新能源与物联网 等譬 嚣 。穰 嚣誊 嚣 嚣嚣髯４§赣嚣 基于ＤＣＳ的光伏发电系统控制方法的研究与实现 陈术涛 ，程玉华 ，肖寅东 ，雷凯ｚ （１．电子科技大学自动化工程学院，成都６１００５４；２．Ｊ东方汽轮机有限公司，四川德阳６１８０１３） 摘要：由ＤＳＰ和上位机组成的控制系统具有很好的信号处理和实时控制能力，主控芯片ＤＳＰ对需要的直流电流、直 流电压信号进行采样和平滑处理，得到较为稳定的直流电流和电压采样结果，有利于光伏逆变器最大功率跟踪的实现。上 位机通过４８５总线发送命令控制由２台５ｋＶＡ光伏逆变器组成的并联系统，使各个单模块在最大功率跟踪和稳流工作模式 之间稳定转换。理论分析和实验结果表明该方法对并联系统具有较理想的控制效果。 关键词：光伏逆变器；并联；最大功率跟踪；稳流模式 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｃｈｉｅｖｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＰＶ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＣＳ ＣＨＥＮＳｈｕ－ｔａｏ ，ＣＨＥＮＹｕ－ｈｕａ ，ＸＩＡＯＹｉｎ－ｄｏｎｇ ，ＬＥＩＫａｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｏｎｇｆｎｇ ａＴｕｒｂｉｎｅ ＣＯ．，ＬＴＤ，Ｄｅｙａｎｇ ６１８０１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： ｅｐａｒａｌｌｅｌＰＶｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｉｓａｒｅａｌ－ｉｔｍｅｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．ｗｈｉｃｈｎｅｅｄａｖｅｒｙｈｉｇｈｒｅｑｕｉｔｅｏｆｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄｃｏｎｌｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ．１１１ｅ ｍｅｔｈｏｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ａｎｄ ＰＣ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆｐａｒａｌｌｅｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｇｅｔ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ ＤＣ ｃｕｒｒｅｎｔ ｎｄ ａｖｏｌｔａｇｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｆｔｅｒ ｓｍｏｏｔｈｅｄ ｂｙ ＤＳＰ，ｗｉｔｃｈ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｔｏ ｈｅ ｔｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏ１．ＰＣ ｓｅｎｄ ｃｏｍｍａｎｄｓ ｔｉｘｈｍｇｈｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｂｕｓ４８５ｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌ ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｗｏ５ｋＶＡＰＶｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｓｏｔｈａｔｅａｃｈ ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｕｌｅｃａｌｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｉｎ ｈｅｍａｘｉｔｍｕｍｐｏｗｅｒｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｔｈｅ ｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｍｏｄｅ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｎｖｅｒｉｔｅｒ；ｐａｒａｌｌｅｌ；ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ Ｉｒａｃｋｉｎｇ；ｓｔａｂｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ Ｕ引舌 １光伏逆变器ＤＣＳ控制方法设计 光伏逆变器ＤＣＳ采用多个单模块光伏逆变器共用 一当前，随着交流电源供电方式正由集中式向分布 式发展，光伏逆变器发电系统作为分布式发电的一种 组太阳能电池板的并联设计结构，系统的结构框图 也得到ｒ快速的发展。逆变器并联运行可实现大容量 供电和冗佘供电，是当今逆变技术发展的重要方向之 一如图１所示。 。相对于单台人功率逆变器而言，采用多台逆变器并 联组成的并网发电系统不仅可以达到同样的扩大供 电系统容量的效果，而且从根本上火大提高系统的灵 活性和可靠性。同时光伏逆变器并联发电系统具有成 本低、易维护、效率高、稳定性好、冗余供电能力强等优 点。 对基于多模块逆变器并联的光伏发电ＤＣＳ进行了 研究，采用上位机和ＤＳＰ￣Ｍ互通信的方式实现ＸＣＤＣＳ的 控制。通过原理分析和实验结果证明：该控制方案效果 良好；各模块既可并联工作又可单独运行，系统冗余性 好且工作效率得到较大提高。 作者简介：陈术涛（１９８５一），硕士，研究方向为测试计量技 术及仪器。 图１并联系统结构框图 各模块输入的能量全都由同一组太阳能电池板 提供，输出都直接并网。同时各模块通过４８５总线与上 位机相连，上位机根据实际情况控制系统中的逆变器 工作模式。这种并联结构可以显著提高整体的工作效 率和使用寿命，很好地实现了各单模块之间以及模块 收稿日期：２０１０４）６－１８ 自动化应用 ２０１０ １１期８５ 新能源与物联网 与上位机之问的通信和控制。在系统运行时，某个逆变 器发生故障并不会影响到整体系统的运行，因此很好 １．２．１单模块的最大功率跟踪控制 最大功率跟踪控制是光伏逆变发电关键的技术 之一。最大功率跟踪的原理就是寻找最大功率点对应 的太阳能电池端电压或者电流，从而达到对最大功率 点的跟踪。太阳能电池阵列的特性曲线如图３所示。 地实现了整个集散系统的冗余性。 １．１输入电压、电流检测 对于任何一个ＤＣＳ来讲，信号的检测都无疑是整 个控制系统能否成功的关键。要实现对光伏发电ＤＣＳ 的各个单模块的理想控制，就必须对输入的直流电压 和电流进行准确的检测。为提高采样的精度，本系统采 用１ ８ｋＨｚ的采样频率对电压和电流进行采样。由于在实 际的控制中并不需要如此高的控制频率，所以对采样 的电压电流值可以进行平滑处理，从而减小了由干扰 带来的采样波动对整体控制的影响。具体的做法是通 过主控制芯片ＤＳＰ的ＡＤＣ模块得到频率为１ ８ｋＨｚ的采样 数据，根据系统控制策略的设计和要求，对每３６０个点 的采样数据进行运算求得平均值，得到以５ ０Ｈｚ频率变 化的的电压 。。和电流平均值，。 。 １ ３５９ ＝ ‘３６０ １ ３５９ ‘，。 ： ３６０厶‘ ， ／＇ｔ＝０其中 和， 分别为直流电压和电流在１８ｋＨｚ采样频 率下得到的值。 １．２系统控制软件设计 单模块逆变器ＢＯＯＳｔ电路的控制是ＤＣＳ设计的关 键。在系统运行过程中，每个单模块的ＢＯＯ Ｓｔ电路可工 作在最大功率跟踪和稳流２种工作模式下。Ｂｏｏｓｔ电路 如图２所示。 图２光伏逆变器ＢＯＯ ｓｔ电路原理图 ＤＳＰ输出的控制信号ＰＷＭ波控制开关管Ｖ的开通 和关断， 为ＰＷＭ波占空比，开关周期为 。开通时问 为：ｔｏ ＝Ｄ 关断时间为：ｔｏ ：（１一Ｄ）Ｔ。 Ｂｏｏｓｔ电路有储能和放电２个工作过程。储能时Ｌ中 的电流增量为： Ａ／，＝ 。 ＝ ｔｏ Ｄ Ｌ Ｌ 放电时Ｌ中的电流减小量为： 墨ｆ０ｆｆ：一 墨（１一Ｄ）Ｔ ８６ ＷＷＷ．ａｕｔｏ—ａｐｐｌｙ．ｃｏｒｎ 自动化应用 图３太阳能电池输出ｕ一』和ｕ—Ｐ特性曲线 采用的最大功率跟踪方法为电压扰动法。当前功 率点在最大功率点左边时，ＢＯＯＳｔ电路的开关控制信号 占空比Ｄ减小，减小回路电流，使功率点向右扰动：当 功率点在最大功率点右边时，ＢＯＯｓｔ电路的开关控制信 号占空比Ｄ增加，增大回路电流，使功率点向左扰动。 以此控制电池板的输出的功率为最大功率点。 １．２．２单模块的稳流模式控制 逆变器稳流工作模式需要一个稳定的电流参考 值，所以光伏发电ＤＣＳ需要一台上位机对系统进行整 体控制。上位机通过４８５总线给并联系统中要工作在稳 流模式的逆变器传送稳定的电流参考值。