本發(fā)明屬于微電網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種微電網(wǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動逆變器并聯(lián)智能控制方法。
背景技術(shù):
隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,一方面,負荷的增大要求微源提供更大的輸出功率;另一方面,由于可再生能源分布相對分散、規(guī)模小、生產(chǎn)不連續(xù),而傳統(tǒng)的集中供電方式不能很好地滿足這些需求,將各個逆變器系統(tǒng)進行并聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)功率分配,并且有很好的冗余性和可靠性。逆變器并聯(lián)所帶來的的問題是各個逆變器之間會產(chǎn)生環(huán)流,使逆變器的輸出電能質(zhì)量下降、縮短電力電子器件的壽命。
現(xiàn)有的逆變器并聯(lián)控制方法,多采用電壓電流雙環(huán)和下垂控制環(huán)組成的三環(huán)結(jié)構(gòu)。下垂控制根據(jù)測得的逆變器輸出電壓電流計算輸出功率,再由pq下垂公式得到電壓電流參考值,經(jīng)過電壓電流雙環(huán)產(chǎn)生pwm波形來控制開關(guān)。下垂控制是通過犧牲電壓水平來保證各個逆變器功率平均分配,在設(shè)計控制器時需要對系統(tǒng)進行建模,會有未建模動態(tài)等問題,在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時控制效果變差。無模型自適應(yīng)控制算法通過引入偽偏導(dǎo)數(shù),把非線性系統(tǒng)進行線性化,然后僅僅利用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)對偽偏導(dǎo)數(shù)實時更新,不需要對系統(tǒng)進行建模,為解決微電網(wǎng)中逆變器并聯(lián)的這種復(fù)雜系統(tǒng)提出了新的解決思路。
此外,傳統(tǒng)的逆變器控制方法主要有spwm、svpwm,這些方法都是根據(jù)三相相電壓為調(diào)制波進行調(diào)制的,此時系統(tǒng)輸出的三相相電壓在負載以及直流側(cè)電壓中點清楚的情況下才能保證平衡,而實際的應(yīng)用系統(tǒng)中,因為逆變系統(tǒng)輸出三相相電壓的中點與逆變器直流側(cè)電壓中點很難找到并連接,所以系統(tǒng)輸出的真正相電壓很難找到,一旦負載不平衡或者直流側(cè)電壓中點找到的有誤差,即便采用先進的控制策略對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié),但因為三相電壓之間有耦合的原因,所得到的三相相電壓依舊是不平衡的,所以線電壓也是不平衡的,即不能保證三相逆變器輸出的線電壓是期望的正弦波形,而在實際中雖然負載表面上所接入的是相電壓,但是本質(zhì)上其實是線電壓,無論負載是什么特性的,只要線電壓是正弦波形就能夠滿足要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)逆變器并聯(lián)控制方法存在的未建模動態(tài)等問題,即當有外界干擾時會出現(xiàn)參數(shù)漂移,提出了一種微電網(wǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動型逆變器并聯(lián)控制方法,來平衡各個逆變器之間的負載功率分配。同時,針對現(xiàn)有調(diào)制技術(shù)的不足,提出一種離散式反向線電壓求解的pwm逆變器控制方法,避免負載不平衡、直流側(cè)電壓的中點找不到的問題,從而實現(xiàn)即便在負載不平衡的情況下,根據(jù)所需要的線電壓即可達到平衡狀態(tài)。
本發(fā)明提出的微電網(wǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動逆變器并聯(lián)智能控制方法,包括以下步驟:
步驟1、根據(jù)下垂控制方法得到各個逆變器的控制參數(shù)初始值,也就是穩(wěn)定時的輸入輸出數(shù)據(jù),即:產(chǎn)生pwm控制脈沖的線電壓形式的調(diào)制波uab、ubc、uca和輸出三相線電壓eab、ebc、eca,進行3s/2r變換后得到dq坐標系下的直流電壓ud、uq和ed、eq,然后根據(jù)逆變器的線性化模型得到偽梯度向量的初始值φ(1)和關(guān)聯(lián)矩陣p。
