CN101710718A - 一种并网光伏发电***的工作方法 - Google Patents

Abstract

一种并网光伏发电***，它是由锁相环、电流互感器、重复控制器以及PWM产生器组成。一种并网光伏发电***的工作方法由以下步骤构成：(1)采集电网电压相位及并网电流；(2)设计重复控制器；(3)设定逆变器的调制比、开关频率及单位周期内采样次数；(4)将重复控制器的输出送入PWM产生器，完成对逆变器的开关操作，最终完成太阳能光伏发电的并网控制。本发明的优越性：在输出波形方面有较大提高，并网电流谐波含量小，总谐波畸变率小于1％，且不含直流成分，逆变器功率因数高，电能质量各项指标符合并网的工程技术要求，有应用前景。

Description

一种并网光伏发电***的工作方法

(一)技术领域

本发明用于太阳能并网光伏发电行业，属于电力电子技术和控制理论交叉领域，特别是一种并网光伏发电***的工作方法。

(二)背景技术

随着世界能源紧张和环境污染的加剧，可再生资源的利用备受瞩目。而太阳能以其普遍、丰富、清洁成为人们利用的焦点。而今，太阳能正在完成着从补充能源向替代能源的过渡。目前，太阳能利用主要有两种形式：热利用和光伏发电利用。其中，隶属于发电利用的光伏并网是太阳能利用的发展趋势。

光伏***主要由太阳能电池阵列和必要的电力电子变换设备两部分构成。在光伏并网发电***中，对电网的跟踪控制直接关系到输出的电能质量和***的运行效率，是***的核心和技术关键。现在使用的各种控制方法各存有自身缺陷，不能兼顾响应速度、控制指标、***设计及稳定性。例如：PID控制动态响应快，但输出波形畸变严重；无差拍控制方法虽为实时控制，电流响应快，输出电压电流不含特定次谐波，但功率器件的开关频率不固定，会导致电流频谱较宽，可能引起间接的谐波干扰，导致滤波电路设计困难。滑模控制表现出对***参数变化和负载扰动的不敏感性和鲁棒性并具有良好的动态特性。但是滑模控制存在理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样频率的影响等弱点，它还存在高频抖动现象且设计中需知道***不确定性参数和扰动的界限，抖动使***无法精确定位等。有鉴于此，采用对周期性扰动有抑制作用的重复控制技术来设计并网控制器，一方面它可以消除由逆变器自身的死区效应引起的波形畸变，同时它对非线性负荷引起的谐波也有一定的抑制作用。所以，基于重复控制技术来设计并网逆变器有一定的前景。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种并网光伏发电***的工作方法，它使上述所说的采用对周期性扰动有抑制作用的重复控制技术来设计并网控制器成为现实，不仅可将光伏电池发出的直流电转换为交流电，并且还可对频率、电压、电流、相位、有功与无功、等进行控制，决定了送入电网的电能质量并关乎***能量转换效率，是一种用于太阳能并网光伏发电行业的新技术。

本发明的技术方案：一种并网光伏发电***，其特征在于它是由锁相环、电流互感器、重复控制器以及PWM产生器组成；所说的电流互感器和锁相环的输出分别连接重复控制器的两个输入，重复控制器的输出接入PWM产生器，PWM产生器的输出接到四路IGBT控制输入端。

上述所说的锁相环为获取电网电压相位并将其送入重复控制器的一个输入端，它在控制器内部与标准正弦信号相乘得到控制所需的参考信号，使逆变器输出电压、频率、相位必须与电网电压一致，做到以单位功率因数并网。

上述所说的电流互感器用于检测并网电流的大小并将其视为外部扰动输入到重复控制器的另一端，以期减小***误差。

一种并网光伏发电***的工作方法，其特征在于由以下步骤构成：

(1)首先采集电网电压相位及并网电流：将得到的电压相位与标准50Hz的正弦波相乘得到控制输入的参考信号，它和被视为扰动信号的并网电流一起作为输入接入重复控制器；经重复控制器内部运算便得到控制逆变器的调制信号，将该信号送入PWM产生器中，与三角波比较，产生驱动逆变器的四路信号。该并网在输入功率与输出功率平衡这一前提下进行，由此确保***稳定工作；

(2)设计重复控制器：将传统控制方法与重复控制方法混合使用，对含有滤波器的逆变器建模采用常规的状态空间平均法建模，在此模型的基础上设计重复控制器，最终实现对并网逆变器的精确控制。

