一種用于光伏并網(wǎng)逆變器的滑模直接電壓/功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法，尤其是一種光伏并網(wǎng)逆變器的滑模 直接電壓/功率控制方法，屬于供電控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光伏發(fā)電作為一種成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)，在我國的能源結(jié)構(gòu)中所占的比重 越來越大。由于我國特殊的地理環(huán)境和能源結(jié)構(gòu)，光伏發(fā)電以大規(guī)模并網(wǎng)為主，且多集中在 西北地區(qū)。這些地區(qū)電網(wǎng)較弱，光伏發(fā)電與電力系統(tǒng)之間的相互影響越來越大。一方面，電 網(wǎng)電壓的不平衡會導(dǎo)致光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率的波動和輸出電流波形的畸變，影響逆變 器的安全運(yùn)行。另一方面，逆變器輸出功率的波動和畸變電流也會的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行 造成影響。
[0003] 為提高光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的運(yùn)行能力，劉偉增等人在太陽能學(xué) 報(bào)，2013,34(04) :647-652. "電網(wǎng)不平衡條件下光伏并網(wǎng)控制策略研究"公開了一種雙dq 軸、正負(fù)序電流控制方案，通過設(shè)置不同的電流參考值，可以實(shí)現(xiàn)不同的不平衡控制目標(biāo)， 該方法需要設(shè)置4個(gè)電流調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)復(fù)雜，且需要對電流進(jìn)行正負(fù)序分解，存在延時(shí) 和誤差。章瑋等人在電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010, 25 (12) :103-110. "不對稱電網(wǎng)電壓條件下三相 并網(wǎng)型逆變器的控制"中公開了一種在α β坐標(biāo)系中的比例諧振電流控制方案，該方法可 實(shí)現(xiàn)對正負(fù)序分量的統(tǒng)一調(diào)節(jié)，因此僅需要兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器，但電流參考指令的計(jì)算較為 復(fù)雜。由于電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)并網(wǎng)逆變器的輸出功率波動和電流諧波不能同時(shí)消除，郭小 強(qiáng)等人在中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014,34(03) :346-353. "不平衡電網(wǎng)電壓下光伏并網(wǎng)逆變器 功率/電流質(zhì)量協(xié)調(diào)控制策略"中分析了光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率波動和電流諧波產(chǎn)生的 原理，公開了一種功率/電流質(zhì)量的協(xié)調(diào)控制方法，提高了系統(tǒng)運(yùn)行性能。
[0004] 滑?？刂凭哂恤敯粜詮?qiáng)，動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在并網(wǎng)逆變器的控制中得到了廣泛 的應(yīng)用。郭旭剛等人在電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013,41(10) :126-133. "電網(wǎng)不平衡下基于 滑模變結(jié)構(gòu)的三相電壓型PWM整流器恒頻控制"中公開了一種并網(wǎng)逆變器的滑模直接功率 控制方案，并在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)實(shí)現(xiàn)了消除負(fù)序電流、消除有功脈動、消除無功脈動三個(gè) 不平衡控制目標(biāo)。
[0005] 為維持直流電壓的穩(wěn)定，以上控制策略一般設(shè)置電壓外環(huán)、功率或電流內(nèi)環(huán)的級 聯(lián)控制器，導(dǎo)致參數(shù)的整定和配合較為困難。為實(shí)現(xiàn)不同的不平衡目標(biāo)，需要對電網(wǎng)電壓和 并網(wǎng)電流的各分量進(jìn)行正負(fù)序分解，分解過程存在延時(shí)和誤差，影響控制器的控制性能。此 外，不同控制目標(biāo)的功率或電流參考值的設(shè)置較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種光伏并網(wǎng)逆變器的滑模直接電壓/功率控 制方法。
