CN104753080A

CN104753080A - 单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法

Info

Publication number: CN104753080A
Application number: CN201310742124.2A
Authority: CN
Inventors: 粟时平; 刘桂英; 粟渊恺; 李莎; 明志勇; 邓明锋; 左鹏辉; 邓宇恩
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2015-07-01

Abstract

本发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，采用混成系统理论中的混成自动机模型，充分考虑并网逆变器不同功能工作模式切换的离散特性和开关器件开关工作过程的离散特性和连续特性，建立起并网逆变器不同功能工作模式的指令信号切换混成自动机模型和并网逆变器开关器件通断组合切换的混成自动机模型，设计出混成自动机控制系统对单相光伏发电并网逆变器的输出进行动态控制。本发明的方法，既能充分、真实、全程、精细地反映单相光伏发电并网运行的混成行为特征，又能简化控制器的设计，提高单相光伏发电并网运行控制的可靠性和经济性，实现了高效性、经济性、可靠性的良好结合，具有广泛的实用性，工程应用价值重大。

Description

单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种基于混成系统自动机理论的单相光伏电源并网逆变器的控制方法。

背景技术

太阳能光伏发电作为所有可再生能源中最具发展潜力的发电技术之一，并网逆变器是整个光伏并网发电系统中连接光伏阵列和主电网的核心元件，主要任务是将光伏阵列发出的电能稳定、安全、可靠、高效的输入到主电网中，其控制策略的性能直接影响着整个光伏并网系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行。单相光伏发电作为电力系统的新兴电源，其非确定性输出特性带来了电力的生产、传输和使用过程的复杂多变，使得单相光伏并网发电系统呈现出显著的不确定性、非线性和非纯一性，成为包含离散事件和连续变量动态行为及其相互作用的混成系统，难以用反映连续行为的微分方程来描述，增加了单相光伏并网发电系统控制过程的复杂性。

现有的基于连续时间系统连续动态模型的单相光伏发电并网逆变器控制方法，其最大优势是能够对被控系统采用经典的微分数学方法进行建模。然而，由于用于单相光伏发电并网的电力电子变流器并网逆变器的工作机理是典型的开关行为，其电力电子器件的开通与关断为离散事件行为，开关状态确定后的电路工作模态为连续变量行为，由于单相光伏发电的出力存在很大的随机性和间歇性，既有离散事件行为，又有连续变量行为。这些离散事件行为和连续变量行为并不是彼此孤立的，还是相互影响、相互作用的，因此，单相光伏并网发电系统含有离散事件行为和连续变量及其相互作用，存在明显的不确定性、非线性和非纯一性，是典型的混成系统。现有的基于连续时间系统连续动态模型的单相光伏发电并网逆变器的控制方法，本质上忽略了功率器件的开关特性，忽略了光伏发电出力的随机性和间歇性特性，使用单一的连续行为模式来近似非纯一的混成行为模式，在这种简化的模型上设计控制器有较大的局限性，无法客观反映单相光伏发电并网运行的变化规律，控制效果在原理上只能趋近而不能完全一致，总是存在不可控成分。

鉴于现有的基于连续时间系统连续动态模型的单相光伏发电并网逆变器控制方法的上述不足，本发明提出一种单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，采用能充分、真实、全程、精细地反映单相光伏发电并网运行过程的行为特征的混成自动机模型，不仅可以增强单相光伏发电中分布式电源并网的灵活性，而且可以提高单相光伏发电并网逆变器的工作特性，消除单相光伏发电和主电网之间的电能质量污染，实现单相光伏发电友好并网，使单相光伏发电成为改善主电网的电能质量、供电可靠性、运行安全性的有效支撑。

发明内容

本发明的目的是提出一种更能充分、真实、全程、精细地反映单相光伏发电并网逆变器运行的行为特征的高效控制方法，克服现有的基于连续时间系统连续动态模型的单相光伏发电并网逆变器控制方法的不足，解决现有单相光伏发电并网逆变器控制方法因使用单一的连续行为模式来近似非纯一的混成行为模式而产生的在控制原理上只能趋近而不能完全一致、总是存在不可控成分的技术问题。

本发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，采用混成系统理论中的混成自动机模型，对单相光伏发电并网运行过程进行充分、真实、全程、精细地建模，设计出混成自动机控制系统对单相光伏发电并网逆变器的输出进行动态控制。

本发明中的单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的单相光伏电源并网逆变器控制系统包括指令信号检测单元、指令信号切换单元、PWM信号生成单元、驱动单元。

本发明中的单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的包括单相光伏并网逆变器动态工作过程的混成自动机模型建模算法和光伏并网逆变器控制PWM信号产生算法。