(3)设定逆变器的调制比m、开关频率f_c及单位周期内采样次数N的值，其中，U_01m为逆变器输出基波电压幅值，U_d为逆变器直流侧电压值

U_01m≈m×U_d

$N=\frac{f_c}{50}$

(4)将重复控制器的输出送入PWM产生器，后者将产生四路IGBT驱动信号完成对逆变器的开关操作，最终实现将光伏电池输出的直流电逆变成交流电送入电网，完成太阳能光伏发电的并网控制。

上述所说的步骤(2)中设计重复控制器包括以下步骤：

i.首先列写出含滤波器的逆变器传递函数P(z)。对带有二阶滤波器的逆变器用状态空间平均法建模，假设电感的寄生电阻为r，则滤波器的传递函数为

$\mathrm{\Φ}\left(s\right)=\frac{\frac{1}{\mathrm{sc}}}{\mathrm{sL}+r+\frac{1}{\mathrm{sc}}}$

$=\frac{1}{{{\mathrm{Lc}}_S}^2+\mathrm{rcs}+1}$

将上式Z变换后便得到P(z)，转换方法为：num＝[1]，den＝[L*C，r*C，1]，[numd dend]＝c2dm(num，den，5e-5，’zoh’)。

ii.补偿器设计

补偿器是针对控制对象P(z)设置的，其目标是使受控对象零相移、单位增益，对高频信号尽量衰减，其形式为：c(z)＝K_rz^kc₁(z)c₂(z)。在设计c(z)前先要画出被控对象P(z)的bode图，根据bode图来设计补偿器C(z)。

C₁(z)是一个二阶低通滤波器，它要满足两个条件：第一，阻尼比ξ大于1；第二，截止角频率ω_c要与P(z)的谐振角频率ω_r相当。这样，C₁的传递函数就可写出为：

$c_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2}{s^2+2\×\mathrm{\ξ}\×{\mathrm{\ω}}_r+{\mathrm{\ω}}_r^2}$

最后将该式进行Z变换，变换方法同上。

C₁(z)不能完全补偿P(z)的谐振峰值，此时剩余部分由C₂(z)来完成，其形式为：

$C_2\left(z\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^i+\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^{-i}}{2\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i+a_0}$

最终要使C₂(z)的第一个波谷处在P(z)的谐振角频率ω_r附近。

iii.Z^k用来补偿被控***的相位，k的取值是一个大于0的自然数。最后由K_r来完成增益补偿，K_r的取值要大于零小于一，Q(z)的取值同K_r。经过以上几步完成补偿器设计。

本发明的优越性：针对本设计搭建***模型所进行的仿真检验表明，应用重复控制技术的并网***在输出波形方面有较大提高，并网电流谐波含量小，总谐波畸变率小于1％，且不含直流成分。从并网效果来看，逆变器功率因数高，电能质量各项指标符合并网的工程技术要求。所以，以上设计合理可行，较传统装置优势大，有一定的应用前景。

(四)附图说明

图1为本发明所涉一种并网光伏发电***的整体电路结构示意图。

图2为本发明所涉一种并网光伏发电***中的逆变器的重复控制电路结构示意图。

图3为本发明所涉一种并网光伏发电***中的逆变器电路结构示意图。

图4为本发明所涉一种并网光伏发电***的工作方法中步骤(2)中补偿器设计的补偿函数bode图。

图5为本发明所涉一种并网光伏发电***的工作方法中的具体实施方式中设计重复控制器时在MATLAB下制作的并网逆变器重复控制电路内部结构示意图。

图6为本发明所涉一种并网光伏发电***的工作方法中的具体实施方式中光伏并网逆变器应用示意图。

图中r为正弦参考信号，y为逆变器输出电压，e为误差信号，d为周期性的扰动，Z-N为周期延迟环节，N为一个基波周期的采样次数，C(z)为重复控制环路的补偿器，P(z)为控制对象。

取L＝0.47mh，c＝20μF，电感的寄生电阻r＝0.9Ω

(五)具体实施方式：

实施例：一种并网光伏发电***(见图1)，其特征在于它是由锁相环、电流互感器、重复控制器以及PWM产生器组成；所说的电流互感器和锁相环的输出分别连接重复控制器的两个输入，重复控制器的输出接入PWM产生器，PWM产生器的输出接到四路IGBT控制输入端。