[0007] 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0008] -種光伏并網(wǎng)逆變器的滑模直接電壓/功率控制方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1 :建立光伏發(fā)電系統(tǒng)：所述光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、光伏測量元件、DC/DC 換流器、直流測量元件、并網(wǎng)逆變器、交流測量元件、控制系統(tǒng)和交流電網(wǎng)組成；所述光伏發(fā) 電系統(tǒng)由光伏陣列、光伏測量元件、DC/DC換流器，直流測量元件、并網(wǎng)逆變器、交流測量元 件和交流電網(wǎng)依次級聯(lián)，所述控制系統(tǒng)的輸入端分別接所述光伏測量元件、直流測量元件、 交流測量元件的輸出端，其輸出端接所述并網(wǎng)逆變器的輸入端；
[0010] 步驟2 :信號測量與處理：通過電壓傳感器和電流傳感器測量所述交流電網(wǎng)的三 相電壓Uga、ugb、u g。，所述并網(wǎng)逆變器的輸出電流iga、igb、ig。和直流電壓U 所述交流測量元 件測量的三相電壓Uga、ugb、Ug。經(jīng)過鎖相環(huán)處理，計(jì)算出電網(wǎng)的電壓相角Θ ;所述交流測量 元件測量的三相電壓uga、ugb、Ug。經(jīng)過dq變換計(jì)算出其在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸分量u gd 和q軸分量ugq;將所述交流測量元件測量的三相并網(wǎng)電流i ga、igb、ig。經(jīng)過dq變換計(jì)算出 其在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸分量i gd和q軸分量i gq;
[0011] 步驟3 :正負(fù)序分解：將所述三相電壓在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸分量Ugd和q軸分 量Ugq經(jīng)過陷波器得到負(fù)序分量仏和^ ;將所述三相并網(wǎng)電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸分 量igd和q軸分量i gq經(jīng)過陷波器得到正序分量匕和O
[0012] 步驟4 :計(jì)算所述并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率和無功功率總量PjP Q g:
[0014] 其中：Ug為電網(wǎng)電壓幅值；
[0015] 步驟5 :確定出由負(fù)序電壓、正序電流產(chǎn)生的有功功率和無功功率二倍頻波動分 量 Pg2和 Q g2:
[0017] 步驟6 :確定控制誤差：
[0018] 直流電壓的跟蹤誤差％為：
[0019] {eu= u *-u (3)
[0020] 其中：u為直流電壓的平方，Ui為直流電壓參考值的平方；
[0021] 當(dāng)以消除有功功率和無功功率的二倍頻脈動為控制目標(biāo)時(shí)的有功功率和無功功 率的誤差e P和e β分別為：
[0023] 其中：Ppv為光伏陣列的輸出功率；Q /為網(wǎng)側(cè)變換器輸出無功功率的參考值；
[0024] 當(dāng)以消除并網(wǎng)電流負(fù)序分量，保證波形平衡且正弦為控制目標(biāo)時(shí)，無功功率的跟 蹤誤差和有功功率的誤差e' ρ和e' Q分別為：
[0026] 步驟7:確定滑模直接電壓/功率控制的滑模面；
[0028] 式中：~和c 2為正實(shí)數(shù)；
[0029] 步驟8:確定滑模直接電壓/功率控制的控制率和總控制輸入：所述控制率U為：
[0030] u = Δ u+ueq (7)
[0031 ] 式中：Δ u為開關(guān)控制，Ueq為等效控制；
[0032] 所述總控制輸入為：
[0034] 式中：ujP u g分別為控制率的d軸和q軸分量，Δ u。種Δ u q分別為開關(guān)控制的 d軸和q軸分量，Utldf3q和u分別為等效控制的d軸和q軸分量；
[0035] 其中開關(guān)控制為：
[0037] 式中，kul, ku2,1^和kQ2為正常數(shù)；s。和s Q為式（6)中定義的滑模面；sgn為符號函 數(shù)；
[0038] 等效控制為：
[0040] 式中，ω為電網(wǎng)角頻率，L為并網(wǎng)逆變器進(jìn)線電抗器的電感，g為無功功率參考值 的導(dǎo)數(shù)；
[0041] 步驟9 :判斷是否達(dá)到控制目標(biāo)，如果是，轉(zhuǎn)向步驟10,否則轉(zhuǎn)向步驟7 ;
[0042] 步驟10 : α β變換：將在dq坐標(biāo)系下的控制電壓心和u q經(jīng)過α β變換后得到 在α β坐標(biāo)系下的控制電壓u。。和u d，其中^。為α軸分量，u。^為β軸分量；
[0043] 步驟11 =SVPffM調(diào)制：將控制電壓u。。和u d經(jīng)過SVPffM調(diào)制后得到所述并網(wǎng)逆變 器的三相調(diào)制信號Sa、Sb、S。，并將其送入并網(wǎng)逆變器的開關(guān)管進(jìn)行控制。
[0044] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0045] 1.本發(fā)明不需要級聯(lián)控制器之間的配合，控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的調(diào)整都比較簡 單。