步驟1-1、對采集到的輸入輸出數(shù)據(jù)進行如下坐標變換:
式中,cz為abc坐標系到dq坐標系的正變換矩陣,θ為dq坐標系d軸與abc坐標系a軸的夾角。
步驟1-2、根據(jù)單個逆變器的線性化模型得到偽梯度向量的初始值φ(1)。
由單個逆變器線性化模型:δe=φδu轉(zhuǎn)置可得:
由于逆變器輸出穩(wěn)定時相鄰兩組數(shù)據(jù)偽梯度向量近似相等,可得:
從而得到偽梯度向量初始值:
式中,ud(m-1)、ud(m)、ud(m+1)分別為線電壓調(diào)制波在m-1、m和m+1時刻d軸的值,uq(m-1)、uq(m)、uq(m+1)分別為線電壓調(diào)制波在m-1、m和m+1時刻的q軸值,ed(m-1)、ed(m)、ed(m+1)分別為輸出電壓在m-1、m和m+1時刻的d軸值,eq(m-1)、eq(m)、eq(m+1)分別為輸出電壓在m-1、m和m+1時刻的q軸值。
步驟1-3、根據(jù)逆變器并聯(lián)的線性化模型計算關(guān)聯(lián)矩陣p。
將所得的偽梯度向量初始值φ(1)代入逆變器并聯(lián)系統(tǒng)線性化模型δe=φδu-pδe:
pδe=φ(1)δu-δe(6)
令等號兩邊矩陣各個元素相等從而求得關(guān)聯(lián)矩陣p。
式中,δe為自身逆變器輸出電壓和其他逆變器的差值,δu輸入調(diào)制電壓的變化量,δe輸出電壓的變化量。
步驟2、以步驟1得到的偽梯度向量初始值為初始點,利用逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù),根據(jù)通過極小化辨識準則函數(shù):
j(φ(k))=||e*(k+1)-e(k+1)||2+μ||φ(k)-φ(k-1)||2(7)
式中,e*(k+1)是逆變器輸出電壓參考值,e(k+1)是逆變器輸出電壓的實際測量值,μ是
得到偽梯度向量估計值
即
從而在線更新偽梯度向量的估計值
式中,η∈(0,2],δud和δuq分別是dq坐標系下k-1時刻輸入調(diào)制電壓的變化量,δed和δeq分別是dq坐標系下k時刻輸出電壓的變化量。
步驟3、根據(jù)步驟2得到的偽梯度向量估計值
j(u(k))=||e*(k+1)-e(k+1)||2+λ||u(k)-u(k-1)||2(10)
從而得到輸入調(diào)制波:
即
式中ρ∈(0,2],λ是u(k)變化量的懲罰因子,p、δe(k)與公式(8)中定義相同。
步驟4、把步驟3中得到的輸入調(diào)制信號u(k)經(jīng)過2r/3s坐標變換為三相靜止abc坐標系下的線電壓形式uabˊ、ubcˊ、ucaˊ,通過反向線電壓調(diào)制得到功率開關(guān)管的控制pwm信號。具體步驟如下:
步驟4-1、線電壓uabˊ對應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通時間的為,在每個開關(guān)周期內(nèi),使pwm波的面積sd與正弦波面積sl相等,面積為正表示功率開關(guān)管vt1、vt6導(dǎo)通,面積為負表示vt3、vt4導(dǎo)通,功率開關(guān)管導(dǎo)通時間記為tab,則有:
sl=u′ab(k)t(13)
sd=vdctab(14)
其中,t為開關(guān)周期,uabˊ(k)為k時刻a、b相之間的線電壓調(diào)制信號,vdc為直流側(cè)電壓。
步驟4-2、把線電壓uabˊ分別替換為ubcˊ和ucaˊ,代入公式(15)可求得ubcˊ和ucaˊ對應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通時間tbc和tca。
步驟4-3、按相位將每個一周期中線電壓的波形分為6個區(qū)域,即第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)和第六區(qū),對每個區(qū)域中的開關(guān)組合和導(dǎo)通時間進行說明。(定義開關(guān)狀態(tài)p為逆變器的上橋臂開通,開關(guān)狀態(tài)o為逆變器的下橋臂開通)
步驟4-3-1、在第一區(qū)內(nèi),易得tab>0、tbc>0、tca<0,即功率開關(guān)管vt1、vt6同時導(dǎo)通tab,vt2、vt3同時導(dǎo)通tbc,vt1、vt2同時導(dǎo)通tca。同一橋臂上下2個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通,且每一時刻總有3個開關(guān)管工作,因此開關(guān)組合為vt1、vt6、vt2(poo)同時開通tab,vt1、vt3、vt2(ppo)同時開通tbc,剩余時間t-tab-tbc用開關(guān)組合vt4、vt6、vt2(ooo)或者vt1、vt3、vt5(ppp)來補充。
步驟4-3-2、在第二區(qū)內(nèi),易得tab<0、tbc>0、tca<0,即功率開關(guān)管vt3、vt4同時導(dǎo)通tab,vt2、vt3同時導(dǎo)通tbc,vt1、vt2同時導(dǎo)通tca。因此,開關(guān)組合為vt1、vt3、vt2(ppo)同時開通tca,vt4、vt3、vt2(opo)同時開通tab,剩余時間t-tab-tca用開關(guān)組合vt4、vt6、vt2(ooo)或者vt1、vt3、vt5(ppp)來補充。
步驟4-3-3、在第三區(qū)內(nèi),易得tab<0、tbc>0、tca>0,即功率開關(guān)管vt1、vt6同時導(dǎo)通tab,vt2、vt3同時導(dǎo)通tbc,vt1、vt2同時導(dǎo)通tca。因此,開關(guān)組合為vt4、vt3、vt2(opo)同時開通tbc,vt4、vt3、vt5(opp)同時開通tca,剩余時間t-tab-tbc用開關(guān)組合vt4、vt6、vt2(ooo)或者vt1、vt3、vt5(ppp)來補充。
步驟4-3-4、在第四區(qū)內(nèi),易得tab<0、tbc<0、tca>0,即功率開關(guān)管vt4、vt3同時導(dǎo)通tab,vt6、vt5同時導(dǎo)通tbc,vt5、vt4同時導(dǎo)通tca。因此,開關(guān)組合為vt4、vt3、vt5(opo)同時開通tab,vt4、vt6、vt5(oop)同時開通tbc,剩余時間t-tab-tbc用開關(guān)組合vt4、vt6、vt2(ooo)或者vt1、vt3、vt5(ppp)來補充。
步驟4-3-5、在第五區(qū)內(nèi),易得tab<0、tbc<0、tca>0,即功率開關(guān)管vt1、vt6同時導(dǎo)通tab,vt6、vt5同時導(dǎo)通tbc,vt5、vt4同時導(dǎo)通tca。因此,開關(guān)組合為vt1、vt6、vt5(pop)同時開通tab,vt4、vt6、vt5(oop)同時開通tca,剩余時間t-tab-tca用開關(guān)組合vt4、vt6、vt2(ooo)或者vt1、vt3、vt5(ppp)來補充。
步驟4-3-6、在第六區(qū)內(nèi),易得tab<0、tbc<0、tca>0,即功率開關(guān)管vt1、vt6同時導(dǎo)通tab,vt6、vt5同時導(dǎo)通tbc,vt2、vt1同時導(dǎo)通tca。因此,開關(guān)組合為vt1、vt6、vt5(pop)同時開通tbc,vt1、vt6、vt2(poo)同時開通tca,剩余時間t-tbc-tca用開關(guān)組合vt4、vt6、vt2(ooo)或者vt1、vt3、vt5(ppp)來補充。
步驟4-4、當有兩個開關(guān)組合時間之和大于開關(guān)周期時,即t-tab-tbc<0,取
步驟5、將計算所得的6個區(qū)域的時間數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)送至dsp內(nèi)的pwm中的比較寄存器,根據(jù)pwm模塊內(nèi)部的計數(shù)器的值和比較寄存器中的值的關(guān)系,將比較結(jié)果發(fā)送至pwm模塊,產(chǎn)生pwm脈沖送至驅(qū)動和功率放大單元觸發(fā)各個功率開關(guān)管。
步驟6、重復(fù)步驟2至步驟5得到下一時刻的偽梯度向量和線電壓調(diào)制信號,再通過反向線電壓調(diào)制得到pwm開關(guān)信號,直至得到理想的輸出電壓。
在求解偽梯度向量估計值
把δe=φδu-pδe代入公式(11)中,令σ(k+1)=e*(k+1)-e(k+1)可得,
構(gòu)造能量函數(shù)
式中,σ(k+1)為逆變器實際輸出電壓與參考電壓的差值,l為正定實對稱矩陣。然后篩選出能使
當有逆變器并入或切除時,根據(jù)傳統(tǒng)下垂控制方法重新獲取偽梯度向量的初始值φ(1)和關(guān)聯(lián)矩陣p。
在數(shù)據(jù)傳輸過程中,當出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失、延遲甚至錯誤時,可以通過已有的數(shù)據(jù)進行預(yù)估加以彌補。數(shù)據(jù)預(yù)估方案如下(以第j個逆變器在第r時刻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)故障為例):
