种连接信号检测???除了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。
    本发明的最大功率点跟踪的智能控制方法的具体步骤如图1所示,包括
    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。
    通过逆变单元21~2N输入端电流/电压方程、输入/输出电压方程、两端功率平衡关系建立级联多电平光伏系统输出端电流/电压方程:
    由于级联多电平光伏并网系统输出端电流/电压方程如下:
    Σn=1NVn=LdIdt+IR+Vg]]>(公式一)
    其中,L为电网等效电感值;R为电网等效电阻值;Vg为电网电压值;Vn为第n个逆变单元输出电压值,它与第n个逆变单元输入电压值即对应的直流侧电容器上的电压值有逆变单元输入/输出电压方程如下:
    Vn=dn·Vn(c)]]>(公式二)
    其中,dn为逆变单元的电压调制比。
    直流侧电容器上的电压值,亦即第n个逆变单元输入电压值与逆变单元输入端电流又构成关系方程为:
    In(p)-In=CdVn(c)dt]]>(公式三)
    其中,C为逆变单元直流侧电容器的电容值;为出现在第n个逆变单元直流侧电容器上的电压值,c表示逆变单元直流侧电容器;既是第n个逆变单元输入端电流又是第n个光伏电池板输出电流值,p表示光伏电池板;In为第n个逆变单元输出电流值。n=1,2,...,N,N为光伏电池板组所包括的光伏电池板数量。
    第n个逆变单元输出电流值In又与级联多电平光伏系统并网时输出的串联电流值I构成逆变单元两端功率平衡关系方程为:
    Vn·I=Vn(c)·In]]>(公式四)
    当I=0时,进而从(公式一)和(公式二)能够获得如下方程:
    Vg=Σn=1NdnVn(c)]]>(公式五)
    因为能够表达为:
    (公式六)
    其中,为第n个逆变单元输出电压幅值;ω为第n个逆变单元输出电压信号角频率;为第n个逆变单元输出电压信号初相位。
    将(公式六)代入(公式五)得:
    (公式七)
    由(公式七)能够看出,的大小受限于光伏效应,属于不可控参数,因此只有通过对dn和的调节才能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,即两者的误差接近最小。
    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。因为Vg为固定值,要使(公式七)达到临界平衡,dn就不能不能过大,否则会造成电平的减少和波形的失真,因此需要确定dn的调节范围,即|dn|≤D。D的值由实验确定,本实施例中,令D=1,此时,-1≤dn≤1。
    步骤三,控制??椴捎胐sPIC33FJ64MC506芯片,对每个逆变单元同时进行同一个PWM信号下的占空比调节。
    dsPIC33FJ64MC506芯片是Microchip公司推出的新型16位高性能数字信号控制器。它结合了单片机的控制优点及数字信号处理器(DSP)的高速运算特性,为嵌入式系统提供了单一芯片解决方案。它继承了PIC单片机系列的哈佛总线结构和精简指令集(RISC)技术,以及寻址方式简单、运行速度快、功耗低、动能力强,同时集成了主板级的DSP功能,能够提供强大的数字信号处理能力。此外,还提供了如UART、CAN、SPI等丰富的外围接口,可以方便地与其他设备进行通信互联。同时,dsPIC33F采用一个16位的哈佛结构处理器和增强指令集,其中包括对数字信号处理的支持。其CPU拥有24位指令字,一个可变长度的操作码字段。程序计数器PC为24位宽,最低有效位是0,除一些特殊指令外,在程序正常执行中总是忽略其最高有效位。因此,程序计数器PC可以寻址4M的用户存储器空间,最高寻址可达4M×24的用户存储空间。但周期指令预取机制用来帮助维持吞吐量并提供可预测的执行。除改变程序流的指令、双字移动指令和表读表写指令外,所有指令都在单个周期内完成执行。使用DO和REPEAT指令支持无开销的程序循环结构,在任何时候都可以中断这两个指令的执行。
    步骤四,直流侧电容电压平衡控制,包括:分步骤1,调节逆变单元电压调制比dn的大??;分步骤2,调节逆变单元直流侧电容电压的平衡;分步骤3,比较与的大??;分步骤4,寻求并网的临界平衡。其中:
    分步骤1,同样由dsPIC33FJ64MC506芯片作为软件载体,采用电压双环加电流环的控制方法,通过多个误差信号的叠加,得到逆变单元电压调制比信号dn。
    分步骤2,首先通过电压内环控制将各个逆变单元输入侧电容电压值与所有逆变单元输入侧电容电压的平均值进行比较,把得到的误差信号用于调整相应逆变单元的初始相位致使其直流侧电容电压值发生相应变化。其次,将输出电压值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。与此同时,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,用于保持电容电压值和补偿功率损耗。
    分步骤3,当时,返回分步骤1,继续执行相应运算;当|V‾(c)-Vn(c)V‾(c)|0.01]]>时,执行以下的分步骤4。
    分步骤4,计算的数值,并与电力网的实测电压值进行比较。
    当时,返回分步骤1,继续执行相应运算;当时,返回步骤四,继续执行对级联多电平光伏并网系统的全程控制。
    实施结果证实:
    (1)本发明对每个逆变单元同时进行MPPT控制,能够确保每个逆变单元的输出电压具有同样的占空比,因此能够为每个逆变单元的直流侧电容电压平衡建立了进一步的调节基础。
    (2)通过对每个逆变单元输入/输出电压调制比和直流侧电容电压的调节,使得每个逆变单元输出波形失真度降到最低。
    (3)最终获得“级联多电平光伏并网系统的最大功率点跟踪”达到极佳的效果,即光伏电池板组的输出功率达到最大值。

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    本文标题: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.pdf
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