CN113949095A - 一种基于光伏储能型准z源并网逆变器的无源控制*** - Google Patents

一种基于光伏储能型准z源并网逆变器的无源控制*** Download PDF

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CN113949095A CN202111128479.3A CN202111128479A CN113949095A CN 113949095 A CN113949095 A CN 113949095A CN 202111128479 A CN202111128479 A CN 202111128479A CN 113949095 A CN113949095 A CN 113949095A
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陈海燕
鲍克勤
程启明
吴浩强
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Abstract

本发明涉及一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，该***包括光伏发电单元、后接三相阻感负载的储能型准Z源逆变器以及无源控制器，所述的储能型准Z源逆变器由储能型准Z源网络和三相并网逆变器构成，所述的光伏发电单元为储能型准Z源逆变器提供电能，所述的无源控制器分别以三相阻感负载的电压和电流的d、q轴分量数据、电池功率控制输出的d、q轴期望电流以及光伏功率控制输出的直通占空比作为输入，得到开关函数脉冲驱动逆变器开关管导通与关断。与现有技术相比，本发明具有结构简单、可调参数少、控制性能优良、充放电的灵活切换、动态性能好等优点。

Description

一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***
技术领域
本发明涉及微电网***控制领域，尤其是涉及一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***。
背景技术
在微电网***中，并网逆变器是其重要组成部分，逆变器性能的高低直接影响到微电网***的品质。传统的并网逆变器***多数采用电压源逆变器，这种并网逆变器多采用DC/DC+DC/AC双级式交换电路的并网策略，这增加了***的复杂程度和成本，Z源逆变器的提出，取代了两级式交换电路，为逆变器并网提供了新途径。
储能型qZSI结合了qZSI(准Z源并网逆变器)和储能技术的优点，这种在qZSI中加入嵌入式储能装置，增强了***对光伏功率波动的鲁棒性，且能够实现交流电与直流电之间高质量转换，在光伏发电、直驱式风力发电、燃料电池等应用中，前景更加广阔。
在工作拓扑确定的前提下，控制方法则直接决定着整体***性能。随着现代控制和智能控制的理论发展，反馈线性化、滑膜变结构和无差拍控制等多种非线性控制用到了并网逆变器的控制***中。这些控制方法都能够在不同程度上改进并网逆变器的缺陷，但自身也存在一定的不足。为实现电力电子变换器的非线性控制，无源控制已经用到了并网逆变器的控制之中，并取得了良好的控制效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，该***包括光伏发电单元、后接三相阻感负载的储能型准Z源逆变器以及无源控制器，所述的储能型准Z源逆变器由储能型准Z源网络和三相并网逆变器构成，所述的光伏发电单元为储能型准Z源逆变器提供电能，所述的无源控制器分别以三相阻感负载的电压和电流的d、q轴分量数据、电池功率控制输出的d、q轴期望电流以及光伏功率控制输出的直通占空比作为输入，得到开关函数脉冲驱动逆变器开关管导通与关断。
所述的储能型准Z源网络由电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、功率二极管D以及储能电池组成，所述的光伏发电单元正极以此通过功率二极管D和电感L2与逆变器输入端连接，所述的电容C2并联在功率二极管D和电感L2的两端，所述的电容C1的正极板连接到功率二极管D和电感L2之间，负极板与光伏发电单元的负极连接，所述的储能电池在串联一个储能单元电感Lb后并联在电容C1两端。
所述的储能型准Z源逆变器包括直通与非直通两种工作状态，则有：
在直通状态下，功率二极管D截止，光伏发电单元和电容向储能型准Z源逆变器中的电感充电，此时交流侧负载被短路，根据Kirchhoff定律得到直通模式下电路方程为：
Figure BDA0003279609420000021
在非直通状态下，功率二极管D导通，逆变器工作于6种有效矢量状态和2种零矢量状态，光伏发电单元和电感向储能型准Z源逆变器中的电容充电，此时交流侧等效为恒定电流源或开路，得到非直通模式下电路方程为：
Figure BDA0003279609420000022
