CN101777776A - 一种基于同步发电机模型的智能型光伏并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于同步发电机模型的智能型光伏并网逆变器控制方法，属于光伏并网控制技术领域。该方法包括：模糊自整定PI调节系统参数、逆变器控制模型、PWM产生方法。通过模拟同步发电机的内部机理以及外部特性，结合光伏并网逆变器的运行公式，推导出一种全新的逆变器控制模型，可对逆变器的输出频率、幅值、有功功率以及无功功率进行有效调节，具有控制精度高、谐波分量小、简单易于实现的优点。

Description

一种基于同步发电机模型的智能型光伏并网逆变器控制方法

技术领域

该发明涉及一种基于同步发电机模型的智能型光伏并网逆变器控制方法，具体属于光伏并网逆变器控制方法范畴。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的基础，随着传统不可再生能源的日益枯竭，提高能源利用率、开发新能源、加强可再生能源的利用已经是摆在人们眼前的一个极为迫切的问题。在这样的背景下，太阳能、风能、生物能等新能源日益受到人们的关注，如何充分的、高效的、稳定的将这些新能源为己所用，也成为人们研究的热点。

随着新能源利用技术的不断发展成熟，分布式供电技术也得到了较快的发展。如何将光伏并网逆变器产生的电能安全高质的馈送给电网，是光伏发电系统必须解决的核心问题之一。目前，市场上光伏并网逆变器在可靠性、效率、电流谐波及功率因数方面普遍存在一些不足，使得整个太阳能光伏并网逆变器控制系统的稳定性和可靠性不高，不能满足现有的发展需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于同步发电机模型的智能型光伏并网逆变器控制方法，为光伏并网逆变器的控制提供一种新的思路。

该方法首先使用模糊自整定PI调节器对输出电压幅值进行智能调节，有效保证输出电压幅度的稳定性。通过模仿同步发电机的内部机理以及外部特性，推导出一种全新的逆变器控制模型。将同步发电机的转子转动角度等同于光伏并网逆变器输出电压相位θ，结合同步发电机基本运行公式，计算出对应的反电动势eb。将求得的eb采用PWM生成方法经数字信号处理器DSP处理即可得到光伏并网逆变器所需的脉宽调制信号。

该方法的优选实施例包含以下步骤：

1)采集光伏并网逆变器输出电压信号u；

2)将所述输出电压信号u输入模糊自整定PI调节器，经模糊自整定PI调节后得到调节后的电压信号u′；

3)采集光伏阵列输出电压U_pv和电流I_pv，采用最大功率跟踪算法，求得当前环境条件下的光伏阵列最大功率输出点参考电压U_pvr，由光伏阵列输出电压U_pv和U_pvr求得逆变器输出参考电流i_pv ^*；

4)由式

$M_f{i}_f=\frac{1}{\mathrm{KS}}(Q_{\mathrm{set}}-Q-D_q{u}^{\′})---\left(1\right)$

可求得M_fi_f。其中M_f为同等额定功率同步发电机的转子互感，i_f为一可调节的直流电流源，Q_set为设定无功功率，Q为实际计算无功功率，压降系数

式中ΔQ＝|Q₂-Q₁|，Q₂为系统当前时刻的无功功率，Q₁为系统上一时刻的无功功率，电压变化量Δu＝|u₂′-u₁′|，u₂′为系统当前时刻经PI调节后的电压值，u₁′为系统上一时刻经PI调节后的电压值；

5)由式

$T_m=P_{\mathrm{set}}\×\frac{p}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}---\left(2\right)$

可求得T_m，其中P_set为设定有功功率，p为极对数，

为转子角频率，对应为光伏并网逆变器的输出频率；

6)检测光伏并网逆变器输出电流相位过零点，电网电压过零点参数，根据数字锁相算法，对光伏并网逆变器的频率和相位进行调节；

7)由同步发电机基本运行公式推导出式(3)(4)(5)(6)

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{J}(T_m-T_e-D_p\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})---\left(3\right)$

