负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法及系统

技术领域

本发明属于新能源发电及变流器控制技术领域，具体涉及一种负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法及系统。

背景技术

在新能源发电技术中，光伏发电由于能源分布广泛，易于利用，因而备受关注。然而，光伏发电对于电网、储能和能量管理系统的高度依赖严重限制了其发展。光伏逆变器在太阳能的利用中十分重要，光伏阵列将太阳能转换为电能，逆变器控制其输出来满足负载要求，因此，对光伏阵列和变流器的合理控制可以更好地利用太阳能。

为了提高光伏阵列太阳能的利用率，变流器都以光伏阵列在特定环境下输出最大功率为目标来进行控制，但在孤岛微网中，这与源荷功率相匹配的原则相悖，同时为了使光伏逆变器主动支撑交流母线的电压和频率，最大功率跟踪应当被更加灵活的有功功率控制方法所取代。有功功率控制可以通过控制变流器来使得光伏输出功率与负载需求相匹配，不需要工作在最大功率点而是以跟踪负载功率需求来调节光伏的输出功率。

然而，尽管PI调节器可以跟踪在孤岛运行模式下光伏逆变器的功率点，但因为需要功率环和内环进行跟踪，它的响应速度会很慢，并且需要一个外部电源回路来跟踪工作点。因此，在负载功率波动时，需要一种更为方便、迅速的控制方式来跟踪光伏逆变器的功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法及系统，用于解决光伏逆变器在直流侧没有储能时无法实现源-网双侧功率适配的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法，包括以下步骤：

S1、利用电压电流双闭环控制得到d、q轴下的调制波M

S2、根据步骤S1得到的光伏逆变器的输出功率p

S3、当步骤S2得到的光伏逆变器的工作稳态值FlagStb<0，根据CountStb进行光伏阵列模态转换；

S4、根据步骤S3得到的光伏逆变器的工作状态确定光伏电流的控制指令值，计算得到光伏端口电流控制指令值i

具体的，步骤S1具体为：

S101、确定逆变器直流侧电压参考值U

S102、获取逆变器直流侧电压参考值U

S103、采样逆变器端口输出电压u

S104、根据无功功率Q、下垂系数k

S105、得到逆变器d、q轴参考输出电压u

进一步的，步骤S105中，逆变器三相调制波M

具体的，步骤S2具体为：

S201、光伏系统采样得到当前光伏阵列的输出电压u

S202、判断u

S203、判断Δu＝|u

S204、判断K

进一步的，步骤S204中，若K

当FlagMpp≥0，则令FlagStb＝1、FlagMpp＝1，并将此时的光伏端口电压u

进一步的，步骤S204中，若K

当p

当FlagMpp>0，令u

具体的，步骤S3具体为：

S301、获取光伏工作稳态值FlagStb和状态延时计数值CountStb，判断FlagStb大小；

S302、判断光伏的工作稳态值FlagStb是否大于0，若FlagStb≥0，令状态延时计数值CountStb＝0，切换结束；若FlagStb<0，则进入步骤S303；

S303、令CountStb＝CountStb+1，判断CountStb；若CountStb≤Tstb，Tstb为预先设置的延时时间值，令i

具体的，步骤S4具体为：

S401、在确定光伏逆变器的工作状态后，得到光伏电流的控制指令值；若光伏逆变器工作在稳定状态，FlagStb＝1，根据光伏阵列输出功率的指令值p

S402、根据光伏端口电流控制指令值i

进一步的，光伏端口电流控制指令值i

其中，p

第二方面，本发明实施例提供了一种负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪系统，包括：

控制模块，利用电压电流双闭环控制得到d、q轴下的调制波M

工作模块，根据控制模块得到的光伏逆变器的输出功率p

转换模块，当工作模块得到的光伏逆变器的工作稳态值FlagStb<0，根据CountStb进行光伏阵列模态转换；

跟踪模块，根据转换模块得到的光伏逆变器的工作状态确定光伏电流的控制指令值，计算得到光伏端口电流控制指令值i

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法，使得光伏逆变器能够迅速适应源侧和负荷侧的功率扰动；相比与传统的依据MPP划分的PI控制方式，改进后的控制方法有着更宽的控制范围，这可以减少对模态切换的需求；在孤岛微网下，即使没有其他能源的支持，两级式光伏逆变器也能够主动适应负载需求，并主动支撑电网电压与频率；光伏逆变器依靠模态检侧和模态切换策略，在非稳态时自发改变光伏工作点，使得光伏逆变器能够在没有外部能源的支持下实时调节光伏阵列的输出功率，跟踪负载功率需求。