本发明中的单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的单相光伏并网逆变器动态工作过程的混成自动机模型建模算法包括并网逆变器工作的不同功能的切换算法和和单相光伏电源并网逆变器动态工作过程的原理建模算法。

本发明中的单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的单相光伏发电并网逆变器控制的PWM信号产生算法包括指令信号检测算法、指令信号切换算法和PWM信号生成算法。

指令信号检测算法包括光伏电源最大功率点跟踪控制器输出的电压电流检测算法，并网逆变器输出的电压、电流的检测算法，电网的电压、电流、频率、有功电流、无功电流、谐波的检测算法。

指令信号切换算法承担并网逆变器用于有功输送、无功补偿、谐波滤波及其综合的功能对相应的指令信号的调取的算法。

PWM信号生成算法包括并网逆变器用于有功输送、无功补偿、谐波滤波及其综合的不同功能的PWM信号生成的算法。

本发明的技术效果在于：采用混成系统理论中的混成自动机模型，，充分考虑并网逆变器不同功能工作模式切换的离散特性和开关器件开关工作过程的离散特性和连续特性，对单相光伏发电并网运行过程进行充分、真实、全程、精细地建模，设计出混成自动机控制系统对单相光伏发电并网逆变器的输出进行动态控制，既能充分、真实、全程、精细地反映单相光伏发电并网运行的混成行为特征，又能简化控制器的设计，提高单相光伏发电并网运行控制的可靠性和经济性，实现了高效性、经济性、可靠性的良好结合。

附图说明

图1为发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的单相光伏发电并网运行系统的主电路原理结构。

图2为发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的并网逆变器原理结构。

图3为发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的并网逆变器控制系统原理结构。

图4为发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的指令信号切换规律的混成自动机模型。

图5为发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机模型控制方法的PWM信号生成原理的混成自动机模型。

具体实施方式

结合发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的单相光伏发电并网运行系统的主电路原理结构图1、并网逆变器原理结构图2、并网逆变器控制系统原理结构图3、指令信号切换规律的混成自动机模型4和PWM生成原理的混成自动机模型图5，描述本发明的具体实施方式和工作过程。

参见图1，单相光伏并网发电系统的主电路由光伏阵列、直流变压电路（1）（BOOST斩波电路）、并网逆变器（2）和交流主电网（3）组成。光伏并网发电系统的整体的工作过程是：通过合适的直流变压电路控制策略和并网逆变器控制策略，使光伏阵列发出的直流电能转换成交流电能输送到交流主电网中，并网逆变器还可以通过适当的控制策略，既可以采用有功输出方式向交流主电网输送光伏阵列的直流电能，还可以根据交流主电网的需求，产生无功电流和谐波电流注入到主电网，补偿主电网的无功功率和抑制主电网的谐波。

参见图2，单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法的并网逆变器由主电路和控制系统两部分组成，并网逆变器的主电路为由四个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）S₁、S₂、S₃、S4和电容器C_dc组成的单相电压型逆变器。

参见图3，单相光伏电源并网逆变器的控制系统包括指令信号检测单元（1）、指令信号切换单元、PWM信号生成单元、驱动单元。指令信号检测单元检测出并网逆变器工作于有功输送、无功补偿、谐波滤波及其综合的功能模式所需的各种指令信号，令信号切换单元用于根据并网逆变器工作的功能模式调取相应指令信号，PWM信号生成单元根据并网逆变器工作的功能模式及相应的相应指令信号产生控制并网逆变器中IGBT通断的PWM信号，驱动单元用于放大PWM信号，并将其分配到IGBT的门极以触发IGBT。

指令信号检测单元的主电网无功和谐波的检测方法如下：

设主电网电压为 ,，主电网负载电流分解为

(1)

式（1）中，分别为瞬时基波有功和无功电流，为瞬时谐波流。

而含有谐波的周期非正弦电网电流可用傅里叶级数展开，因此可以进一步表示为：

(2)

主电网无功电流和谐波电流的检测步骤如下：

第一步：将电流乘以得到电流，即

=

(3)

第二步：对电流进行低通滤波得到电流，即

= (4)

第三步：对电流乘以得到，即

= = (5)

即为主电网的负载有功电流

第四步：将电流乘以得到电流，即

=

(6)

第五步：对电流进行低通滤波得到电流，即

= (7)

第六步：对电流乘以得到，即

= = (8)

即为主电网的负载无功电流。

第七步：主电网的谐波电流通过下式得到，即

=-- (9)

第八步：主电网的无功和谐波的综合电流通过下式得到，即

=- (10)