其中T_e、J分别为同等额定功率下同步发电机的电磁转矩、转子转动惯量，

阻尼系数

ΔT＝|T₂-T₁|，T₂为系统当前时刻的电磁转矩，T₁为系统上一时刻的电磁转矩，频率变化率

其中

为系统当前时刻的频率，为系统上一时刻的频率，

i为逆变器侧的输出电流信号，θ是同步发电机的转子转动角度；

8)由式(1)(2)(3)(4)(5)(6)求得反电动势eb；

9)将所求得的反电动势eb采用PWM生成方法经数字信号处理器处理得到光伏并网逆变器所需的PWM脉宽调制信号；

10)用得到的PWM脉宽调制信号对光伏并网逆变器进行调制，得到所需的输出电流。

本发明所述方法的优选实施例还可以增加一个步骤，即对通过步骤10)得到的输出电流用LCL滤波器滤除其中的高次谐波。

由上述步骤可知，所述控制方法通过调节式(2)中的设定无功功率Q_set、式(3)中的设定有功功率P_set即可实现对反电动势eb的调节，从而实现对输出有功无功的调节；通过对光伏并网逆变器输出电压信号u的控制实现对输出电压幅值的调节；通过检测电压电流的过零点，实现对输出电压频率和相位的调节，最终实现对逆变器输出电流的频率、幅值、有功功率以及无功功率进行有效调节，具有控制精度高、谐波分量小、简单易于实现的优点。

附图说明

图1基于同步发电机模型的光伏并网逆变器控制方法框图；

图2光伏并网发电系统框图。

具体实施例

本发明所述的基于同步发电机模型的智能型光伏并网逆变器控制方法以图2的光伏并网发电系统框图为例进行说明。

1)太阳能光伏电池阵列：太阳能光伏电池阵列在白天有光照条件下，将所接收的光能转换为电能，经汇流箱后，输入光伏并网逆变器，将直流转换为交流，给电网输入电能。在没有光照，太阳能光伏电池阵列的输出电压过低时，系统自动断开与外部交流电网的连接，停止工作。

2)光伏并网逆变器采用三相逆变桥：主要器件是6只功率开关管，本实施例中选用三菱IPM智能功率模块。光伏并网逆变器控制电路通过传感器采集外部电压电流及相位信号，采用控制算法得到6路PWM脉冲波形驱动6只功率开关管，使光伏并网逆变器输出与电网电压同频同相同幅值的三相交流电压。

3)数字信号处理器：本实施例中，数字信号处理器采用浮点数字信号控制器TMS320F28335。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC，适用于各类工业控制。如图2所示，在并网发电系统的直流侧，采用1只霍尔型电压传感器和1只霍尔型电流传感器采集光伏电池阵列的输出电压U_pv以及输出电流I_pv，采用最大功率跟踪算法——扰动观察法，求得当前环境条件下的光伏阵列最大功率输出点参考电压U_pvr，通过控制直流变换模块中IGBT的开关时间，使光伏电池阵列始终工作在最大功率点，实现对光伏电池阵列输出功率的最大利用。由光伏阵列输出电压U_pv和U_pvr求得逆变器输出参考电流i_pv ^*。

如图2所示，在电网侧采用3只霍尔型电压传感器采集电网电压u，经模糊自整定PI调节后得到调节后的电压信号u′；采用采样变压器以及过零比较器完成光伏并网逆变器输出电流相位过零点，电网电压过零点的检测，使用数字锁相技术对光伏并网逆变器的频率和相位进行调节，使得光伏并网逆变器的输出电流与电网电压相位及频率保持同步；在光伏并网逆变器输出侧采用3只电流传感器采集逆变器输出侧的输出电流信号i。经传感器输出的电压电流信号，经信号调理电路调理为0~3.3V的信号，送入数字信号处理器DSP的AD采样电路进行A/D转换。

通过信号采集得到如上所述的外部反馈参数后，如图1所示，按照发明内容部分所示的步骤，结合如下公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)可求得反电动势eb。