所说的锁相环为获取电网电压相位并将其送入重复控制器的一个输入端，它在控制器内部与标准正弦信号相乘得到控制所需的参考信号，使逆变器输出电压、频率、相位必须与电网电压一致，做到以单位功率因数并网。

所说的电流互感器用于检测并网电流的大小并将其视为外部扰动输入到重复控制器的另一端，以期减小***误差。

一种并网光伏发电***的工作方法，其特征在于由以下步骤构成：

以图1形式的两级式光伏发电***为例，选用Pmppt＝300W，Uoc＝80V，Isc＝5.9A，Umppt＝62V，Imppt＝4.8A的光伏模块。图中直流变换器完成最大功率跟踪及输出电压调整，使得逆变器直流侧电压为440V。

(1)首先采集电网电压相位及并网电流。将得到的电压相位与标准50Hz的正弦波相乘得到控制输入的参考信号，它和被视为扰动信号的并网电流一起作为输入接入重复控制器。

(2)设计重复控制器。被设计的重复控制器内部结构(见图2)所示。

i.首先列写出含滤波器的逆变器传递函数P(z)(见图3)。对带有二阶滤波器的逆变器用状态空间平均法建模，取L＝0.47mH，c＝20μF电感的寄生电阻r＝0.9Ω，则滤波器的传递函数为

$\mathrm{\Φ}\left(s\right)=\frac{\frac{1}{\mathrm{sc}}}{\mathrm{sL}+r+\frac{1}{\mathrm{sc}}}$

$=\frac{1}{{{\mathrm{Lc}}_S}^2+\mathrm{rcs}+1}$

$=\frac{1}{9.4\×{10}^{-9}s+1.8\×{10}^{-5}s+1}$

将上式Z变换后便得到P(z)

$p\left(z\right)=\frac{0.126z+0.122}{z^2-1.6606z+0.9087}$

ii.补偿器设计

补偿器是针对控制对象P(z)设置的，其目标是使受控对象零相移、单位增益，对高频信号尽量衰减，其形式为：c(z)＝K_rz^kc₁(z)c₂(z)。在设计c(z)前先要画出被控对象P(z)的bode图(见图4)。

C₁(z)是一个二阶低通滤波器，它要满足两个条件：第一，阻尼比ξ大于1；第二，截止角频率ω_c要与P(z)的谐振角频率ω_r相当。这里ξ取1.6，C₁的传递函数就可写出为：

$c_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2}{s^2+2\×\mathrm{\ξ}\×{\mathrm{\ω}}_r+{\mathrm{\ω}}_r^2}$

$c_1\left(s\right)=\frac{{10300}^2}{s^2+2\×1.6\×10300+{10300}^2}$

最后将该式进行Z变换

$c_1\left(z\right)=\frac{0.0805z+0.0468}{z^2-1.0652z+0.1924}$

C₁(z)不能完全补偿P(z)的谐振峰值，此时剩余部分由C₂(z)来完成，其形式为：

$C_2\left(z\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^i+\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^{-i}}{2\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i+a_0}$

最终使C₂(z)的第一个波谷处在P(z)的谐振角频率ω_r附近。这里

取 $c_2\left(z\right)=\frac{z^6+2+z^{-6}}{4}$

iii.Z^k用来补偿被控***的相位，k的取值是一个大于0的自然数，这里取为6。最后由K_r来完成增益补偿，K_r的取值要大于零小于一，Q(z)的取值同K_r。本例K_r＝Q(z)＝0.9，经过以上几步完成补偿器设计。

(3)设定逆变器的调制比m＝0.8、开关频率f_c＝10KHz及单位周期内采样次数N＝200，其中，U_01m为逆变器输出基波电压幅值为311V，U_d为逆变器直流侧电压440V。

U_01m≈m×U_d

$N=\frac{f_c}{50}$

(4)将重复控制器的输出送入PWM产生器，后者将产生四路IGBT驱动信号完成对逆变器的开关操作，最终实现将光伏电池输出的直流电逆变成交流电送入电网，完成太阳能光伏发电的并网控制。

以上四部完成了重复控制器的设计，得逆变器控制图(见图5)。以并网逆变器输出电流作为扰动，以与电网电压同频率、同相位的正弦波作为参考信号，加之前述设计内容，得到最终的设计图(见图6)。其中，逆变器的重复控制用子***代替。通过仿真发现：并网电流谐波含量小，总谐波畸变率小于1％，且不含直流成分。从并网效果来看，逆变器功率因数97.9％，电能质量各项指标符合并网的工程技术要求。