[0046] 2.本發(fā)明可在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)分別實(shí)現(xiàn)消除并網(wǎng)逆變器的功率脈動和保證并 網(wǎng)電流正弦的控制目標(biāo)。且為實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)而需要加入的功率補(bǔ)償項(xiàng)的計(jì)算比較簡單。
【附圖說明】
[0047] 圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0048] 圖2是光伏并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049] 圖3是以抑制輸出功率脈動為控制目標(biāo)的控制系統(tǒng)原理框圖；
[0050] 圖4是以保證并網(wǎng)電流正弦為控制目標(biāo)的控制系統(tǒng)原理框圖；
[0051] 圖5是電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)光伏并網(wǎng)逆變器綜合控制系統(tǒng)原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052] -種光伏并網(wǎng)逆變器的滑模直接電壓/功率控制方法，如圖1所示，包括以下步 驟：
[0053] 步驟1 :建立光伏發(fā)電系統(tǒng)：所述的光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示，所述光伏發(fā)電系統(tǒng) 由光伏陣列、光伏測量元件、DC/DC換流器、直流測量元件、并網(wǎng)逆變器、交流測量元件、控制 系統(tǒng)和交流電網(wǎng)組成；所述光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、光伏測量元件、DC/DC換流器，直流 測量元件、并網(wǎng)逆變器、交流測量元件和交流電網(wǎng)依次級聯(lián)，所述控制系統(tǒng)的輸入端分別接 所述光伏測量元件、直流測量元件、交流測量元件的輸出端，其輸出端接所述并網(wǎng)逆變器的 輸入端；
[0054] 步驟2 :信號測量與處理：通過電壓傳感器和電流傳感器測量所述交流電網(wǎng)的三 相電壓uga、ugb、ug。，所述并網(wǎng)逆變器的輸出電流iga、i gb、ig。和直流電壓u 所述交流測量元 件測量的三相電壓uga、ugb、Ug。經(jīng)過鎖相環(huán)處理，計(jì)算出電網(wǎng)的電壓相角Θ ;所述交流測量 元件測量的三相電壓uga、ugb、Ug。進(jìn)過dq變換計(jì)算出其在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸分量u gd 和q軸分量ugq;將所述交流測量元件測量的三相并網(wǎng)電流i ga、igb、ig。經(jīng)過dq變換計(jì)算出 其在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸分量i gd和q軸分量i gq;
[0055] 步驟3 :正負(fù)序分解：將所述三相電壓在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸分量Ugd和q軸分 量Ugq經(jīng)過陷波器得到負(fù)序分量~和心;將所述三相并網(wǎng)電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸分 量i gd和q軸分量i gq經(jīng)過陷波器得到正序分量^和Q.;
[0056] 步驟4 :計(jì)算所述并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率和無功功率總量PjP Q g:
[0058] 其中：Ug為電網(wǎng)電壓幅值；
[0059] 步驟5 :確定出由負(fù)序電壓、正序電流產(chǎn)生的有功功率和無功功率二倍頻波動分 量 Pg2和 Q g2:
[0061] 步驟6 :確定控制誤差：
[0062] 直流電壓的跟蹤誤差％為：
[0063] {eu= u *-u (3)
[0064] 其中：U為直流電壓的平方，Y為直流電壓參考值的平方；
[0065] 當(dāng)以消除有功功率和無功功率的二倍頻脈動為控制目標(biāo)時(shí)的有功功率和無功功 率的誤差eP和e β分別為：
[0067] 其中：Ppv為光伏陣列的輸出功率；Q /為網(wǎng)側(cè)變換器輸出無功功率的參考值；
[0068] 當(dāng)以消除并網(wǎng)電流負(fù)序分量，保證波形平衡且正弦為控制目標(biāo)時(shí)，無功功率的跟 蹤誤差和有功功率的誤差e' ρ和e' Q分別為：
[0070] 步驟7:確定滑模直接電壓/功率控制的滑模面；
[0072] 式中：(：1和c 2為正實(shí)數(shù)；
[0073] 步驟8:確定滑模直接電壓/功率控制的控制率和總控制輸入：所述控制率U為：
[0074] u = Δ u+ueq (7)
[0075] 式中：△ u為開關(guān)控制，Ueq為等效控制；
[0076] 所述總控制輸入為：
[0078] 式中：ujP u g分別為控制率的d軸和q軸分量，Δ u。種Δ u q分別為開關(guān)控制的 d軸和q軸分量，Utldf3q和u分別為等效控制的d軸和q軸分量；
[0079] 其中開關(guān)控制為：
[008