CN104795836A - 一种单相光伏并网发电检测系统及其非线性电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏发电系统领域，具体涉及一种单相光伏并网发电检测系统及其非线性电流控制方法，所述系统至少包含光伏阵列、滤波电容、并网逆变器、交流配电网和并网线路，所述并网线路包括最大功率点跟踪模块、锁相环模块、脉冲调制模块、线性控制模块和部分反馈线性化控制模块，所述单相光伏并网发电检测系统的非线性电流控制方法，通过线性和部分反馈线性化控制，对系统的非线性动态过程进行变换，使系统对外部环境变化具有更快的响应速度，通过采集光伏阵列输出和光伏并网发电系统输入电网侧的电压和电流信号，经过非线性电流控制环节，与最大功率点跟踪和锁相环等功能配合，调节逆变器以实现光伏并网发电系统的稳定高效运行。

Description

一种单相光伏并网发电检测系统及其非线性电流控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电系统领域，具体涉及一种单相光伏并网发电检测系统及其非线性电流控制方法。

背景技术

因光照的间歇性和电能变换装置的非线性函数关系，光伏并网系统体现出很强的非线性特征，光伏并网逆变器作为连接光伏并网发电系统和电网的接口单元，被广泛地应用在光伏并网发电系统中，研发与并网逆变器硬件设备相适应的高性能电流控制方法具有很强的研究与应用价值。

目前改善逆变器静态、动态性能的主要控制方法包括多种PI控制、无差拍控制、滑模控制和多种智能控制方法等；但在光伏并网发电系统的实际应用中，面临着光伏电源的输出特性时刻变化、负荷变化、突发故障等多种问题，上述控制方法都体现出一定局限性：PI控制在快速变化的光辐照度、环境温度下动态响应不够快速、运算量和复杂程度难实现优化；无差拍控制响应快，但要求精确的系统模型，难以克服外部环境变化时带来的失配、失稳问题；滑模控制对开关频率的控制要求较高，且实用中难以确定理想的滑模面；神经网络、遗传算法等智能控制方法实用时较难满足对系统动态特性的精确捕捉和精细调节，由以上分析可以看出，要充分提高逆变器的输出电能质量、优化控制过程，需进一步研究和设计新的控制方法。

发明内容

本发明的目的为解决现有技术的上述问题，提供了一种具有更好内动态稳定性的单相光伏并网发电系统的控制结构及控制方法，且在部分线性化过程中，非线性项的部分消除获得独立的工作点，通过对非线性电流的部分反馈线性化控制，使得系统具有更快的响应速度，跟踪光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)得到的参考电流，控制光伏并网发电系统输入电网侧的电流，实现通过光伏并网发电系统的稳定高效运行，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单相光伏并网发电检测系统，至少包含光伏阵列、滤波电容、并网逆变器和交流配电网，其特征在于，所述检测系统还包括并网线路：所述并网线路包括最大功率点跟踪模块、锁相环模块、脉冲调制模块、线性控制模块和部分反馈线性化控制模块，所述并网线路并网运行时，光伏阵列输出的电压、电流信号，通过最大功率点跟踪模块进行调节后输入线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行控制，同时交流配电网侧输出的电压、电流，依次通过锁相环模块、线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行控制，所述最大功率点跟踪模块和锁相环模块输出的数据经过调整处理后，依次通过线性控制模块和部分反馈线性化控制模块调节并接入线性控制模块和部分反馈线性化控制模块与并网逆变器开关之间的脉冲调制模块，通过控制并网逆变器最终实现光伏阵列这一直流电源并入交流电网的并网控制。

一种单相光伏并网发电检测系统的非线性电流控制方法，其特征在于：利用所述的单相光伏并网发电系统的线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行线性化控制，并将其转化为一种降阶线性系统，部分消除了可能出现的非线性特征，改善系统的动态特性，具体包括如下步骤：

(1)对单相光伏并网发电系统建模，将单相光伏并网发电系统的非线性过程用状态空间表达式来表示，建立非线性坐标方程；

(2)在选定合适的非线性状态反馈量后，通过非线性坐标变换方程和李导数运算，通过状态反馈构成闭环，以使非线性系统实现线性化对非线性系统进行全部或部分反馈线性化；

(3)将部分线性化应用到输出方程中，推导部分反馈线性化的控制方程，符合李雅普诺夫稳定性，判定该降阶线性系统具有内动态稳定特征；

(4)设置步骤(3)的控制方程的线性控制输入参数，完成闭环控制过程。

优选地，所述单相光伏并网发电系统的非线性过程用状态空间的表达式为：y＝h(x)＝i，其中：x，u，y分别表示状态方程的状态变量、控制变量和输出变量；

式中：x＝[v i]^T，f(x)＝[i_pv/C (-Ri-e)/L]^T，g(x)＝[-iC vL]^T，其中，R是单相光伏并网发电系统中的参数线路阻抗，L是滤波器线路的电感，i是光伏并网发电系统的电网侧输入电流，ν是光伏并网发电系统的电网侧输入电压。

优选地，所述非线性系统进行全部或部分反馈线性化化过程通过非线性坐标变换方程z＝φ(x)和李导数运算对n阶线性系统最多进行n次微分获得输入，则状态输出方程h(x)为状态空间实现全局的精确线性化，对单相光伏并网系统的输出变量运用部分反馈线线性化，得到李导数运算结果，即 $L_{g}h\left(x\right)=L_g{L}_f^{r-1}h\left(x\right)=\frac{v_{\mathrm{pv}}}{L}.$

