CN103595278A - 太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法。本发明的技术方案要点为：电网电压不平衡下太阳能发电***网侧变换器谐振控制方法，包括8个主要步骤，具体公开了每个步骤的具体控制过程及实施方式，最终将得到的参考电压经空间矢量调制后，得到对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号，再实现对网侧变换器功率平衡谐振控制。在电网电压不平衡时，本发明控制方法不包含旋转坐标变换及正负序分解运算，能够有效保持网侧变换器侧功率平衡，抑制直流母线电压波动，保证电网电流的正弦度，提高电网电压不平衡时太阳能发电***网侧变换器的运行能力。

Description

太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法

 

技术领域

    本发明涉及一种太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法，属于电力电子功率变换装置控制领域。

背景技术

当电网电压不平衡时，太阳能发电***中网侧变换器的输出功率出现波动、输出电流发生畸变、直流母线电压产生二倍频脉动，这将影响太阳能发电***的运行状态。现有解决方案是采用对称分量理论对***进行正、负序分解，并分别建立相应的正、负序电流内环控制结构。该方法需要在电流内环进行正、负序分解运算和旋转坐标变换，这将增加控制器的复杂程度，降低***的动态响应。另外，由电网输入功率求取正、负序电流参考值的方法，此方法可以获得较为稳定的输入功率，但由于没有考虑变换器滤波电抗的影响，网侧变换器输出功率和直流母线电压将会出现二倍频波动。

因此，有必要设计一种太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法，在电网电压不平衡条件下，控制方法不需要正负序分解运算及旋转坐标变换，通过控制变换器侧功率平衡，抑制直流母线电压脉动，保持输出电流正弦，保证太阳能发电***的控制品质。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法，该方法可以控制变换器侧功率平衡，抑制直流电压二倍频脉动，保证电流的正弦度，有效减少网侧电流谐波，提高太阳能发电***网侧变换器在电网电压不平衡时的控制品质。

本发明的技术方案为：太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法，其特征在于包括以下步骤：(l)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压，三相电网电流和直流侧电压；(2)、将步骤(l)检测到的三相电网电压和三相电网电流经abc/αβ变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和电网电流；(3)、将步骤(2)计算得到的两相静止坐标系下的电网电压经过信号延迟得到电网电压延迟量；(4)、将直流电压参考值与步骤(1)得到的直流侧电压相减，将差值经过PI控制器后再与直流电压参考值相乘得到网侧变换器有功功率参考值；(5)、由步骤(2)得到的电网电压和步骤(3)得到的电网电压延迟量及步骤(4)得到的有功功率参考值，根据参考电流计算式，获得参考电流；(6)、将参考电流与步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电流做差，将差值经过比例谐振控制器，得到控制器输出电压；(7)、根据参考电压计算式，根据控制器输出电压获得参考电压；(8)、用步骤(7)得到的参考电压，经过空间矢量调制SVM获得开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(5)中所述的参考电流计算式如下：

                 

式中， 

， 。

本发明的控制方法在电网电压不平衡条件下，通过控制变换器侧功率平衡保证直流母线电压稳定、网侧电流正弦，整个控制过程基于两相静止坐标系，避免了旋转坐标变换，控制方法不包含正负序分解与锁相环节，控制结构简单，计算量较小。

附图说明

图1为太阳能发电***结构图，图2为本发明控制方法的原理图，图3为采用本发明控制方法时变换器输出电流波形图，图4为采用本发明控制方法的直流母线电压波形图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。太阳能发电***结构如图1所示，太阳能阵列通过dc-dc变换器、直流母线、网侧变换器经滤波电抗器和升压变压器与电网相连，网侧变换器的输出电流直接决定了输出到电网的电流谐波含量。

网侧变换器在两相静止α-β坐标系下的数学模型为

                                       

      (1)

式中，u _gα、u _gβ分别为电网电压的α、β轴分量；u _cα、u _cβ分别为变换器输出电压的α、β轴分量；i _gα、i _gβ分别为电网电流的α、β轴分量；L _g、R _g分别为电抗器电感值及线路等效电阻。

两相静止α-β坐标系下电网电压、变换器输出电压、电网电流以及各自延迟90°后的延迟量可分别表示为

             

   ，   

    (2)

                   ，       (3)

               

   ，   

    (4)

式中，U _gα、U _gβ分别为电网电压的α、β轴分量幅值；U _cα、U _cβ分别为变换器输出电压的α、β轴分量幅值；I _gα、I _gβ分别为电网电流的α、β轴分量幅值；θ ₁~θ ₆分别为对应的初相角；上标“′”表示各变量的延迟量；ω为电网电压角频率。

变换器输出有功功率P _c和无功功率Q _c为

                                        

      (5)

联立式(3)~式(5)得

(6)

式中，第一项和第二项分别为网侧变换器输出有功功率直流分量

和二次谐波分量。

联立式(3)、式(4)和式(6)可得

(7)

其中

             

   (8)

同理，可求出网侧变换器输出无功功率的直流分量

与二次谐波分量

为

(9)

其中

               

 (10)

图2为太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法原理图。图中，u _ga(t)、u _gb(t)、u _gc(t)分别为三相静止坐标系下的电网电压；u _ca(t)、u _cb(t)、u _cc(t)分别为三相静止坐标系下的光伏逆变器输出电压；i _ga(t)、i _gb(t)、i _gc(t)分别为三相静止坐标系下的电网电流；u _dc(t)为直流母线电压；P ^*(t)为有功功率参考值；C为直流侧电容。电压外环采用PI控制器对直流电压u _dc(t)进行调节，并为电流控制环提供参考功率P ^*(t)。