Claims (5)

1.一种并网光伏发电***，其特征在于它是由锁相环、电流互感器、重复控制器以及PWM产生器组成；所说的电流互感器和锁相环的输出分别连接重复控制器的两个输入，重复控制器的输出接入PWM产生器，PWM产生器的输出接到四路IGBT控制输入端。

2.根据权利要求1所说的一种并网光伏发电***，其特征在于所说的锁相环为获取电网电压相位并将其送入重复控制器的一个输入端，它在控制器内部与标准正弦信号相乘得到控制所需的参考信号，使逆变器输出电压、频率、相位必须与电网电压一致，做到以单位功率因数并网。

3.根据权利要求1所说的一种并网光伏发电***，其特征在于所说的电流互感器用于检测并网电流的大小并将其视为外部扰动输入到重复控制器的另一端，以期减小***误差。

4.一种上述所说的并网光伏发电***的工作方法，其特征在于由以下步骤构成：

(1)首先采集电网电压相位及并网电流：将得到的电压相位与标准50Hz的正弦波相乘得到控制输入的参考信号，它和被视为扰动信号的并网电流一起作为输入接入重复控制器；经重复控制器内部运算便得到控制逆变器的调制信号，将该信号送入PWM产生器中，与三角波比较，产生驱动逆变器的四路信号。该并网在输入功率与输出功率平衡这一前提下进行，由此确保***稳定工作；

(2)设计重复控制器：将传统控制方法与重复控制方法混合使用，对含有滤波器的逆变器建模采用常规的状态空间平均法建模，在此模型的基础上设计重复控制器，最终实现对并网逆变器的精确控制。

(3)设定逆变器的调制比m、开关频率f_c及单位周期内采样次数N的值，其中，U_01m为逆变器输出基波电压幅值，U_d为逆变器直流侧电压值

U_01m≈m×U_d

$N=\frac{f_c}{50}$

(4)将重复控制器的输出送入PWM产生器，后者将产生四路IGBT驱动信号完成对逆变器的开关操作，最终实现将光伏电池输出的直流电逆变成交流电送入电网，完成太阳能光伏发电的并网控制。

5.根据权利要求4所说的一种并网光伏发电***的工作方法，其特征在于所说的步骤(2)中设计重复控制器包括以下步骤：

i.首先列写出含滤波器的逆变器传递函数P(z)。对带有二阶滤波器的逆变器用状态空间平均法建模，假设电感的寄生电阻为r，则滤波器的传递函数为

$\mathrm{\Φ}\left(s\right)=\frac{\frac{1}{\mathrm{sc}}}{\mathrm{sL}+r+\frac{1}{\mathrm{sc}}}$

$=\frac{1}{{{\mathrm{Lc}}_S}^2+\mathrm{rcs}+1}$

将上式Z变换后便得到P(z)，转换方法为：num＝[1]，den＝[L*C，r*C，1]，[numd dend]＝c2dm(num，den，5e-5，’zoh’)；

ii.补偿器设计

补偿器是针对控制对象P(z)设置的，其目标是使受控对象零相移、单位增益，对高频信号尽量衰减，其形式为：c(z)＝K_rz^kc₁(z)c₂(z)。在设计c(z)前先要画出被控对象P(z)的bode图，根据bode图来设计补偿器C(z)。

C₁(z)是一个二阶低通滤波器，它要满足两个条件：第一，阻尼比ξ大于1；第二，截止角频率ω_c要与P(z)的谐振角频率ω_r相当。这样，C₁的传递函数就可写出为：

$c_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2}{s^2+2\×\mathrm{\ξ}\×{\mathrm{\ω}}_r+{\mathrm{\ω}}_r^2}$

最后将该式进行Z变换，变换方法同上。

C₁(z)不能完全补偿P(z)的谐振峰值，此时剩余部分由C₂(z)来完成，其形式为：

$C_2\left(z\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^i+\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^{-i}}{2\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i+a_0}$

最终要使C₂(z)的第一个波谷处在P(z)的谐振角频率ω_r附近；

iii.Z^k用来补偿被控***的相位，k的取值是一个大于0的自然数。最后由K_r来完成增益补偿，K_r的取值要大于零小于一，Q(z)的取值同K_r。经过以上几步完成补偿器设计。

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