CN103606954A - 一种新型光伏并网发电控制方法 - Google Patents

一种新型光伏并网发电控制方法 Download PDF

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CN103606954A CN201310610087.XA CN201310610087A CN103606954A CN 103606954 A CN103606954 A CN 103606954A CN 201310610087 A CN201310610087 A CN 201310610087A CN 103606954 A CN103606954 A CN 103606954A
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朱昊
韦钢
翟春荣
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Abstract

本发明涉及一种新型光伏并网发电控制方法，控制分别包括功率控制环节和双环控制环节，功率控制环节通过下垂特性得到电网***的频率和电压幅值的参考信号，采用PI控制器自动跟踪设定的下垂特性，基于自抗扰技术的双环控制，继而达到控制输出有功功率和无功功率的目的。基于自抗扰技术的光伏并网发电控制方法，设计步骤简单，自抗扰控制结构具有较强的抗干扰能力，能够实现光伏并网模式下的功率的平衡跟踪，以及频率和电压幅值的无差调节，增强了光伏并网***的运行可靠性与安全性。且此控制方法具有一般性的意义，适用范围广，为复杂非线性被控对象的控制提供了新的思路。

Description

一种新型光伏并网发电控制方法
技术领域
本发明涉及一种微电网控制技术，特别涉及一种新型光伏并网发电控制方法。
背景技术
光伏发电（PVG）并网技术是目前国内外研究的热点。PVG***并网运行能够提高电网供电的可靠性、减少峰谷差和***备用等。
在光伏并网发电***中，对电网的跟踪控制直接关系到输出电能质量和***的运行效率，是***的核心和技术关键。但是由于光伏发电受天气、光照等不确定因素的影响，所以其输出功率具有波动性、间断性等特点。在光伏发电***中可以加入储能装置，合理地调节光伏发电的输出功率。
光伏并网控制的目的是保持并网***电压幅值和频率在设定值上运行，以及微电网***功率的供需平衡，满足光伏并网***供电可靠性、负荷需求。但目前的控制方法的控制效果均不理想。
本发明考虑传统恒功率控制策略的局限性，提出一种自抗扰下垂功率控制方法，应用于光伏并网发电***中，实现光伏并网发电模式下的功率的平衡跟踪控制，以及频率和电压无差调节，保证地区性光伏并网发电***的稳定运行。
发明内容
本发明是针对传统恒功率控制策略的局限性的问题，提出一种新型光伏并网发电控制方法，应用于光伏并网发电***中，实现光伏并网发电模式下的功率的平衡跟踪控制，以及频率和电压无差调节，保证地区性光伏并网发电***的稳定运行。
本发明的技术方案为：一种新型光伏并网发电控制方法，光伏并网发电控制***包括光伏电池、逆变装置、滤波装置、线路、控制器、负荷以及配电网，控制器包括下垂控制部分、基于自抗扰技术的双环控制部分和空间矢量脉宽调制电路，光伏电池直流侧输出电压，经空间矢量脉宽调制转换成三相交流电；逆变装置输出通过LC滤波器滤除高次谐波给负载供电，同时通过开关接配电网；将负载和网电流之和                                               
Figure 737663DEST_PATH_IMAGE002
与负载电压
Figure 491993DEST_PATH_IMAGE004
送入控制器进行功率计算，控制器输出逆变器实际输出有功和无功功率、
Figure 690073DEST_PATH_IMAGE008
，逆变器的电压幅值和频率输出值
Figure 119917DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 361543DEST_PATH_IMAGE012
、参考功率有功和无功值
Figure 558038DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 201509DEST_PATH_IMAGE016
和逆变器实际输出有功和无功功率
Figure 536675DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 468859DEST_PATH_IMAGE008
送入下垂控制部分，下垂控制部分计算得到的电压参考信号
Figure 547673DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 45651DEST_PATH_IMAGE020