参见图3，单相光伏电源并网逆变器可以工作在四种运行模式：在日照强度很强的晴天时，工作在有功模式，实现有功输送，开关K切换到1的位置；在日照强度稍微弱的阴天时，工作在视在功率模式，实现有功输送和无功补偿，开关K切换到2的位置；在没有光照的雨天或夜晚时，若主电网谐波不超标，工作在无功模式，开关K切换到3的位置；在没有光照的雨天或夜晚时，若主电网谐波超标，工作在无功补偿与谐波抑制的综合模式，开关K切换到4的位置。不同的工作模式，需要不同的指令信号。不同指令信号的调取是受离散事件驱动的切换过程。

参见图4，指令信号切换规律用四状态混成自动机模型来描述，四个状态q₁、q₂、q₃、q₄分别代表单相光伏电源并网逆变器工作的有功模式、视在功率模式、无功模式和综合模式。驱动指令信号状态切换的事件定义为：

（11）

式中，为光伏阵列的输出功率，为并网逆变器工作在有功模式的最小有功功率，为谐波电流，为并网逆变器工作在综合模式的最小谐波电流。

参见图5，定义逆变电路中开关管的通断状态函数为：

（12）

PWM信号生成原理的四状态混成自动机模型，四个状态r₁、r₂、r₃、r₄分别代表单相光伏电源并网逆变器中的开关器件的不同通断组合， r₁代表S₁、S₄导通和S₂、S₃断开，r₂代表S₁、S₄断开和S₂、S₃导通， r₃代表S₁、S₃断开，r₄代表S₂、S₄断开。驱动开关器件通断组合的切换的事件定义为：

（13）

式（3）中为单相系统中的电流跟踪事件。如果事件E _i1发生，则说明在正半周时实际输出电流偏小，应该让开关管S₁、S₄导通，S₂、S₃断开，电感L上的电压呈正值，则输出电流会增大。

如果事件E _i2发生，则说明在正半周时实际输出电流偏大，应该让开关管S₁、S₃导通，S₂、S₄断开，电感L上的电压为0，则输出电流会减小。

如果事件E _i3发生，则说明在负半周时实际输出电流偏小，应该让开关管S₂、S₃导通，S₁、S₄断开，电感L上的电压呈负值，则输出电流会增大。

如果事件E _i4发生，则说明在负半周时实际输出电流偏大，应该让开关管S₂S₄导通，S₁S₃断开，电感L上的电压为0，则输出电流会减小。

控制开关器件导通的电压（或电流）信号是一个加在开关器件门极的幅值恒定的高电平信号，用“1”来表示，驱动开关器件处于断开状态时，加在其门极的电压（或电流）信号是一个幅值恒为0的低电平信号，用“0”来表示。“1”、“0”的组合即是PWM信号，因此根据图5所示的四状态混成自动机模型，可以获取开关器件通断组合，继而可以生成控制开关器件导通和断开的PWM信号。

本发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，采用混成系统理论中的混成自动机模型，充分考虑并网逆变器不同功能工作模式切换的离散特性和开关器件开关工作过程的离散特性和连续特性，建立起并网逆变器不同功能工作模式的指令信号切换混成自动机模型和并网逆变器开关器件通断组合切换的混成自动机模型。设计出对单相光伏发电并网逆变器的输出进行动态控制的混成自动机控制方法。本发明的单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，既能充分、真实、全程、精细地反映单相光伏发电并网运行的混成行为特征，又能简化控制器的设计，提高单相光伏发电并网运行控制的可靠性和经济性，实现了高效性、经济性、可靠性的良好结合，具有广泛的实用性，工程应用价值重大。

Claims

1.一种发明单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，采用混成系统理论中的混成自动机模型，对单相光伏发电并网运行过程进行充分、真实、全程、精细地建模，设计出混成自动机控制器对单相光伏发电并网逆变器的输出进行动态控制。

2.根据权利要求1所述单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，其特征是单相光伏电源并网逆变器控制系统包括指令信号检测单元、指令信号切换单元、PWM信号生成单元、驱动单元。

3.根据权利要求1所述单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，其特征是单相光伏发电并网逆变器控制的PWM信号产生算法包括指令信号检测算法、指令信号切换算法和PWM信号生成算法。

4.根据权利要求1所述单相光伏电源并网逆变器混成自动机控制方法，其特征是单相光伏发电并网逆变器控制的PWM信号产生算法的指令信号切换算法承担并网逆变器用于有功输送、无功补偿、谐波滤波及其综合的功能对相应的指令信号的调取，单相光伏发电并网逆变器控制的PWM信号产生算法的PWM信号生成算法包括并网逆变器用于有功输送、无功补偿、谐波滤波及其综合的不同功能的PWM信号生成算法。