CN104104110A - 一种具有电能质量调节功能的单相光伏并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有电能质量调节功能的单相光伏并网逆变器控制方法，目的在于使逆变器并网发电同时具有无功补偿及谐波补偿能力。其特征在于，利用改进后的正交信号发生器（SOGI-QSG）构造两相静止坐标系，快速检测负荷中的无功电流分量和谐波电流分量；将需补偿的无功电流、谐波电流与光伏阵列获得的有功电流合成，构成逆变器输出的参考电流。根据所构成的参考电流选择准比例谐振控制器PR与非理想谐振控制器相结合的复合电流控制器，分别对负荷电流基波分量及该逆变器需补偿的谐波电流进行控制，从而得到逆变器的开关管控制信号，实现了单相光伏并网逆变器在并网发电同时提供无功补偿及谐波补偿的功能。

Description

一种具有电能质量调节功能的单相光伏并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统中分布于电网末梢的单相光伏并网逆变器的控制方法，特别是一种具有电能质量调节功能的单相光伏并网逆变器控制方法。

背景技术

低压配电网中非线性及冲击性负荷日益增加，其产生的谐波电流及无功电流给公共电网的电能质量带来了巨大压力。有源电力滤波器（APF）由于其成本高，功能单一，主要用于工业领域，对于单相电网的居民区则应用较少。光伏发电的并网系统与APF的结构具有相似之处，因此光伏发电系统在并网的同时提供有源滤波功能的控制方法是可以实现的。当阳光充足时，在保证光伏电池阵列获取的全部功率馈入电网的前提下，利用换流器剩余容量进行谐波及无功补偿；当夜晚或阳光不足时，换流器则可完全工作在有源滤波模式下，提高了光伏并网系统利用率。

现有技术中对单相光伏并网逆变器的控制方法不能同时兼顾无功和谐波的补偿。逆变器输出电流含有大量无功分量和谐波分量会给电网电能质量带来不利影响，因此亟需提出一种具有电能质量调节功能的单相光伏并网逆变器控制方法能使其在并网发电的同时具有无功补偿及谐波补偿的功能。 

发明内容

本发明的目的是提供一种具有电能质量调节功能的单相光伏并网逆变器控制方法能使其在并网发电的同时具有无功补偿及谐波补偿的功能。其特征在于，实现步骤包括：

步骤一：利用改进后的正交信号发生器（SOGI-QSG）构造两相静止坐标系，分离出所述逆变器的公共连接点PCC电压U _g、负荷电流I _L在所述两相静止坐标系下的PCC电压基波分量（U _g1α、U _g1β）及负荷电流的基波分量（I _L1α、I _L1β）；

步骤二：所述逆变器需补偿的谐波电流I _Lh为所述逆变器的负荷电流I _L减去负荷电流基波分量I _L1α的差值；

步骤三：根据瞬时无功功率理论计算逆变器负荷所需的无功功率Q _L，并将Q _L作为逆变器参考输出无功功率Q ^*；

步骤四：根据最大功率跟踪算法计算出所述逆变器参考输出有功功率P _pv与维持所述逆变器直流端电压稳定所需的变化功率ΔP _dc，逆变器参考输出功率P ^* = P _pv+ΔP _dc；

步骤五：根据公式                                                计算两相静止坐标系下逆变器输出电流的参考基波分量I _1α ^*、I _1β ^*；

步骤六：复合控制策略的参考电流I _ref为负荷电流参考基波分量I _1α ^*和所述逆变器需补偿的谐波电流I _Lh之和；

步骤七：根据I _ref选择准比例谐振控制器PR与非理想谐振控制器相结合的复合电流控制器，分别对负荷电流基波分量I _1α及该逆变器需补偿的谐波电流I _Lh进行控制，从而得到逆变器的开关管控制信号，实现了单相光伏并网逆变器在并网发电同时提供无功补偿及谐波补偿的功能。

其中所述的准比例谐振控制器由比例调节器和谐振调节器组成，能实现对交流信号的无静差跟踪。所述的非理想谐振控制器不会影响基波准比例谐振控制器控制的动态特性。

本发明提出的单相光伏并网逆变器控制方法使得光伏发电系统在并网的同时作为有源滤波的功能，更重要的是本发明能同时对逆变器输出的无功和谐波进行补偿进一步提高单相光伏并网逆变器输出电能的质量。

附图说明

图1单相光伏逆变器并网系统结构图。

图2单相光伏逆变器并网系统控制模型框图。

图3本发明参考电流计算及电流控制框图。

图4改进的二阶广义积分正交信号发生器SOGI-QSG结构框图。

图5参考有功功率计算框图。

图6参数变化下的准PR控制器波特图。

图7无功补偿效果。

图8谐波补偿效果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

单相光伏逆变器并网系统结构见图1。其中直流源由光伏阵列经DC/DC升压获得。为了减少并网电流的谐波含量，同时降低电感量，逆变器采用LCL滤波。为了抑制LCL滤波的不稳定现象，本文采用在滤波电容C_f上串联阻尼电阻R_d的无源阻尼方式，提高系统稳定性。