送基于自抗扰技术的双环控制部分，基于自抗扰技术的双环控制部分输出电压信号
Figure 817298DEST_PATH_IMAGE022
到空间矢量脉宽调制电路，空间矢量脉宽调制电路控制逆变电路调整三相交流电输出。
所述下垂控制部分计算：参考有功功率值
Figure 954887DEST_PATH_IMAGE014
和逆变器实际输出功率
Figure 837392DEST_PATH_IMAGE006
比较后送比例器，比例器输出与逆变器频率输出值
Figure 70108DEST_PATH_IMAGE012
相加后与逆变器实际输出频率f比较，比较结果送PI控制器自动跟踪相角θ；同时参考无功功率值
Figure 508042DEST_PATH_IMAGE016
和逆变器实际输出无功功率比较后送比例器
Figure 401229DEST_PATH_IMAGE026
，比例器输出与逆变器的电压幅值
Figure 701629DEST_PATH_IMAGE028
相加后与逆变器实际输出电压幅值
Figure 626860DEST_PATH_IMAGE030
比较，比较结果送PI控制器自动跟踪参考电压幅值
Figure 851168DEST_PATH_IMAGE032
；通过跟踪参考电压幅值
Figure 584768DEST_PATH_IMAGE032
和相角θ，计算得到逆变器控制信号直轴和交轴分量。
本发明的有益效果在于：本发明新型光伏并网发电控制方法，基于自抗扰技术的光伏并网发电控制方法，设计步骤简单，自抗扰控制结构具有较强的抗干扰能力，能够实现光伏并网模式下的功率的平衡跟踪，以及频率和电压幅值的无差调节，增强了光伏并网***的运行可靠性与安全性。。且此控制方法具有一般性的意义，适用范围广，为复杂非线性被控对象的控制提供了新的思路。
附图说明
图1为本发二阶线性自抗扰控制结构图；
图2为本发功率控制结构图；
图3为本发电压电流双环控制结构图；
图4为本发基于自抗扰技术的双环控制结构图；
图5为本发明基于自抗扰技术的光伏并网发电控制***结构图；
图6为本发明光伏并网发电控制***仿真模型图；
图7为本发明光伏并网发电***输出有功功率曲线图；
图8为本发明光伏并网发电***输出无功功率曲线图；
图9为本发明光伏发电并网***频率波形对比图。
具体实施方式
本发明运用自抗扰控制技术对光伏并网发电控制器进行设计，实现光伏并网发电模式下的功率的平衡跟踪控制，以及频率和电压无差调节，保证地区性光伏并网发电***的稳定运行。
本发明的技术方案如下：
（1）构建二阶线性自抗扰控制器:
针对自抗扰控制器参数整定的复杂性，提出一种线性化的自抗扰控制器。设一类不确定对象为
Figure 869119DEST_PATH_IMAGE034
，其中，
Figure 281646DEST_PATH_IMAGE036
为输入，y为输出，d为常系数，w为外部扰动。是y的导数。
将外部扰动加入***动态模型中，可改为:
Figure DEST_PATH_IMAGE040
构造状态空间模型：
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
， 
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为状态变量的导数，x为状态变量；f为扰动变量。
则***的线性扩张状态观测器LESO可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
表示观测器的增益向量；
Figure DEST_PATH_IMAGE060
表示观测器的状态向量，b 0表示输入信号的系数矩阵。
二阶线性自抗扰控制器结构，如图1二阶线性自抗扰控制结构图。其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
；
Figure DEST_PATH_IMAGE066
；
Figure DEST_PATH_IMAGE068
是观测器的带宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
是控制器的带宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
是控制量。二阶线性自抗扰控制器的设计需要调节
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
三个参数，大大简化了控制器的参数整定过程。
（2）基于自抗扰技术的光伏并网发电控制器:
基于自抗扰技术的下垂控制结构由两部分组成，分别是功率控制环节和双环控制环节。功率控制环节通过下垂特性得到电网***的频率和电压幅值的参考信号，采用PI控制器自动跟踪设定的下垂特性，继而达到控制输出有功功率和无功功率的目的。
下垂控制策略常采用电压电流双环控制方案。电压外环保证输出电压的稳定；电流内环能够及时跟踪电流信号，加快逆变器的动态响应过程，保证电能质量的要求。由于电容电流对负荷扰动具有较好的抑制作用，故采用电容电流内环电压外环控制。
