光伏发电系统智能控制

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1、光伏发电系统智能控制1·0摘要随着太阳能光伏发电的不断普及，太阳能光伏发电站的容量不断增加。提高光伏发电系统中电力电子装置效率、改善其输出特性以及引入并网发电技术成为光伏发电技术乃至整个新能源发电技术研究的重要内容。尤其是对于最新的无隔离光伏发电并网逆变技术，研究其逆变方式、并网算法等等，都具有相当大的现实意义。本文主要研究了无隔离光伏发电并网逆变系统的逆变方式、并网算法。将多电平拓扑和新式的调制策略引入太阳能光伏发电领域，结合单片机的优势，实现了采用单片机加大功率半导体元件的结构进行逆变的技术方案。太阳能光伏发电并网逆变系统

2、的硬件设计过程和电路功能的实现，并给出了硬件的性能测试数据。进一步分析了二极管箝位型三电平变流器运行工况，并建立了数学模型，在此基础上，根据控制自由度组合的思想对多电平变流器SPWM调制方法进行了分析。将多电平变流器开关频率优化及SPWM方法和载波交叠式SPWM方法相结合，实现了开关频率优化-载波交叠SPWM方法。该方法同时具有开关频率优化和载波交叠SPWM方法的优点：在较低开关频率下具有良好的谐波特性，并有效的提高了直流电压利用率。针对并网逆变原理及并网逆变器的特殊技术要求，并重点分析了光伏并网发电中比较特殊的两个难点：最大

3、功率点跟踪和孤岛效应的防止。2·0模拟控制系统中存在缺陷在逆变器的设计中，通常采用模拟控制方法，然而，模拟控制系统中存在很多缺陷，如元器件的老化及温漂效应，对电磁干扰较为敏感，使用的元器件数目较多；当工作点移动时（如太阳幅照度大范围变化）则无法保证优良的控制性能。典型的模拟PWM逆变器控制系统采用自然采样法将正弦调制波与三角载波比较，从而控制触发脉冲，但三角波发生电路在高频(20kHz)时容易被温度、器件特性等因素干扰，从而导致输出电压中出现直流偏移，谐波含量增加，死区时间变化等不利影响。3．0控制方案3·1在本系统中，因光伏

4、电池阵列输出电压由于光照强度的变化，而会出现较大范围的波动，所以要求逆变器能够在较大的直流电压变化范围内正常工作，而且要保证输出电压的稳定，因此对逆变器的控制要求也很高。3·2高速数字信号处理器(DSP)的发展，使光伏发电系统中逆变器的数字化控制成为可能。因其大部分指令可在一个指令周期内完成，因此可以实现较为复杂的先进控制算法，进一步改善输出波形的动态性能、稳态性能，并且可以简化整个系统的设计，使系统具有良好的一致性。3·3逆变器采用了电压型PWM整流器拓扑结构，具有功率因数可控、网侧电流，弦化、能量可双向流动等特点，具有优良

5、的控制性能。当光伏并网发电时，由于要求对光伏阵列进行最大功率点跟踪，因而逆变器必须具有快速的动态响应。另外，逆变器的数学模型呈非线性特征，常规的控制策略是采用线性化的控制方法，但该方法虽可采用线性控制理论进行控制器设计，但当工作点移动时（如太阳幅照度大范围变化）则无法保证优良的控制性能。为此，本文将非线性控制理论中的控制李业普洛夫函数方法引入光伏逆变器的设计中，设计了一种非线性控制器，直接对系统进行非线性控制，从而使系统具有良好的动态性能。另外，该方法还实现了线电流中有功和无功分量的独立控制。3·4逆变器的非线性模型光伏逆变器

6、的拓扑结构，如图1所示。3·5光伏逆变器的非线性，由于逆变器的控制目标是网侧电流正弦化，控制时，主要的控制目标是控制系统。采用电压霍尔对输出电压进行采样，采样周期为20kHz。电压霍尔输出信号经调理电路送入DSP模/数转换单元，并将转换结果暂存于DSP中，由此得到输出电压的反馈信息。将采样得到的反馈信息与给定正弦表的相应数据进行比较，得到偏差信号。将偏差信号及给定信号按一定的控制算法进行计算，就得到脉宽控制量。在本系统中，控制算法采用的是重复控制加PID控制的方法，前者保证输出波形的稳态性能，后者保证输出波形的动态性能。3·6

7、由该控制量可以计算出当前时刻SPWM波的占空比，使得输出波形的占空比按正弦规律变化，这样就得到了高频SPWM波。考虑到全桥逆变的上下桥臂不能直通，还必须在DSP的PWM口输出中加入相应的死区。死区的加入极为方便，只需软件编程时，对DSP内部的死区寄存器进行设置，其就会自动在已有的PWM波中加入死区，并且死区时间是可以通过对寄存器设置不同的值来调整的。高频SPWM波再通往驱动电路。由驱动电路产生的驱动脉冲控制功率开关管的通断，从而产生按正弦规律变化的SPWM波，然后再经LC滤波，去除高频分量从而得到正弦波输出电压。3·7多单元串

8、联大功率逆变电源的控制原理，提出了单个功率单元的二重化控制技术与水平移相式PWM技术相结合的控制方法，同时，对所研究的控制方法进行了仿真，并通过硬件实验进一步验证了控制原理及仿真结果的正确性3·8多电平逆变器在高电压、大功率方面得到越来越广泛的应用。多电平变换器有三种基本的拓