其中，vL1、vL2和vC1、vC2分别为储能型准Z源逆变器中的电感L1、电感L2、电容C1和电容C2上的电压，Lb为储能单元电感，ibat、vbat为储能电池的电流和电压，Vpv为光伏输入电压，Vdc为直流链电压。
根据光伏发电单元的输出功率PPV与准Z源并网逆变器向电网输出的有功功率调度指令值Pref之间的关系，基于光伏储能型准Z源逆变器的工作方式具体包括5种模态，具体为：
模态1：当Ppv>Pref时，光伏电池功率在满足网侧所需功率后，剩余能量为储能电池充电；
模态2：当Ppv<Pref时，储能电池通过放电补充光伏功率缺额；
模态3：当Ppv＝Pref时，此时储能电池不充电也不放电，储能电池的荷电状态为恒定状态，直流侧光伏功率全部输送至网侧，为电网提供能量；
模态4：当Ppv＝0，处于深夜时，仅通过储能电池向网侧供应能量；
模态5：当Ppv＝0，处于深夜且电价处于谷段时，网侧向储能电池充电。
所述的无源控制器的设计方法具体为：
首先根据逆变器的拓扑结构获取逆变器的数学模型，再根据储能型准Z源网络的拓扑结构构建储能型准Z源网络的数学模型，结合得到储能型准Z源逆变器的数学模型，将其表示为无源E-L方程形式，在验证其具有严格的无源特性后，选取合适的能量函数和注入阻尼加速***快速达到期望点，得到***的无源控制规律，并结合PWM调制算法驱动逆变器开关动作。
所述的储能型准Z源网络的数学模型表达式为：
Figure BDA0003279609420000031
其中，D为直通占空比，idc为直流链电流。
根据开关函数定义以及三相并网逆变器的拓扑结构，进行abc/dq变换，得到三相并网逆变器在dq坐标系下的微分方程为：
Figure BDA0003279609420000041
其中，Lf、R分别为线路的等效电感、电阻，Sd、Sq分别为开关函数Sk在d、q坐标系下的分量，ved、veq分别为d、q坐标系下交流侧电压，id、iq分别为d、q坐标系下并网电流，ω为角频率，三相并网逆变器的开关函数Sk定义为：
Figure BDA0003279609420000042
所述的储能型准Z源逆变器的数学模型表达式为：
Figure BDA0003279609420000043
所述的储能型准Z源逆变器数学模型的无源E-L方程形式表示为：
Figure BDA0003279609420000044
Figure BDA0003279609420000045
Figure BDA0003279609420000051
Figure BDA0003279609420000052
Figure BDA0003279609420000053
Figure BDA0003279609420000054
其中，x为***状态向量，M为正定对角阵，J为用以反映逆变器***内部互联结构的反对称矩阵，R为用以反映***耗散特性的对称矩阵，u为***输入向量。
选取合适的能量函数和注入阻尼加速***快速达到期望点，得到***的新开关函数关系式，其表达式为：
Figure BDA0003279609420000061
将新的开关函数代入***的dq轴数学模型得到：
Figure BDA0003279609420000062
其中，idref、iqref、vC1ref、vC2ref、iL1ref、iL2ref分别为id、iq、vC1、vC2、iL1、iL2的期望值，R1、R2、R3、R4、R5和R6分别为注入阻尼。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明设计用于储能型准Z源并网逆变器的无源控制器与传统双闭环控制相比，具有结构简单、可调参数少、控制性能优良等特点。
二、在无源控制策略下，本发明的蓄电池能够吸收或释放能量，做到充、放电的灵活切换。
三、储能型qZSI光伏并网***可以通过无源控制策略获得更好的动态性能，使***中的蓄电池对光强变化及网侧功率变化快速响应，并能够自动弥补功率的缺额。
附图说明
图1为本发明储能型qZSI光伏并网***的结构框图。
图2为储能型qZSI逆变器两种工作状态的等效电路，其中，图(2a)为储能型准Z源逆变器直通等效电路图，图(2b)为储能型准Z源逆变器非直通等效电路图。
图3为三相逆变桥的拓扑结构。
图4为储能型qZSI无源控制***的结构框图。
图5为储能型qZSI稳态下实验曲线，其中，图(5a)为电池电流波形ibat，图(5b)为光伏电压波形VPV，图(5c)为直流链电压波形Vdc，图(5d)为三相输出电流波形iabc，图(5e)为a相输出电压波形va。
图6为光强变化时功率、蓄电池SOC动态曲线，其中，图(6a)为PI控制下Ppv/Pbat/Pout曲线，图(6b)为无源控制下的Ppv/Pbat/Pout曲线，图(6c)为无源控制下蓄电池的SOC曲线。
图7为负荷变化时功率、蓄电池荷电状态动态曲线，其中，图(7a)为PI控制下的Ppv/Pbat/Pout曲线，图(7b)为无源控制下的Ppv/Pbat/Pout曲线，图(7c)为无源控制下蓄电池的SOC曲线。
