專利名稱：一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)間歇式能源平滑輸出技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置及其工作方法。
背景技術(shù)：
新能源的應(yīng)用已經(jīng)是眾所周知的智能電網(wǎng)的不可分割的部分。據(jù)預(yù)測，太陽能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10 %以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。但是，作為間歇式能源，光伏發(fā)電不可為第一代電網(wǎng)利用的直接原因是其無法連續(xù)輸出功率的特性。目前我國既有的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于間歇性導(dǎo)致的功率無法穩(wěn)定輸出的問題，使得其仍然無法大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，只能就地消耗或者用于對電能質(zhì)量要求不高的場所。但是，二代電網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)啟動，光伏大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電是大勢所趨，因此對光伏發(fā)電功率平滑穩(wěn)定的輸出的研究就顯得格外重要。目前既有的光伏發(fā)電控制策略，往往以期望功率E(X)為輸出，但是卻導(dǎo)致了實際功率輸出在一定時間內(nèi)，以E(X)為中心來回跳躍的問題，其跳躍幅度由方差D(X)所決定。當(dāng)D(X)比較大，儲能系統(tǒng)需要來回頻繁充放電，而系統(tǒng)則根本得不到穩(wěn)定的功率輸出 E (χ)。因此，提高功率輸出的穩(wěn)定性，使功率輸出在一定范圍內(nèi)可控就成為光伏發(fā)電大規(guī)模利用的重要切入點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置及其工作方法，它可以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用高性能的信號處理器和靈活的控制技術(shù)以獲得高精度的控制效果，大大的提高了光伏發(fā)電功率輸出的穩(wěn)定性和可靠性，并從最大程度上減小了功率波動帶來的損失，保證了相關(guān)電力設(shè)備、線路的穩(wěn)定運行。本發(fā)明的技術(shù)方案一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，包括光伏電池， 其特征在于它包括電流采樣模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、邏輯計算模塊、控制電路模塊以及直流分流模塊；其中所述電流采樣模塊的輸入端連接光伏電池，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與邏輯計算模塊的輸入端連接；所述邏輯計算模塊的輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將計算結(jié)果輸入控制電路模塊；所述直流分流電路模塊接受控制電路模塊的控制信號，對直流母線的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)功率平滑輸出。所述電流采樣模塊是由電流傳感器、放大電路和濾波電路組成；所述電流傳感器的輸入端采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流信號，其輸出端連接放大電路的輸出端；所述濾波電路的輸入端與放大電路的輸出端連接，其輸入端連接連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。所述電流傳感器選用LEM公司的電流傳感器芯片LTS25-NP。所述A/D轉(zhuǎn)換模塊是由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用DAC0832芯片；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。所述邏輯計算模塊采用80C51單片機(jī)。所述控制電路模塊采用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。所述直流分流模塊是雙并聯(lián)boost-buck電路結(jié)構(gòu)。一種光伏發(fā)電系統(tǒng)功率平滑輸出裝置的工作方法，其特征在于它是由以下步驟所構(gòu)成(1)電流采樣模塊對光伏電池板輸出的電流進(jìn)行采樣；(2)電流信號量傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；(3)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其輸出信號輸入邏輯計算模塊；(4)根據(jù)邏輯計算模塊通過計算輸出穩(wěn)定輸出電流值并轉(zhuǎn)化為控制目標(biāo)電壓輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；(5)控制電路模塊接收數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的信號，轉(zhuǎn)化為控制信號傳輸給直流分流電路；(6)直流分流模塊通過控制信號調(diào)節(jié)IGBT導(dǎo)通角從而實現(xiàn)對直流母線的充放電。本發(fā)明的工作原理電流采樣模塊從光伏板輸出端采樣輸送至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將得到的數(shù)字信息傳輸至邏輯計算模塊。由于光伏板輸出的功率在電壓固
定的情況下取決于電流，而其電流在一定時間內(nèi)，議一 p、^fjt<· (《-ι =ι- 個值為中
心來回波動，可視作正態(tài)分布，因此邏輯控制模塊可對信號進(jìn)行處理，計算期望輸出電流
E (X)=X = ^Xi和方差餌幻=爐=(Σ<-“茫)/…-1);其中，χ為輸入信號，η為采樣