进一步的，逆变器侧直接负责调节直流侧电容电压，根据逆变器侧直流电压与输出频率之间的关系系数G

进一步的，通过坐标变换将三相静止坐标系中的基波正弦量转化为同步旋转坐标系中的直流量，简化了控制系统的设计，使得逆变器输出d轴电压指令值可通过传统的无功电压下垂控制策略就能得到。再将在同步旋转坐标系中得到的调制信号经过坐标变换得到逆变器三相调制波M

进一步的，通过对光伏阵列当前的输出电压和功率以及上一时刻的输出电压和功率进行比较计算，得到光伏阵列当前的工作区域及工作状态，为进一步选择光伏逆变器的控制策略提供依据。

进一步的，对光伏阵列工作在最大功率点左侧时的情况进行更为详细的划分，有利于系统正确判断工况，选择恰当的控制策略，以应对环境以及光伏电源自身的条件变化。

进一步的，对光伏阵列工作在最大功率点右侧时的情况进行更为详细的划分，有利于系统正确判断工况，选择恰当的控制策略，以应对环境以及光伏电源自身的条件变化。

进一步的，光伏逆变器进行模态切换的详细策略，若光伏逆变器工作在稳定区域则不用进行模态切换，若光伏逆变器工作在不稳定区域则通过控制策略将工作点移动到稳定区域。

进一步的，根据光伏逆变器处于的工作状态，给出控制的指令参考值，以实现对光伏逆变器的前级DC/DC变换器的控制。

进一步的，给出了光伏端口电流控制指令值i

可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明通过对光伏阵列的工作区域和工作模式进行判断，在支撑电网电压与频率的基础上，实现了源荷功率的快速跟踪；降低了光伏微网对储能装置的依赖，使其能够主动适应负载和光伏的随机性和波动性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明方法的模式检测流程示意图；

图2为本发明方法的模式切换流程示意图；

图3为本发明方法在多种运行情况下的仿真波形图，其中，(a)为光伏电池和逆变器的有功输出功率，(b)为光伏逆变器的直流母线电压，(c)为光伏电池的端口输出电压，(d)为用于指示MPP运行状态和稳定性的光伏逆变器标志，(e)为光伏逆变器的三相输出电压。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法，结合在光伏功率波动时的模式检测和模式切换的控制策略，能够实现光伏孤岛微网中负载功率变化及光伏阵列特性曲线改变时的快速功率跟踪，并主动支撑交流母线的电压频率，使得光伏逆变器能够同时处理来自源荷两侧的功率扰动。

本发明一种负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法，包括以下步骤：

S1、直流侧电压与频率双下垂控制；

S101、确定逆变器直流侧电压参考值U

S102、获取逆变器直流侧电压参考值U

计算公式如下：

S103、采样逆变器端口输出电压u

abc/dq变换模块的表达式如下：

其中，i

无功功率的计算公式如下：

Q＝1.5×(v

S104、根据无功功率Q、下垂系数k

计算公式如下：

其中，L

S105、得到逆变器d、q轴参考输出电压u

电压外环控制模块生成电流指令的计算公式为：

其中，i

电流内环控制模块生成调制信号的计算公式为：

其中，M

将得到的M

S2、光伏阵列的工作模态检测；

请参阅图1，具体检测过程如下：

S201、光伏系统采样得到当前光伏阵列的输出电压u

p

p

S202、判断u

S203、判断Δu＝|u

S204、判断K

S2041、若K

当FlagMpp<0，令u

当FlagMpp≥0，则令FlagStb＝1、FlagMpp＝1，并将此时的光伏端口电压u

S2042、若K

当FlagMpp≤0，读入p

当p

当p

当FlagMpp>0，令u

若p

当p

S3、光伏阵列模态转换；

请参阅图2，模式切换流程具体如下：

S301、获取光伏工作稳态值FlagStb和状态延时计数值CountStb，判断FlagStb大小；

S302、判断光伏的工作稳态值FlagStb是否大于0，若FlagStb≥0，令状态延时计数值CountStb＝0，切换结束；若FlagStb<0，则进入步骤S303；