在第i個逆變器的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制模塊中,利用已有的前一時刻r-1的輸出數(shù)據(jù)ej(r-1)來估計ej(r)的值。由于各逆變器通過無模型自適應(yīng)算法線性化得到的模型近似,所以偽梯度向量的變化也近似,利用第i個逆變器第r時刻的偽梯度向量作為第j個逆變器的偽梯度向量,求解ej(r)。
由
即得到第r時刻第j個逆變器的估計輸出電壓
式中,
本發(fā)明的有益效果為,本發(fā)明克服了傳統(tǒng)逆變器并聯(lián)控制方法存在的未建模動態(tài)等問題,平衡各個逆變器之間的負載功率分配。同時,避免負載不平衡、直流側(cè)電壓的中點找不到的問題,從而實現(xiàn)即便在負載不平衡的情況下,根據(jù)所需要的線電壓即可達到平衡狀態(tài)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的數(shù)據(jù)驅(qū)動型微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明的帶有反向線電壓pwm生成器的智能數(shù)據(jù)驅(qū)動控制框圖。
圖3為本發(fā)明的具體的數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊控制框圖。
圖4為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖。
圖5為本發(fā)明的無模型自適應(yīng)控制算法的實現(xiàn)流程圖。
圖6為本發(fā)明的坐標變換示意圖。
圖7為本發(fā)明的三相線電壓的離散波形示意圖。
圖8為本發(fā)明第一區(qū)域的放大圖。
圖9為本發(fā)明第一區(qū)域線電壓sab=sd等效圖及對應(yīng)開關(guān)管的pwm波形。
圖10為本發(fā)明的逆變器三相線電壓輸出波形。
圖11為本發(fā)明的逆變器線電壓uab、ubc輸出波形。
具體實施方式
將本發(fā)明提出的分布式數(shù)據(jù)驅(qū)動型微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)智能控制方法應(yīng)用于3個30kw逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)中,如圖1和2所示,微電網(wǎng)交流母線電壓為380v,每個逆變器控制器都采用所提出數(shù)據(jù)驅(qū)動智能控制方法,控制框圖如圖3所示,并且各個逆變器都通過通信總線進行數(shù)據(jù)共享。根據(jù)圖4和圖5將具體的控制實現(xiàn)步驟如下:
步驟1、根據(jù)下垂控制方法得到各個逆變器的控制參數(shù)初始值,即:產(chǎn)生pwm控制脈沖的線電壓形式的調(diào)制波uab、ubc、uca和輸出三相線電壓eab、ebc、eca,經(jīng)過dsp芯片tms320f28377d的a/d采樣模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,采樣頻率為10khz,在dsp中進行3s/2r變換后得到dq坐標系下的直流電壓ud、uq和ed、eq,根據(jù)逆變器的線性化模型得到偽梯度向量φ(1)關(guān)聯(lián)矩陣p。
步驟1-1、應(yīng)用公式(1)和(2)對采集到的輸入輸出數(shù)據(jù)進行坐標變換。以穩(wěn)定時刻t=0.08s為例,θ=wt=2π×50×0.08=8π,得到:
步驟1-2、根據(jù)單個逆變器的線性化模型得到偽梯度向量的初始值φ(1)。結(jié)合公式(3)-(5)和通過步驟1-1坐標變換輸入輸出數(shù)據(jù),取不同時刻數(shù)據(jù)經(jīng)過30次運算然后求平均,從而得到偽梯度向量初始值:
步驟1-3、根據(jù)逆變器并聯(lián)的線性化模型計算關(guān)聯(lián)矩陣p。
將所得的偽梯度向量初始值φ(1)代入逆變器并聯(lián)系統(tǒng)線性化模型
令等號兩邊矩陣各個元素相等從而求得關(guān)聯(lián)矩陣p。
步驟2、以步驟1得到的偽梯度向量初始值為初始點,利用逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù),根據(jù)通過極小化辨識準則函數(shù):
j(φ(k))=||e*(k+1)-e(k+1)||2+μ||φ(k)-φ(k-1)||2(26)
式中,輸出線電壓有效值參考值設(shè)為e*(k+1)=380v,e(k+1)是逆變器輸出電壓有效值的實際測量值,μ=1.2。
得到偽梯度向量估計值
從而在線更新偽梯度向量的估計值
式中,取k=20,η=1,根據(jù)前一時刻的輸入輸出數(shù)據(jù)和偽梯度向量估計值求得
步驟3、根據(jù)步驟2得到的偽梯度向量估計值