次數(shù)。在得到E(X)的情況下，為了求得一個既不太損耗功率輸出又可以最大限度的使功率輸出穩(wěn)定的電流值，我們需要計算單側(cè)置信區(qū)間即在給定置信度α的情況下，通過電流采樣計算均值和方差，從而最終得出置信電流輸出值μ，即光伏電池板發(fā)出的電流是波動的，其值大于μ的概率為a。因此，以μ為輸出電流額定值，在100 α %的時間內(nèi)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定輸出功率同時向儲能模塊充電，當(dāng)光伏板以較小的概率輸出小于μ的電流時，儲能模塊可以向系統(tǒng)補充功率，以滿足平滑輸出。當(dāng)邏輯計算電路的到μ后，乘以&得到目標(biāo)調(diào)節(jié)電壓uin。以U2的實際值為調(diào)節(jié)目標(biāo)。A/D轉(zhuǎn)換模塊中包括逐次近似來得到模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的開關(guān)電容，芯片有4路模擬信號輸入通道，通過芯片內(nèi)部參數(shù)設(shè)置選擇不同通道輸入，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸出；其軟件流程如下①啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換信號；②在AUT0_SEQ_SR寄存器中裝初值；③進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，每轉(zhuǎn)換一次，AUT0_SEQ_SR寄存器中的值就自動減1 ；④將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到相應(yīng)的寄存器中；⑤判斷轉(zhuǎn)換是否完成；若完成，就申請中斷，轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則就繼續(xù)轉(zhuǎn)換。計算機(jī)軟件主要涉及到DSP串行口的初始化和芯片的內(nèi)部參數(shù)設(shè)置及轉(zhuǎn)換結(jié)果的接收，串行口的初始化為對McBSP的控制寄存器的配置，使DSP可以為提供片選、時鐘、幀同步信號等控制信號，同時從DX串行發(fā)送的內(nèi)部設(shè)置參數(shù)，并從DR串行接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，完成一次完整的A/D轉(zhuǎn)換過程；系統(tǒng)上電后，DSP的控制引腳經(jīng)一譯碼器將的CS位置高電平，轉(zhuǎn)換芯片處于非激活狀態(tài)，并關(guān)閉所有中斷。初始化McBSP后，打開接收及外部中斷， DSP的控制引腳經(jīng)一譯碼器將的CS位置低電平，轉(zhuǎn)換芯片開始工作；發(fā)送轉(zhuǎn)換速度選擇及通道選擇參數(shù)，芯片開始模/數(shù)轉(zhuǎn)；程序進(jìn)入等待狀態(tài)，轉(zhuǎn)換結(jié)束時EOC由低變高，進(jìn)入外部中斷處理程序，接收轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號，存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)空間以待進(jìn)一步處理；全部的程序可以用TI公司的集成開發(fā)平臺Code Composer Studio,即CCS，采用C語言編程完成。另外，邏輯計算模塊可以通過軟件來實現(xiàn)。由于邏輯變量主要是按位來操作的，通過位變量的復(fù)位或置位來控制開關(guān)量的關(guān)斷或開通，因此可以用單片機(jī)對片內(nèi)地址區(qū)及某些特殊功能寄存器的位進(jìn)行操作。在80C51系列單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)中，有個位處理器(布爾處理器)，它具有一套處理位變量的指令集，包括位變量傳送、邏輯運算、控制運算、控制程序轉(zhuǎn)移等指令。該程序的實現(xiàn)，可以通過匯編語言來實現(xiàn)，程序簡單，占用存儲空間小，運行速度快。該程序可以在KeilC51 μ vision 2集成開發(fā)平臺下完成。本發(fā)明的優(yōu)越性在于①外電路與計算機(jī)編程相結(jié)合，編程簡單；②采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，通過功率期望E(X)和方差D(X)的計算量化光伏發(fā)電系統(tǒng)的間歇程度，解決了間歇式能源定量分析的問題；③通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與邏輯電路配合，使電流采樣系統(tǒng)更加精確可靠；④利用單側(cè)置信區(qū)間的計算，在確定輸出電壓U以及穩(wěn)定程度α的情況下，求出穩(wěn)定電流輸出值μ，使得光伏系統(tǒng)功率輸出平滑，穩(wěn)定可靠。
圖1為本發(fā)明所涉一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所涉一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置中A/D轉(zhuǎn)換模塊中數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所涉一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置中A/D轉(zhuǎn)換模塊程序流程圖。圖4為本發(fā)明所涉一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明所涉一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置中控制電路模塊控制原理圖。圖6為本發(fā)明所涉一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置中直流分流模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明所涉一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置中電流采樣模塊結(jié)構(gòu)圖。圖8為本發(fā)明所涉一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置中邏輯計算模塊的80C51單片機(jī)示意圖。