图8为模态1、2、3相互切换时功率、电池SOC动态曲线，其中，图(8a)为PI控制下的Ppv/Pbat/Pout曲线，图(8b)为无源控制下的Ppv/Pbat/Pout曲线，图(8c)为无源控制下蓄电池的SOC曲线。
图9为模态4功率Ppv/Pbat/Pout动态曲线。
图10为模态5功率Ppv/Pbat/Pout动态曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1为本发明储能型qZSI光伏并网***的结构框图，如图1所示，该***主要由光伏(Photovoltaic，PV)发电单元、储能型变换器单元以及电网组成。PV发电单元是由光伏电池及其最大功率点跟踪(MPPT)控制模块构成，光伏电池为整个光伏储能发电***供应电源；储能型变换器单元由储能电池及其qZSI构成。准Z源网络部分由电感L1～L2、电容C1～C2以及二极管D组成，储能单元部分由一个储能电池Vbat串联一个等效电感Lb后，并联到C1两端构成，通过能量的存储和调节，实现了整个***能量的相互转化，S1-S6分别为逆变器A、B、C三相桥臂上的6个可控开关管，La、Lb、Lc分别为线路的等效电感，vea、veb、vec分别为电网A、B、C三相交流电压。
图2为储能型qZSI逆变器两种工作状态的等效电路，能型准Z源逆变器通过切换直通与非直通状态的两种工作方式来获得升压效果。
假定一个开关周期为Ts，T0、T1分别为逆变器工作在直通、非直通模式下的时间，则Ts＝T0+T1，直通占空比为D＝T0/Ts，由伏秒平衡及安秒平衡原理可以得到电容电压和电感电流的稳态值分别为：
vC1＝(1-D)/(1-2D)VPV,vC1＝vC2+VPV (1)
vC2＝VPVD/(1-2D) (2)
iL2-iL1＝ibat (3)
其中，vC1、vC2分别为电容C1和C2的电压，VPV为光伏电压，iL1、iL2分别为电感L1和L2的电流，ibat为储能电池的电流；
准Z源的直流链峰值电压
Figure BDA0003279609420000081
为：
Figure BDA0003279609420000082
若不考虑蓄电池内阻上的电压降，电容C1的电压vC1将近似等于蓄电池电压vbat，因此直流链峰值电压
Figure BDA0003279609420000083
为：
Figure BDA0003279609420000084
逆变器的输出峰值相电压则是恒定的，它可表示为：
Figure BDA0003279609420000085
其中，M为调制比系数。
根据储能型准Z源网络的直通与非直通等效电路图，推导出单位开关周期内的平均状态方程：
Figure BDA0003279609420000091
其中，idc为准Z源的直流链电流，vbat为储能电池的电压。
根据开关函数定义和并网逆变器拓扑结构，进行abc/dq变换，得到并网逆变器在dq坐标系下的微分方程为：
Figure BDA0003279609420000092
其中Lf、R分别是线路的等效电感、电阻；Sd、Sq分别为开关函数Sk在d、q坐标系下的分量；ved、veq分别为d、q坐标系下交流侧电压；id、iq分别为d、q坐标系下并网电流；ω为角频率。
推导出储能型准Z源并网逆变器的数学模型为：
Figure BDA0003279609420000093
将式(9)写成无源控制要求的E-L方程形式：
Figure BDA0003279609420000094
其中，
Figure BDA0003279609420000101
Figure BDA0003279609420000102
Figure BDA0003279609420000103
式中：x为***状态向量；M为正定对角阵；J为反对称矩阵，即J＝-JT，其反映逆变器***内部互联结构；R为反映***耗散特性的对称矩阵；u为***输入向量。
选取控制规律为：
Figure BDA0003279609420000104
使得误差存储能量函数导数为：
Figure BDA0003279609420000105
其中，x*为***状态的期望平衡点，xe是误差变量，Rd为***固有阻尼与注入阻尼之和；Ra为***注入阻尼对角线矩阵。
联立式(10)和(11)，得到***开关函数的关系式为：
Figure BDA0003279609420000111
将新的开关函数代入***的dq轴数学模型可得：
Figure BDA0003279609420000112
其中，idref、iqref、vC1ref、vC2ref和iL1ref、iL2ref分别是id、iq、vC1、vC2和iL1、iL2的期望值。R1、R2、R3、R4、R5和R6是为注入阻尼。可得到E-L模型下储能型qZSI无源控制***的结构框图，如图4所示。