$M_f{i}_f=\frac{1}{\mathrm{KS}}(Q_{\mathrm{set}}-Q-D_q{u}^{\′})---\left(1\right)$

$T_m=P_{\mathrm{set}}\×\frac{p}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}---\left(2\right)$

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{J}(T_m-T_e-D_p\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})---\left(3\right)$

如上所述的算法，可以通过汇编或C语言程序写入数字信号处理器DSP，以自动求得反电动势eb。采用PWM生成方法经数字信号处理器DSP处理得到光伏并网逆变器所需的PWM脉宽调制信号。所得到的PWM脉宽调制信号经过光耦隔离驱动电路驱动后，用于控制三菱IPM智能功率模块，从而得到所需的输出电流。

另外，由于光伏并网逆变器在其开关频率及开关频率的整数倍附近，会产生大量高次谐波。这些高次谐波注入到电网中会产生严重的谐波污染，将对电网上的其他电磁敏感的设备产生干扰。因此，本实施例中使用LCL滤波器滤除高次谐波，具有明显的效果。

在上文中，虽然参照本发明的具体实施例详细描述了本发明，但是，很明显，在本发明的范围和精神内，本领域技术人员能对实施例进行修改、变更以及改进。因此，将理解本发明并不局限于具体的说明性实施例，而仅仅被附加权利要求的范围所限定。

Claims (3)

1.一种基于同步发电机模型的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

1)采集光伏并网逆变器输出电压信号u；

2)将所述输出电压信号u输入模糊自整定PI调节器，经模糊自整定PI调节后得到调节后的电压信号u′；

3)采集光伏阵列输出电压U_pv和电流I_pv，采用最大功率跟踪算法，求得当前环境条件下的光伏阵列最大功率输出点参考电压U_pvr，由光伏阵列输出电压U_pv和U_pvr求得逆变器输出参考电流i_pv ^*；

4)由式

$M_f{i}_f=\frac{1}{\mathrm{KS}}(Q_{\mathrm{set}}-Q-D_q{u}^{\′})---\left(1\right)$

可求得M_fi_f，其中M_f为同等额定功率同步发电机的转子互感，i_f为一可调节的直流电流源，Q_set为设定无功功率，Q为实际计算无功功率，压降系数式中ΔQ＝|Q₂-Q₁|，Q₂为系统当前时刻的无功功率，Q₁为系统上一时刻的无功功率，电压变化量Δu＝|u₂′-u₁′|，u₂′为系统当前时刻经PI调节后的电压值，u₁′为系统上一时刻经PI调节后的电压值；

5)由式

$T_m=P_{\mathrm{set}}\×\frac{p}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}---\left(2\right)$

可求得T_m，其中P_set为设定有功功率，p为极对数，

为转子角频率，对应为光伏并网逆变器的输出频率；

6)检测光伏并网逆变器输出电流相位过零点，电网电压过零点参数，根据数字锁相算法，对光伏并网逆变器的频率和相位进行调节；

7)由同步发电机基本运行公式推导出式(3)(4)(5)(6)

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{J}(T_m-T_e-D_p\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})---\left(3\right)$

其中T_e、J分别为同等额定功率下同步发电机的电磁转矩、转子转动惯量，

阻尼系数

式中ΔT＝|T₂-T₁|，T₂为系统当前时刻的电磁转矩，T₁为系统上一时刻的电磁转矩，频率变化率其中

为系统当前时刻的频率，

为系统上一时刻的频率，

i为逆变器侧的输出电流信号，θ是同步发电机的转子转动角度；

8)由式(1)(2)(3)(4)(5)(6)求得反电动势eb；

9)将所求得的反电动势eb采用PWM生成方法经数字信号处理器处理得到光伏并网逆变器所需的PWM脉宽调制信号；

10)用得到的PWM脉宽调制信号对光伏并网逆变器进行调制，得到所需的输出电流。

2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于还包括对步骤10)得到的输出电流使用LCL滤波器滤除其中的高次谐波。

3.根据权利要求1或2所述的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于所述数字信号处理器为浮点数字信号控制器TMS320F28335。

Images