逆变器的控制模型框图参见图2，在本发明的实施例中其中参考电流I_ref计算过程如图3所示。由于开关频率较高，在奔实施例中开关频率为10kHz，远高于电网频率，因此将PWM用增益环节K_PWM近似代替。其中G(s)为电流控制器传递函数。

根据图2的控制模型可以推出逆变器输出到网侧电流为：

                          （1）

其中： 

                             （2）

在本发明中主要利用公共连接点PCC电压U _g及非线性负荷电流I _L来实现谐波补偿参考电流的计算。

在本发明中将改进的基于二阶广义积分器的正交信号发生器（SOGI-QSG）应用于单向光伏逆变控制中，实现两相坐标静止坐标系下电流和电压基波信号的分离，进而实现谐波检测，其结构框图如图4所示。

由图4可知，通过改进SOGI-QSG可以得到两相静止坐标系下的PCC电压基波分量（U _g1α、U _g1β）及负荷电流的基波分量（I _L1α、I _L1β），改进SOGI-QSG的传递函数为

                                     （3）

                                        （4）

稳态情况下，，表明图4所示系统可以实现对给定信号中频率为ω的正弦信号的无静差跟踪。式（3）和式（4）在频域内的相频特性有如下关系

                                                            （5）

不难看出，α轴分量总是超前于β轴分量90度，并与参数K及信号频率ω无关，这样我们就可以很容易的构造出正交的两相坐标系。

另外可以得到H ₁(s)对应的品质因数为

                                                                          （6）

很显然，改进的SOGI-QSG方法更优，改进后的系统滤波特性与信号频率ω无关，并且改进后的系统频带更宽。

由以上可知，对于电网电压信号及电流信号，取ω为基波角频率，则可分离出两相静止坐标系下的基波分量，它们幅值相等，相位互差90度。改进SOGI-QSG主要通过基于内模原理的自适应滤波来达到目的，具有抗干扰能力，即使在负荷或电网电压畸变情况下仍能很好地分离基波电流电压。由于改进的二阶广义积分器SOGI-QSG具有良好的带通滤波特性，即使在电压畸变等非理想情况下，它仍具有较好的稳态性能和动态性能。这样，改进的SOGI-QSG方法不仅能实现对输入的电压、电流信号正交分相，而且实现了频率自适应滤波功能，很容易的实现了对畸变信号基波信号的提取，并建立两相坐标系，供后面的控制系统利用。

通过图4的方法分离出了负荷电流中的基波电流I _L1α，所以需要补偿的负荷中的谐波电流I _Lh为

                                                         (7)

通过式（7）及图3计算出了两相静止坐标系下的PCC点基波电压和负荷基波电流、谐波电流。根据瞬时无功功率理论，负荷所需要的无功功率为

                                                (8)

即可根据检测到的负荷电流和电压计算负荷所需无功。而对于逆变器输出的功率有

                                                     (9)

其中I _1α和I _1β为两相静止坐标系下逆变器输出电流的基波分量。通常情况下并网逆变器输出无功几乎为0，以保持高功率因素运行。为补偿负荷所需无功功率，将（8）式计算出的负荷无功功率作为逆变器输出无功功率的参考值，即令Q ^*=Q _L。根据（9）式有

                                   (10)

其中，P ^*包含两部分，一部分为前级光伏阵列根据MPPT算法获得的P _pv，一部分为直流端维持电压稳定的变化功率ΔP _dc。获得P ^*的框图如图5所示。

由式（10）可见，本文所述方法只需简单的运算就可以获得含有无功补偿电流的并网电流基波参考值。由于本文为单相系统，SOGI方法中产生的β轴电压电流只是为计算参考电流而设计，所以在计算控制器输入参考电流时，可以直接略去I _1β ^*。

式（7）中已经求得了需补偿的谐波电流，式（10）中又获得了含有无功补偿电流的并网基波参考电流，所以由式（7）和式（10）知，本文所述在并网发电同时，实现无功及谐波补偿的复合控制策略参考电流为：

                                                    (11)

获得复合控制参考电流I_ref方法如图3所示。

考虑到参考电流I _ref不仅含有基波信号还含有谐波电流信号，传统的PI控制不能实现对交流信号的无静差跟踪，为有效控制基波分量并抑制谐波分量，本文的电流控制器采用了对交流信号有很好跟踪效果的准比例谐振控制器（PR）。

准PR控制器由比例调节器和谐振调节器组成。它在谐振频率处具有高增益，而在非谐振处增益很小，而且具有抗电网电压干扰的能力。准PR控制器的传递函数为

                                       (12)