为了验证上文中的理论分析，对储能型qZSI无源控制***进行仿真。***参数为：光照强度800Lux，温度25℃，准Z源网络中电容、电感分别是300μF、10mH，电池额定容量40Ah，电池电压700V。线路中等效电感、电阻分别为5μH、1Ω。直通占空比D0是0.1，电网相电压有效值是220V，频率f等于50Hz。
图5为储能型qZSI在无源控制下的稳态工作波形。其中：图(5a)、(5b)、(5c)、(5d)、(5e)分别为电池电流、光伏电压、直流链电压、三相输出电流、a相输出电压的波形。此时光伏电池向网侧输送能量，并且给电池充电，光照强度为800Lux，逆变器向网侧输出的有功功率调度指令值为30kW，多余的能量储存在电池中，***始终满足Ppv+Pbat＝Pout的守恒条件。
图6是光强变化时功率、蓄电池SOC动态曲线。在0s～0.5s时光照强度为800Lux，在0.5s～1s时光照强度为400Lux；逆变器向网侧输出的有功功率指令值Pref为30kW。图6显示了光照强度变化下的实验结果。其中：图(6a)、(6b)、(6c)分别为PI控制下Ppv/Pbat/Pout曲线、无源控制下的Ppv/Pbat/Pout曲线、无源控制下蓄电池的SOC曲线。
图7为负荷变化时功率、蓄电池荷电状态动态曲线。为了验证***通过逆变器向网侧输出的有功功率调度指令值响应情况，光照强度保持在800Lux，Pref初始功率设定值为30kW，当t＝0.5s时，Pref阶跃到65kW。图7为负荷变化时功率、蓄电池SOC动态曲线。其中：图(7a)、(7b)、(7c)分别为PI控制下Ppv/Pbat/Pout曲线、无源控制下Ppv/Pbat/Pout曲线、无源控制下蓄电池SOC曲线。
图8是模态1、2、3相互切换时功率、电池SOC动态曲线。光照强度以1200Lux开始运行，第0.3s时光照强度降为800Lux，功率设定值为Pref＝45.5kW，使得***工作状态从模态2转到模态3，在0.6s时调节输出功率指令值从45.5kW增为60kW，使得***工作状态从模态3转到模态1。图8为模态1、2、3相互切换时功率、电池荷电状态动态曲线。其中：图(8a)、(8b)、(8c)分别为PI控制下Ppv/Pbat/Pout曲线、无源控制下的Ppv/Pbat/Pout曲线、无源控制下蓄电池SOC曲线。
图9是模态4功率Ppv/Pbat/Pout动态曲线。图9为电池向网侧提供能量时功率Ppv/Pbat/Pout动态曲线，此时***以模态4运行。由图可见，***以指令功率40kW开始工作，在0.5s时网侧所需的有功指令由40kW升至60kW，忽略功率损耗，可把Pb和Pout看作相等，即网侧所需能量全部由蓄电池提供。因此，蓄电池在无源控制下能够有效地补偿网侧功率，从而提高***鲁棒性。
图10是模态5功率Ppv/Pbat/Pout动态曲线。当深夜电价处于谷段且用电需求下降时，相对白天的电价，此时电价较为实惠，可以用来给电池充电。图10为电网向电池充电时功率Ppv/Pbat/Pout的动态曲线，此时***工作在模态5。由图可见，开始运行时***以10kW输出功率向电池充电，当0.5s时，由于夜晚用电需求量降低，电网以30kW输出功率加紧给电池充电。忽略功率损耗，可以把Pb和Pout看作相等。因此，蓄电池在无源控制下可以平稳高效地从电网吸收能量。

Claims (10)

1.一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，该***包括光伏发电单元、后接三相阻感负载的储能型准Z源逆变器以及无源控制器，所述的储能型准Z源逆变器由储能型准Z源网络和三相并网逆变器构成，所述的光伏发电单元为储能型准Z源逆变器提供电能，所述的无源控制器分别以三相阻感负载的电压和电流的d、q轴分量数据、电池功率控制输出的d、q轴期望电流以及光伏功率控制输出的直通占空比作为输入，得到开关函数脉冲驱动逆变器开关管导通与关断。
2.根据权利要求1所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，所述的储能型准Z源网络由电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、功率二极管D以及储能电池组成，所述的光伏发电单元正极以此通过功率二极管D和电感L2与逆变器输入端连接，所述的电容C2并联在功率二极管D和电感L2的两端，所述的电容C1的正极板连接到功率二极管D和电感L2之间，负极板与光伏发电单元的负极连接，所述的储能电池在串联一个储能单元电感Lb后并联在电容C1两端。
3.根据权利要求2所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，所述的储能型准Z源逆变器包括直通与非直通两种工作状态，则有：
在直通状态下，功率二极管D截止，光伏发电单元和电容向储能型准Z源逆变器中的电感充电，此时交流侧负载被短路，根据Kirchhoff定律得到直通模式下电路方程为：