如图2所示功率控制结构图，
Figure 198884DEST_PATH_IMAGE032
和分别为逆变器的电压幅值和频率参考值；
Figure 513191DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 85118DEST_PATH_IMAGE012
分别为逆变器的电压幅值和频率输出值。P n和P分别是逆变器单元有功功率的基准值和实际输出值；
Figure DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure DEST_PATH_IMAGE082
分别是逆变器单元无功功率的基准值和实际输出值。一般情况下无功功率基准值为0；
Figure 103758DEST_PATH_IMAGE024
和为下垂系数，其中
Figure 766001DEST_PATH_IMAGE026
为负值。
Figure DEST_PATH_IMAGE084
和
Figure DEST_PATH_IMAGE086
分别为控制信号直轴和交轴分量。功率控制环节通过下垂特性得到电网频率和电压幅值的参考信号
Figure DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，采用PI控制器自动跟踪设定的下垂特性，继而达到控制输出有功和无功功率
Figure DEST_PATH_IMAGE094
的目的。
如图3电压电流双环控制结构图。
Figure DEST_PATH_IMAGE096
为双环控制参考电压幅值直轴分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE098
为双环控制电压幅值直轴分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE100
为双环控制电压幅值交轴分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE102
为双环控制参考电压幅值交轴分量；为双环控制电流信号直轴分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE106
为双环控制电流信号交轴分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE108
为SVPWM调制电压信号直轴分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE110
为SVPWM调制电压信号交轴分量。I d、I q表示实际电流信号直轴和交轴分量，ωC f、ωL f 分别表示电压信号和电流信号前馈系数，作用是分别对电压、电流信号的直轴和交轴分量进行解耦，使得直轴分量和交轴分量互不影响。
如图4基于自抗扰技术的双环控制结构图。电流电压双环控制中电压外环采用自抗扰控制技术；电流内环采用电容电流瞬时值比例控制，同时加入电压前馈环节，以抑制逆变器输出电压对微电网的影响。其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE112
为电压给定信号；
Figure 340071DEST_PATH_IMAGE022
为输出电压信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE114
为电流给定信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE116
为电感电流信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE118
为电容电流信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE120
与
Figure DEST_PATH_IMAGE122
比较经电流P调节器后形成控制量；
Figure DEST_PATH_IMAGE126
为SPWM逆变器传递函数。
Figure DEST_PATH_IMAGE128
为逆变器输出电压信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE130
为电容；
Figure DEST_PATH_IMAGE132
为电感；为电流扰动信号，CS是电压前馈环节；S是复频域变量；LESO是扩张状态观测器。
通过自抗扰技术的控制，在较短的时间内，逆变器输出电流能很快稳定。与传统PI控制比较，自抗扰控制下的逆变器输出电流能够平稳实现并网目的。当***存在来自外部或内部扰动时，可能会引起并网冲击电流。自抗扰控制技术较强的抗干扰能力，可为***的安全运行提供保障。