当ＤＳＰ采用 得到的实际电流值小于参考值时，控制ＢＯＯＳｔ电路的开 关控制信号占空Ｉ：ＬＤ增加，增大回路电流；当ＤＳＰ采用 得到的实际电流值大于参考值时，控制ＢＯＯＳｔ电路的开 关控制信号占空比Ｄ减小，减小回路电流。最终达到控 制逆变器输入电流稳定的目的。 １．２．３ ＤＣＳ软件算法 该系统通过控制单模块逆变器工作模式转换的 方法实现对并联系统的控制。系统上电后开始只有一 台逆变器模块工作，该模块工作在默认的最大功率跟 踪模式下，当输入达到额定功率时，主控芯片ＤＳＰ将控 制该逆变模块进入稳流工作模式。如果此时太阳能电 池板仍然有足够的能量输出，则上位机将开启下一台 逆变模块。新开启的逆变器工作后会影响到整个系统 的输入电压和电流，所以工作在稳流模式的逆变器将 受到影响而偏离额定功率点。因此，当新开启的逆变器 输人达到额定功率或工作在最大功率点时，上位机会 控制前一台或几台逆变器再次进入最大功率跟踪模 新能源与物联网 式，直到它们输入功率稳定在额定功率点。这样就保证 了当要开启下一台逆变器时，已经工作的逆变器输入 都达到额定功率，从而使整个系统稳定有序的运行。图 ４为光伏发电ＤＣＳ的控制流程图。 图５电网电压及逆变模块１、２的并网电流波形 助于上位机来完成。经过理论分析和实验结果证明，运 用ＤＳＰ和上位机相结合的方法可较好地实现对光伏逆 变器并Ｄｃｓ的控制。该方法具有以下特点： （１）并联模块共用一组太阳能电池板，相对十单逆 图４ ＤＣＳ的控制流程图 变系统减少了直流输入连线和并网连线，在增加系统 供电容量的同时减少了导线的使用和安装的繁杂。 ２实验结果 （２）并联系统的单模块能很好地实现并网发电功 根据上述研究设计，用２台５０００ＶＡ光伏逆变器模块 能，并且并网电流控制效果良好。 组成并联系统，分别在不同输入情况下进行实验。 （３）各个单模块完全等位且控制相对，模块与 设定单模块的额定输人功率为５００ＶＡ，分别进行２ 上位机之间的通信方便且可靠性高，能很好地适用于 次实验：第一次控制逆变模块ｌ工作在稳流模式而逆变 系统冗余设计。 模块２工作在最大功率跟踪模式；第二次控制逆变模块 （４）对单模块工作模式的控制使并联系统更好地 １工作在稳流模式而逆变模块２工作在最大功率跟踪模 适应太阳能电池板输出功率的变化，提高了系统的工 式。表ｌ为部分实验数据。图５为系统稳定时的电网电压 作效率。 及逆变模块１、２的并网电流波形。 参考文献 表１实验数据 ［１］刘风君．现代逆变技术及应用［Ｍ】．北京：电子工业出版 电池电池输入模块１模块２模块ｌ输模块２电Ｉ删模块１模块２ 社，２００６ 板电板电功率，输入电输入电人功率Ｉ输入功电并 电并＿娴电 ［２］罗佩．光伏并网逆变器最大功率跟踪研究及其实现【Ｄ］． 压ＩＶ流／Ａ ＶＡ 流／Ａ流／Ａ ＶＡ 率／ＶＡ压／Ｖ流／Ａ流／Ａ 成都：电子科技大学，２００９ １７８ ２ ５ ３６ ９５５．１ ２ ５ ２ ８ ４４２ ５０７ ２２０ １ ５５ １ ８６ ［３］龚春英，蒋渭忠，萧岚．基于ＤＳＰ控制的逆变器并联技 术研究【Ｊ】．数据采集与处理，２００２，１７（３）：５４—５７ ３结论 ［４］王胜东，秦娟英．基于ＤＳＰ的单相逆变器并联控制系统 系统地分析了光伏发电ＤＣＳ的控制要点和和方案 设计与实现…．电气应用，２００５，２４（９）：５８—６０ ［５］王敏，金新民，基于平均电流均流法控制的逆变器系统 设计。系统的每个单模块的逆变并网控制由Ａ身ＤＳＰ 并联技术研究【Ｊ］．电力机车与城轨车辆，２００５，２８（３）： 控制器完成，而对整个并联系统的控制则可以借 】８—２０ （上接第８４页） 参考文献 可：ｆ１］３ｋＨｚ，单管频率可相应提高。具体开关频率可根据 ［１】林渭勋．现代电力电子技术［Ｍ］．浙江：浙江大学出版 系统的ＴＨＤ选择合适的参数。驱动电压一般选择±１５Ｖ， 社，２００６ ［２】徐德鸿．电力电子系统建模及控制［Ｍ】．北京：机械．ｚ．－，Ａｋ 如果是ＩＧＢＴ单管，驱动电压一般选择＋１５ｖ￣Ｈ一６Ｖ。门极电 出版社，２００６ 阻一般为芯片数据手册中的测试电阻的１～２倍。门极 ［３】李爱文，张承慧．现代逆变技术及其应用［Ｍ］．北京：科学 电容一般为芯片的输入电容的５倍左右。上述驱动条件 出版社，２００９ 只是初期的一个参考，还要通过不断的实验和调试找 【４】王长贵．太阳能光伏发电实用技术【Ｍ】．北京：化学工业 出版祉，２００５ 出最优化的参数，使系统的各项指标达到一个满意的 ［５】曲学基，曲敬凯，于明扬．逆变技术基础与运用【Ｍ】．北 水平。 京：电子工业出版社，２００７ 自动化应用ｉ ２０１０ １１期 ８７