Figure FDA0003279609410000011
在非直通状态下，功率二极管D导通，逆变器工作于6种有效矢量状态和2种零矢量状态，光伏发电单元和电感向储能型准Z源逆变器中的电容充电，此时交流侧等效为恒定电流源或开路，得到非直通模式下电路方程为：
Figure FDA0003279609410000021
其中，vL1、vL2和vC1、vC2分别为储能型准Z源逆变器中的电感L1、电感L2、电容C1和电容C2上的电压，Lb为储能单元电感，ibat、vbat为储能电池的电流和电压，Vpv为光伏输入电压，Vdc为直流链电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，根据光伏发电单元的输出功率PPV与准Z源并网逆变器向电网输出的有功功率调度指令值Pref之间的关系，基于光伏储能型准Z源逆变器的工作方式具体包括5种模态，具体为：
模态1：当Ppv>Pref时，光伏电池功率在满足网侧所需功率后，剩余能量为储能电池充电；
模态2：当Ppv<Pref时，储能电池通过放电补充光伏功率缺额；
模态3：当Ppv＝Pref时，此时储能电池不充电也不放电，储能电池的荷电状态为恒定状态，直流侧光伏功率全部输送至网侧，为电网提供能量；
模态4：当Ppv＝0，处于深夜时，仅通过储能电池向网侧供应能量；
模态5：当Ppv＝0，处于深夜且电价处于谷段时，网侧向储能电池充电。
5.根据权利要求3所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，所述的无源控制器的设计方法具体为：
首先根据逆变器的拓扑结构获取逆变器的数学模型，再根据储能型准Z源网络的拓扑结构构建储能型准Z源网络的数学模型，结合得到储能型准Z源逆变器的数学模型，将其表示为无源E-L方程形式，在验证其具有严格的无源特性后，选取合适的能量函数和注入阻尼加速***快速达到期望点，得到***的无源控制规律，并结合PWM调制算法驱动逆变器开关动作。
6.根据权利要求5所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，所述的储能型准Z源网络的数学模型表达式为：
Figure FDA0003279609410000031
其中，D为直通占空比，idc为直流链电流。
7.根据权利要求5所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，根据开关函数定义以及三相并网逆变器的拓扑结构，进行abc/dq变换，得到三相并网逆变器在dq坐标系下的微分方程为：
Figure FDA0003279609410000032
其中，Lf、R分别为线路的等效电感、电阻，Sd、Sq分别为开关函数Sk在d、q坐标系下的分量，ved、veq分别为d、q坐标系下交流侧电压，id、iq分别为d、q坐标系下并网电流，ω为角频率，三相并网逆变器的开关函数Sk定义为：
Figure FDA0003279609410000033
8.根据权利要求7所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，所述的储能型准Z源逆变器的数学模型表达式为：
Figure FDA0003279609410000041
9.根据权利要求8所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，所述的储能型准Z源逆变器数学模型的无源E-L方程形式表示为：
Figure FDA0003279609410000042
Figure FDA0003279609410000043
Figure FDA0003279609410000044
Figure FDA0003279609410000051
Figure FDA0003279609410000052
Figure FDA0003279609410000053
其中，x为***状态向量，M为正定对角阵，J为用以反映逆变器***内部互联结构的反对称矩阵，R为用以反映***耗散特性的对称矩阵，u为***输入向量。
10.根据权利要求9所述的一种基于光伏储能型准Z源并网逆变器的无源控制***，其特征在于，选取合适的能量函数和注入阻尼加速***快速达到期望点，得到***的新开关函数关系式，其表达式为：
Figure FDA0003279609410000061
将新的开关函数代入***的dq轴数学模型得到：
Figure FDA0003279609410000062
其中，idref、iqref、vC1ref、vC2ref、iL1ref、iL2ref分别为id、iq、vC1、vC2、iL1、iL2的期望值，R1、R2、R3、R4、R5和R6分别为注入阻尼。
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