采用电流电压双环控制，引入自抗扰控制环节，电流内环跟踪电流控制，电压外环采用自抗扰控制，负载前端电压信号与电压给定信号进入自抗扰控制器，自抗扰控制器输出和电压前馈环节共同作用作为电压外环控制输出，电流给定信号、采集的电容电流信号和电压外环控制输出进入电流内环P调节器，P调节器输出经过逆变器传递函数到逆变装置。
（3）基于自抗扰技术的光伏并网发电控制***结构设计：
构建基于自抗扰技术的光伏并网发电控制***。控制***包括光伏电池、逆变装置、滤波装置、线路、控制器部分、负荷以及配电网等，如图5基于自抗扰技术的光伏并网发电控制***结构图。
光伏电池直流侧输出电压，经空间矢量脉宽调制（SVPWM）转换成三相交流电；采用LC滤波器滤除高次谐波，
Figure DEST_PATH_IMAGE136
为滤波电感；
Figure DEST_PATH_IMAGE138
为滤波电容；为滤波电阻；为线路阻抗；Z为负载；
Figure DEST_PATH_IMAGE144
、
Figure DEST_PATH_IMAGE146
分别为逆变器输出电压和滤波电感上的电流；
Figure DEST_PATH_IMAGE148
为滤波电容电压；为滤波电容电流；
Figure 77914DEST_PATH_IMAGE002
为负载和网电流之和；
Figure 155460DEST_PATH_IMAGE004
为负载电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE152
、
Figure DEST_PATH_IMAGE154
分别为开关点两侧的电压；下标
Figure DEST_PATH_IMAGE156
为a、b、c三相。经功率计算，
Figure 77149DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 685985DEST_PATH_IMAGE008
为逆变器实际输出功率；
Figure 859477DEST_PATH_IMAGE014
、为参考功率值，可由调度部门提供；将负载和网电流之和
Figure 962748DEST_PATH_IMAGE002
与负载电压
Figure 58880DEST_PATH_IMAGE004
送入控制器进行功率计算，控制器输出逆变器实际输出功率
Figure 708167DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 573355DEST_PATH_IMAGE008
，逆变器的电压幅值和频率输出值和
Figure 217012DEST_PATH_IMAGE012
、参考功率值、
Figure 452001DEST_PATH_IMAGE016
和逆变器实际输出功率
Figure 965022DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 35746DEST_PATH_IMAGE008
送入下垂控制部分，下垂控制部分计算得到的电压参考信号
Figure 89153DEST_PATH_IMAGE018
、送基于自抗扰技术的双环控制部分，基于自抗扰技术的双环控制部分输出电压信号
Figure 596544DEST_PATH_IMAGE022
到空间矢量脉宽调制电路，空间矢量脉宽调制电路控制逆变电路调整三相交流电输出。
（4）微电网控制***的仿真模型构建：
基于MATLAB/simulink仿真平台，对所提出的新型光伏并网发电控制策略进行动态仿真验证。
如图6光伏并网发电控制***仿真模型图。PV光伏发电***通过滤波装置、线路，经升压变压器与配电网相连。
仿真参数如下：交流侧母线电压等级为0.4kV,通过升压变压器接入电压等级为10kV的配电网；频率为50Hz；光伏输出参考线电压取为311V；LC滤波器中电感
Figure DEST_PATH_IMAGE158
，电感
Figure DEST_PATH_IMAGE160
；电阻
Figure DEST_PATH_IMAGE162
；线路
Figure DEST_PATH_IMAGE164
；下垂控制策略中下垂系数分别取为
Figure DEST_PATH_IMAGE166
；自抗扰控制参数分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE168
；PI控制参数为
Figure DEST_PATH_IMAGE170
。光伏参数：电池温度
Figure DEST_PATH_IMAGE172
；光照强度
Figure DEST_PATH_IMAGE174
 。光伏发电***额定输出功率为
Figure DEST_PATH_IMAGE176
；初始状态下
Figure DEST_PATH_IMAGE178
。 
当负荷发生波动时，观测光伏并网发电***输出功率的变化，当t=0s, 初始负荷
Figure DEST_PATH_IMAGE180