具體實施例方式實施例一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置(見圖1)，包括光伏電池，其特征在于它是由電流采樣模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、邏輯計算模塊、控制電路模塊以及直流分流模塊構(gòu)成；其中所述電流采樣模塊的輸入端連接光伏電池，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與邏輯計算模塊的輸入端連接；所述邏輯計算模塊的輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將計算結(jié)果輸入控制電路模塊；所述直流分流電路模塊接受控制電路模塊的控制信號，對直流母線的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)功率平滑輸出。所述電流采樣模塊(見圖7)是由電流傳感器、放大電路和濾波電路組成；所述電流傳感器的輸入端采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流信號，其輸出端連接放大電路的輸出端；所述濾波電路的輸入端與放大電路的輸出端連接，其輸入端連接連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。所述電流傳感器(見圖7)選用LEM公司的電流傳感器芯片LTS25-NP。所述A/D轉(zhuǎn)換模塊是由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(見圖2、圖幻和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(見圖4)采用DAC0832芯片；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。所述邏輯計算模塊(見圖8)采用80C51單片機(jī)。所述控制電路模塊(見圖5)采用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。所述直流分流模塊(見圖6)是雙并聯(lián)boost-buck電路結(jié)構(gòu)。一種光伏發(fā)電系統(tǒng)功率平滑輸出裝置的工作方法，其特征在于它是由以下步驟所構(gòu)成(1)電流采樣模塊對光伏電池板輸出的電流進(jìn)行采樣；(2)電流信號量傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；(3)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其輸出信號輸入邏輯計算模塊(見圖3)；(4)根據(jù)邏輯計算模塊通過計算輸出穩(wěn)定輸出電流值并轉(zhuǎn)化為控制目標(biāo)電壓輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；(5)控制電路模塊接收數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的信號，轉(zhuǎn)化為控制信號傳輸給直流分流電路；(6)直流分流模塊通過控制信號調(diào)節(jié)IGBT導(dǎo)通角從而實現(xiàn)對直流母線的充放電。
權(quán)利要求
1.一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，包括光伏電池，其特征在于它包括電流采樣模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、邏輯計算模塊、控制電路模塊以及直流分流模塊；其中所述電流采樣模塊的輸入端連接光伏電池，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與邏輯計算模塊的輸入端連接；所述邏輯計算模塊的輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將計算結(jié)果輸入控制電路模塊；所述直流分流電路模塊接受控制電路模塊的控制信號，對直流母線的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)功率平滑輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，其特征在于所述電流采樣模塊是由電流傳感器、放大電路和濾波電路組成；所述電流傳感器的輸入端采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流信號，其輸出端連接放大電路的輸出端；所述濾波電路的輸入端與放大電路的輸出端連接，其輸入端連接連接A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，其特征在于所述電流傳感器選用LEM公司的電流傳感器芯片LTS25-NP。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換模塊是由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用 DAC0832芯片；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，其特征在于所述邏輯計算模塊采用80C51單片機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，其特征在于所述控制電路模塊采用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，其特征在于所述直流分流模塊是雙并聯(lián)boost-buck電路結(jié)構(gòu)。
8.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)功率平滑輸出裝置的工作方法，其特征在于它是由以下步驟所構(gòu)成(1)電流采樣模塊對光伏電池板輸出的電流進(jìn)行采樣；(2)電流信號量傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；(3)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其輸出信號輸入邏輯計算模塊；(4)根據(jù)邏輯計算模塊通過計算輸出穩(wěn)定輸出電流值并轉(zhuǎn)化為控制目標(biāo)電壓輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；(5)控制電路模塊接收數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的信號，轉(zhuǎn)化為控制信號傳輸給直流分流電路；(6)直流分流模塊通過控制信號調(diào)節(jié)IGBT導(dǎo)通角從而實現(xiàn)對直流母線的充放電。
全文摘要
一種用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑輸出裝置，它包括電流采樣模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、邏輯計算模塊、控制電路模塊以及直流分流模塊；其工作方法包括電流采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯計算、數(shù)模轉(zhuǎn)換、控制信號輸出，其優(yōu)越性在于①編程簡單；②解決了間歇式能源定量分析的問題；③電流采樣系統(tǒng)更加精確可靠；④利用單側(cè)置信區(qū)間的計算，在確定輸出電壓U以及穩(wěn)定程度α的情況下，求出穩(wěn)定電流輸出值μ，使得光伏系統(tǒng)功率輸出平滑，穩(wěn)定可靠。
文檔編號H02N6/00GK102324873SQ20111026600
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者周雪松, 石立國, 谷月, 馬幼捷, 馬步云 申請人:天津理工大學(xué)