根据式(1)，采用比例谐振控制原则，变换器控制参考电压可设计为

    (11)

其中控制器输出电压可表示为

    (12)

式中，上标“^*”表示参考值；k _pr、k _ir分别为比例谐振控制器的比例、谐振系数。

本发明功率平衡谐振控制是根据网侧变换器输出功率平衡原理计算参考电流。为了抑制直流电压二倍频脉动，减小电网电流畸变，计算参考电流时需考虑变换器输出有功功率直流分量恒定、谐波分量为零，同时控制无功功率直流分量为零来保证网侧变换器单位功率因数，即

                                                            

    (13)

由式(7)可知，为使

可令

。

由式(7)、式(9)与式(13)可得

                   

    (14)

求解上式得参考电流、

与参考电流延迟量

、

分别为

                                                           (15)

                                                     

      (16)

其中，

。

由于变换器输出电压存在大量的开关谐波，由式(15)计算出的参考电流存在较大误差。为了避免对变换器输出电压进行延迟计算，减小参考电流计算误差，变换器输出电压的延迟量由电网电压延迟量与电网电流计算得到，由于滤波电抗器上的等效电阻R _g阻值很小，可以忽略。根据式(1)~式(4)，并用参考电流代替电网电流，变换器输出电压及其延迟量可表示为

   ，   

 (17)

由式(14)~式(17)得

 ， 

  (18)

式中，

，。

将式(18)代入式(15)，可得

                                       

    (19)

式中，。

由式(19)可知，根据电网电压、电网电压延迟量与滤波电抗器的电感值可以求得参考电流。电网电压不平衡时，以式(19)为基础设计的比例谐振控制考虑了网侧与滤波电抗器总的有功功率脉动，保证变换器输出有功功率平衡，从而抑制直流电压脉动。

将式(19)的参考电流代入式(11)，得到两相静止坐标系下的参考电压，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

根据以上分析，太阳能发电***网侧变换器的控制方法具体包括如下步骤：

(l)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压u _ga(t)、u _gb(t)、u _gc(t)，三相电网电流i _ga(t)、i _gb(t)、i _gc(t)和直流侧电压u _dc(t)；

(2)、将步骤(l)检测到的三相电网电压u _ga(t)、u _gb(t)、u _gc(t)和三相电网电流i _ga(t)、i _gb(t)、i _gc(t)经abc/αβ变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压u _gα(t)、u _gβ(t)和电网电流i _gα(t)、i _gβ(t)；

(3)、将步骤(2)计算得到的两相静止坐标系下的电网电压u _gα(t)、u _gβ(t)经过信号延迟得到电网电压延迟量u’ _gα(t)、u’ _gβ(t)；

(4)、将直流电压参考值u ^* _dc(t)与步骤(1)得到的直流侧电压u _dc(t)相减的结果，经过PI控制器后再与直流电压参考值u ^* _dc(t)相乘得到网侧变换器有功功率参考值P ^* (t)；

(5)、由步骤(2)得到的电网电压u _gα(t)、u _gβ(t)和步骤(3)得到的电网电压延迟量u’ _gα(t)、u’ _gβ(t)及步骤(4)得到的有功功率参考值P ^* (t)，根据参考电流计算式，获得参考电流i ^* _gα(t)、i ^* _gβ(t)；

(6)、将参考电流i ^* _gα(t)、i ^* _gβ(t)与步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电流i _gα(t)、i _gβ(t)做差，将差值经过比例谐振控制器，得到控制器输出电压v _gα(t)、v _gβ(t)；

(7)、根据参考电压计算式，根据控制器输出电压获得参考电压u ^* _cα(t)、u ^* _cβ(t)；

(8)、用步骤(7)得到的参考电压，经过空间矢量调制SVM获得开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(5)中所述的参考电流计算式如下：

                

式中， 

， 

。

图3为采用本发明控制方法的电网电流波形图，由图3可以看出，采用本发明控制算法，电网三相电流的正弦度较好，谐波含量得到较好的抑制。

图4为采用本发明控制方法的直流侧电压波形图，由图中可以看出，当电网电压不平衡时，直流母线电压二倍频脉动较小，本发明控制方法可以在电网电压不平衡情况下，获得稳定的直流母线电压。

综上所述，本发明的控制方法在不平衡电网电压下能够有效的抑制直流母线电压脉动，减少三相电流畸变，增强了太阳能发电***网侧变换器的运行能力，且结构简单，计算量小。

Claims (2)

1.太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(l)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压，三相电网电流和直流侧电压；(2)、将步骤(l)检测到的三相电网电压和三相电网电流经abc/αβ变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和电网电流；(3)、将步骤(2)计算得到的两相静止坐标系下的电网电压经过信号延迟得到电网电压延迟量；(4)、将直流电压参考值与步骤(1)得到的直流侧电压相减，将差值经过PI控制器后再与直流电压参考值相乘得到网侧变换器有功功率参考值；(5)、由步骤(2)得到的电网电压和步骤(3)得到的电网电压延迟量及步骤(4)得到的有功功率参考值，根据参考电流计算式，获得参考电流；(6)、将参考电流与步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电流做差，将差值经过比例谐振控制器，得到控制器输出电压；(7)、根据参考电压计算式，根据控制器输出电压获得参考电压；(8)、用步骤(7)得到的参考电压，经过空间矢量调制SVM获得开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

2.根据权利要求1所述的太阳能发电***网侧变换器功率平衡谐振控制方法，其特征在于步骤(5)中所述的参考电流计算式如下：

  

式中， 

， 

。

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