式中：k _P和k _r分别为准PR控制器的比例系数和谐振系数； ω ₀为谐振频率；ω _c为截止频率。当s=jω ₀时，谐振增益达到最大值 k _r。

本文除了利用准PR对基波电流进行控制外，还采用非理想谐振控制器对低次谐波进行补偿（配电网中的3、5、7、9次谐波含量最多），非理想谐振控制器传递函数为

                                       (13)

式中：h为谐波次数，在电网中主要谐波次数为3，5，7，9…k _hr为谐振系数，ω _h为谐波频率。谐波补偿器HC(s)不会影响基波准PR控制的动态特性，只对谐振频率附近的信号有响应，所以可以在准PR控制器上叠加谐波补偿项。

对于准PR控制器而言，调节k _P可以调节控制器带宽，对于谐振控制器，只需要通过调节k _hr与ω _c就可实现对谐波信号的调节。对于基波信号，取k _P=0，当ω _c为5 rad/s，k _r变化时及当k _r为120，ω _c变化时，准PR控制器的波特图如图6所示。

由图6可见，k _r仅影响控制器增益（实现幅频曲线向上或向下平移），而不影响控制器带宽；ω _c不仅影响控制器增益，还影响控制器带宽，随着ω _c的增加，增益和带宽均增大，在工程实践中ω _c一般取5-10rad/s，本文基波控制器的ω _c取3.2 rad/s，谐波控制器的ω _c取5 rad/s。通过如果合理调节k _p、k _r及k _hr则可实现对基波及谐波的无静差调节。

本文的电流控制器的传递函数为

                                                          (14)

电流控制结构图如图3所示。

利用Matlab/Simulink软件建立了如图1所示模型进行仿真。图1中电气元件主要参数如表1所示。

表1系统元件参数

评估结果：

分别对并网与无功补偿复合控制及并网与谐波补偿复合控制进行了仿真研究。为便于波形观察，图7、图8波形中电压都按比例缩小至50V。

1）在并网同时实现无功补偿仿真波形如图7：

从图7中可以看出，由于负荷中含有无功负荷，负荷功率因素较低，经过逆变器的无功补偿，功率因素明显提高。在0.7s之前，逆变器输出有功功率大于负荷所需有功功率，逆变器输出有功不仅能满足负荷需求，还能将剩余有功馈至电网，所以在电网故障停电时，逆变器还能为重要负荷提供电能，实现负荷不间断运行。在0.7s后，由于逆变器输出有功降低，负荷不仅消耗掉逆变器输出地全部有功，还从电网吸收了部分有功。

2）在并网同时实现谐波补偿仿真波形如图8：

从图8（a）可看出，由于非线性负荷的存在，负荷电流存在大量谐波，若不进行谐波补偿将导致电网电流发生严重畸变。通过傅里叶分析，电网电流总谐波畸变率（THD）达到69%，其中3、5、7、9次谐波含量最多。对比图8（b）可看出，通过本文所提控制策略，逆变器发出含有谐波的电流，与负荷中谐波相抵消，电网电流THD下降到1.83%，电能质量得到明显改善。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种具有电能质量调节功能的单相光伏并网逆变器控制方法，其特征在于，实现步骤包括：

步骤一：利用改进后的正交信号发生器（SOGI-QSG）构造两相静止坐标系，分离出所述逆变器的公共连接点PCC电压U _g、负荷电流I _L在所述两相静止坐标系下的PCC电压基波分量（U _g1α、U _g1β）及负荷电流的基波分量（I _L1α、I _L1β）；

步骤二：所述逆变器需补偿的谐波电流I _Lh为所述逆变器的负荷电流I _L减去负荷电流基波分量I _L1α的差值；

步骤三：根据瞬时无功功率理论计算逆变器负荷所需的无功功率Q _L，并将Q _L作为逆变器参考输出无功功率Q ^*；

步骤四：根据最大功率跟踪算法计算出所述逆变器参考输出有功功率P _pv与维持所述逆变器直流端电压稳定所需的变化功率ΔP _dc，逆变器参考输出功率P ^* = P _pv+ΔP _dc；

步骤五：根据公式计算两相静止坐标系下逆变器输出电流的参考基波分量I _1α ^*、I _1β ^*；

步骤六：复合控制策略的参考电流I _ref为负荷电流参考基波分量I _1α ^*和所述逆变器需补偿的谐波电流I _Lh之和；

步骤七：根据I _ref选择准比例谐振控制器PR与非理想谐振控制器相结合的复合电流控制器，分别对负荷电流基波分量I _1α及该逆变器需补偿的谐波电流I _Lh进行控制，从而得到逆变器的开关管控制信号，实现了单相光伏并网逆变器在并网发电同时提供无功补偿及谐波补偿的功能。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的准比例谐振控制器由比例调节器和谐振调节器组成，可以实现对交流信号的无静差跟踪。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的非理想谐振控制器不会影响基波准比例谐振控制器控制的动态特性。