j(u(k))=||e*(k+1)-e(k+1)||2+λ||u(k)-u(k-1)||2(29)
從而得到輸入調(diào)制波:
式中ρ=1,λ=1.5,
則
步驟4、把步驟3中得到的輸入調(diào)制信號u(k)經(jīng)過2r/3s坐標變換到三相靜止abc坐標系下并轉(zhuǎn)化為的線電壓形式uabˊ、ubcˊ、ucaˊ,如圖6所示,
通過反向線電壓調(diào)制得到功率開關(guān)管的控制pwm信號。具體步驟如下:
步驟4-1、線電壓uabˊ對應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通時間的為,在每個開關(guān)周期內(nèi),使pwm波的面積sd與正弦波面積sl相等,面積為正表示功率開關(guān)管vt1、vt6導(dǎo)通,面積為負表示vt3、vt4導(dǎo)通,功率開關(guān)管導(dǎo)通時間記為tab,則有:
sl=u′ab(k)t(33)
sd=vdctab(34)
式中,t=0.02s為開關(guān)周期,vdc=600v為直流側(cè)電壓。
步驟4-2、把線電壓uabˊ分別替換為ubcˊ和ucaˊ,代入公式(15)可求得ubcˊ和ucaˊ對應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通時間tbc=0.0963t和tca=0.4959t。
步驟4-3、按相位將每個一周期中線電壓的波形分為6個區(qū)域,如圖7所示,即第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)和第六區(qū),對每個區(qū)域中的開關(guān)組合和導(dǎo)通時間進行說明。(定義開關(guān)狀態(tài)p為逆變器的上橋臂開通,開關(guān)狀態(tài)o為逆變器的下橋臂開通)
根據(jù)步驟4-2計算的時間大小tab<0、tbc>0、tca>0可知此時線電壓在第三區(qū),如圖8和9,對開關(guān)導(dǎo)通時間進行求解,得到功率開關(guān)管vt1、vt6同時導(dǎo)通tab,vt2、vt3同時導(dǎo)通tbc,vt1、vt2同時導(dǎo)通tca。因此,開關(guān)組合為vt4、vt3、vt2(opo)同時開通tbc=0.0963t,vt4、vt3、vt5(opp)同時開通tca=0.4959t,剩余時間t-tab-tbc=0.4078t用開關(guān)組合vt4、vt6、vt2(ooo)或者vt1、vt3、vt5(ppp)來補充。
步驟5、將計算所得的此時的開關(guān)導(dǎo)通時間數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)送至dsp內(nèi)的pwm中的比較寄存器,根據(jù)pwm模塊內(nèi)部的計數(shù)器的值和比較寄存器中的值的關(guān)系,將比較結(jié)果發(fā)送至pwm模塊,產(chǎn)生pwm脈沖送至功率放大單元觸發(fā)各個功率開關(guān)管。
步驟6、重復(fù)步驟2至步驟5得到下一時刻的偽梯度向量和線電壓調(diào)制信號,再通過反向線電壓調(diào)制得到pwm開關(guān)信號,直至得到理想的輸出三相電壓,如圖10和11所示。
在求解偽梯度向量估計值
把δe=φδu-pδe代入公式(11)中,令σ(k+1)=e*(k+1)-e(k+1)可得,
構(gòu)造能量函數(shù)
式中,σ(k+1)為逆變器實際輸出電壓與參考電壓的差值,l為正定實對稱矩陣。然后篩選出能使
當有逆變器并入或切除時,根據(jù)傳統(tǒng)下垂控制方法重新獲取偽梯度向量的初始值φ(1)和關(guān)聯(lián)矩陣p。
在數(shù)據(jù)傳輸過程中,當出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失、延遲甚至錯誤時,可以通過已有的數(shù)據(jù)進行預(yù)估加以彌補。數(shù)據(jù)預(yù)估方案如下(以第2個逆變器在第r時刻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)故障為例):
在第1個逆變器的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制模塊中,利用已有的前一時刻r-1的輸出數(shù)據(jù)e2(r-1)來估計e2(r)的值。由于各逆變器通過無模型自適應(yīng)算法線性化得到的模型近似,所以偽梯度向量的變化也近似,利用第1個逆變器第r時刻的偽梯度向量作為第2個逆變器的偽梯度向量,求解e2(r)。
由
即可得到第r時刻第j個逆變器的估計輸出電壓
式中,