S303、令CountStb＝CountStb+1，判断CountStb；若CountStb≤Tstb，Tstb为预先设置的延时时间值，令i

S4、前级Boost变换器的特定光伏功率指令值跟踪。

S401、在确定光伏逆变器的工作状态后，得到光伏电流的控制指令值；若光伏逆变器工作在稳定状态，FlagStb＝1，根据光伏阵列输出功率的指令值p

光伏端口电流控制指令值i

S402、根据光伏端口电流控制指令值i

本发明再一个实施例中，提供一种负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪系统，该系统能够用于实现上述负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法，具体的，该负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪系统包括控制模块、工作模块、转换模块以及跟踪模块。

其中，控制模块，利用电压电流双闭环控制得到d、q轴下的调制波M

工作模块，根据控制模块得到的光伏逆变器的输出功率p

转换模块，当工作模块得到的光伏逆变器的工作稳态值FlagStb<0，根据CountStb进行光伏阵列模态转换；

跟踪模块，根据转换模块得到的光伏逆变器的工作状态确定光伏电流的控制指令值，计算得到光伏端口电流控制指令值i

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法的操作，包括：

利用电压电流双闭环控制得到d、q轴下的调制波M

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(Non-Volatile Memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

利用电压电流双闭环控制得到d、q轴下的调制波M

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了对本发明进行测试，在PLECS中，搭建了双机并联仿真模型。该模型在孤岛条件下运行，以光伏电池为唯一能源。电力通过升压转换器、逆变器和滤波器的两级逆变器馈入电网。两组逆变器并联，验证光伏功率波动和负载变化时的控制方法。

1.5s前，两台光伏逆变器都可稳定地支持交流母线并为负载供电，两台逆变器的负载均为7.25kW。光伏阵列的特性曲线参数为，PV1的U

1.5s时，PV1的光伏阵列输出特性发生变化。U

4s时负载增加到26.6kW，PV1的最大功率(11.5kW)无法满足分配功率(13.3kW)。所以，逆变器PV1在MPP模式下运行，逆变器PV2提供PV1的剩余功率。具体过程为，模式检测方法检测到光伏逆变器处于非稳状态并更新相应的标志，逆变器PV1再通过模式切换方法工作在MPP，而逆变器PV2自动承担剩余的负载功率。从图3(a)可以看出，在4s负载增加时，光伏逆变器PV1和PV2能很好的跟踪负载功率并迅速保持稳定。从图3中的仿真结果可看出，光伏逆变器可平稳地切换到MPP模式，并且在切换地过程中不会引入干扰。8s时减载，功率再次满足PV1的要求，光伏逆变器检测到负载功率降低后返回正常运行状态。7s时减载，负载功率再次小于PV1的MPP，光伏逆变器检测到负载功率降低后迅速返回正常运行状态。

综上所述，本发明一种负载功率波动的两级光伏逆变器混合功率跟踪方法及系统，在孤岛微网中，光伏逆变器能够在光伏随机性所引起的源侧功率扰动以及负荷侧的功率扰动发生时，通过模式检测和模式切换的控制策略更新端口电流指令跟踪值，实现光伏阵列输出功率对负载功率的快速跟踪平衡，并在跟踪过程中输出稳定的交流母线电压和频率。多逆变器并联时，当光伏逆变器MPP的功率不足以平衡负载功率时能够迅速的实现模式切换工作在MPP，所缺的负载功率由系统中的其他光伏逆变器提供，提高光伏逆变器在光伏微网中的灵活性，以及其在未来新能源应用中的可靠性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。