；当t=0.5s，投入负荷后，
Figure DEST_PATH_IMAGE182
；当t=1s, 投入负荷后，；当t=1.5s, 切除负荷后，
Figure DEST_PATH_IMAGE186
；当t=2s, 切除负荷后，
Figure DEST_PATH_IMAGE188
。
仿真结果，如图7所示光伏并网发电***输出有功功率曲线图。当负荷发生波动时，大电网承担负荷波动导致的电网功率变化，光伏电池输出最大功率为3kW。光伏逆变器输出有功功率能够快速跟踪光伏电池的最大功率，且经过短暂的调整，能够维持恒定输出。
如图8所示光伏并网发电***输出无功功率曲线图。***的无功负荷主要由主配电网来承担，当无功负荷发生波动时，配电网会自动跟踪无功负荷的变化，及时调整输出无功功率。光伏发电***基本不提供无功支持。
分别对光伏并网***进行传统恒功率控制和自抗扰下垂控制，观测电网频率波形。如图9所示光伏发电并网***频率波形对比图。当光伏发电***采用自抗扰下垂控制策略进行并网控制时，在频率控制中，其超调量得到了明显的抑制，且调整时间较短，控制效果明显优于传统恒功率控制策略。
本发明所提出的一种基于自抗扰技术的光伏并网发电控制方法，理论清晰，设计步骤简单，适应范围广，对于复杂被控对象具有较好的控制效果。将自抗扰控制技术应用于光伏并网发电控制策略中，实现光伏并网模式下的功率的平衡跟踪，以及频率和电压幅值的无差调节，增强了光伏并网***的运行可靠性与安全性。。且此控制方法具有一般性的意义，适用范围广，为复杂非线性被控对象的控制提供了新的思路。

Claims (2)

1.一种新型光伏并网发电控制方法，其特征在于，光伏并网发电控制***包括光伏电池、逆变装置、滤波装置、线路、控制器、负荷以及配电网，控制器包括下垂控制部分、基于自抗扰技术的双环控制部分和空间矢量脉宽调制电路，光伏电池直流侧输出电压，经空间矢量脉宽调制转换成三相交流电；逆变装置输出通过LC滤波器滤除高次谐波给负载供电，同时通过开关接配电网；将负载和网电流之和                                               
Figure 55737DEST_PATH_IMAGE002
与负载电压
Figure 201310610087X100001DEST_PATH_IMAGE004
送入控制器进行功率计算，控制器输出逆变器实际输出有功和无功功率
Figure 201310610087X100001DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 201310610087X100001DEST_PATH_IMAGE008
，逆变器的电压幅值和频率输出值
Figure 201310610087X100001DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 201310610087X100001DEST_PATH_IMAGE012
、参考功率有功和无功值
Figure 201310610087X100001DEST_PATH_IMAGE014
、和逆变器实际输出有功和无功功率、
Figure 611669DEST_PATH_IMAGE008
送入下垂控制部分，下垂控制部分计算得到的电压参考信号
Figure 201310610087X100001DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure DEST_PATH_IMAGE020
送基于自抗扰技术的双环控制部分，基于自抗扰技术的双环控制部分输出电压信号到空间矢量脉宽调制电路，空间矢量脉宽调制电路控制逆变电路调整三相交流电输出。
2.根据权利要求1所述新型光伏并网发电控制方法，其特征在于，所述下垂控制部分计算：参考有功功率值
Figure 131512DEST_PATH_IMAGE014
和逆变器实际输出功率比较后送比例器
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，比例器输出与逆变器频率输出值
Figure 830664DEST_PATH_IMAGE012
相加后与逆变器实际输出频率f比较，比较结果送PI控制器自动跟踪相角θ；同时参考无功功率值和逆变器实际输出无功功率
Figure 358914DEST_PATH_IMAGE008
比较后送比例器，比例器输出与逆变器的电压幅值相加后与逆变器实际输出电压幅值比较，比较结果送PI控制器自动跟踪参考电压幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；通过跟踪参考电压幅值
Figure 418006DEST_PATH_IMAGE032
和相角θ，计算得到逆变器控制信号直轴和交轴分量。
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