优选地，将部分线性化应用到状态输出方程h(x)中，则对单相光伏并网发电系统而言，用来表示线性控制输入参数取代表达式改写作即为部分反馈线性化后的控制方程表达式。

综上所述，与现有技术相比较，本发明最突出的有益效果在于：通过设计一种非线性电流控制方法，对单相光伏并网发电系统的非线性电流进行线性化和部分反馈线性化控制，将其转化为一种降阶线性系统，消除了可能出现的非线性特征，减轻了对系统完整动态特征的依赖性，形成具有更好内动态稳定性的降阶线性系统，使系统对外部环境变化具有更快的响应速度，与MPPT动态配合效果更好，从而改善系统的动态特性，在提高单相光伏并网发电系统入网电能质量方面起到积极作用。此外，通过采集光伏阵列输出和光伏并网发电系统输入电网侧的电压和电流信号，经过电流控制环节，并与最大功率点跟踪和锁相环等功能配合，调节并网逆变器以实现光伏并网发电系统的稳定高效运行，这种控制方法对于提升控制器的性能，在简化设备结构、降低配置成本上有着显著优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种单相光伏并网发电检测系统的总体结构示意图。

图2是为本发明一种单相光伏并网发电检测系统的非线性电流控制方法的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1和图2所示，一种单相光伏并网发电检测系统，至少包含光伏阵列、滤波电容C、并网逆变器和交流配电网，所述检测系统还包括并网线路，所述并网电路包括最大功率点跟踪模块(MPPT)、锁相环模块(PLL)、脉冲调制模块(PWM)、线性控制模块和部分反馈线性化控制模块，所述并网线路并网运行时，光伏阵列输出的电压、电流信号，通过最大功率点跟踪模块进行调节后输入线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行控制，同时交流配电网侧输出的电压、电流，依次通过锁相环模块、线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行控制，所述最大功率点跟踪模块和锁相环模块输出的数据经过调整处理后，依次通过线性控制模块和部分反馈线性化控制模块调节并接入线性控制模块和部分反馈线性化控制模块与并网逆变器开关之间的脉冲调制模块，通过控制并网逆变器最终实现光伏阵列这一直流电源并入交流电网的并网控制。

为实现光伏阵列的最大输出控制，一般都需设置最大功率点跟踪(MPPT)模块。常用的增量电导法、扰动观测法等MPPT控制算法都需测定光伏阵列输出的电压v_pv、电流i_pv，而测量值同样可以作为电流控制环节的输入、用于非线性电流控制中，因此未增加整个系统的测量工作量，以增量电导法为例，当光伏阵列工作在最大功率点时，光伏阵列的参考输出功率即为P_ref＝v_pvi_pv。

因此，在光伏阵列的电网侧电压是峰值为V_m，角频率为ω的正弦电压，电流是峰值I_m，在交流电网(e(t))侧，角频率亦为ω的正弦电流i，注入电网的平均功率因此可将单相光伏并网发电系统输入电网的参考电流表示为在交流电网(e(t))侧加入电流测量环节测得网侧电流i，通过锁相环(PLL)模块提取sinωt，与MPPT模块处理后的产生的参考电流幅值I_refm相结合经过乘法器处理，即可得到非线性参考电流i_ref，下一步用于电流控制中。

一种单相光伏并网发电检测系统的非线性电流控制方法，利用所述的单相光伏并网发电检测系统的线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行线性化控制，并将其转化为一种降阶线性系统，部分消除了可能出现的非线性特征，改善系统的动态特性，具体包括如下步骤：

(1)对单相光伏并网发电系统建模，将单相光伏并网发电系统的非线性系统过程用状态空间表达式来表示，建立非线性坐标方程，利用积分平均法，结合并网逆变器的开断过程，如图1中，单相光伏并网发电系统表示为：其中R是线路阻抗，L是滤波器线路电感，i是光伏并网发电系统的电网侧输入电流，ν是光伏并网发电系统的电网侧输入电压，所述单相光伏并网发电系统的非线性过程用状态空间的表达式为： $\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+g\left(x\right)u,$ y＝h(x)＝i，

其中：x，u，y分别表示状态方程的状态变量、控制变量和输出变量，式中：x＝[v i]^T，f(x)＝[i_pv/C (-Ri-e)/L]^T，g(x)＝[-i/C vL]^T；

(2)在选定合适的非线性状态反馈量后，通过非线性坐标变换方程和李导数运算，通过状态反馈构成闭环，以使非线性系统实现线性化对非线性系统进行全部或部分反馈线性化；

结合图2，在本发明实施例中，对非线性系统进行全部或部分反馈线性化控制，单相光伏并网发电系统的非线性系统过程用状态空间是非线性的，反馈线性化的核心是在选定合适的非线性状态反馈量后，采用非线性坐标变换方程z＝φ(x)和李导数运算通过状态反馈构成闭环，并使非线性系统实现线性化，对n阶线性系统最多进行n次微分获得输入，则状态输出方程h(x)的相对阶r≤n一定成立；当r＝n时，状态空间可以实现全局的精确线性化；但在单相光伏并网发电系统的实际应用中，更为普遍的是r＜n的情况，对单相光伏并网系统的输出变量运用部分反馈线性化，得到李导数运算结果，即在n＝2，r＝1的情况下成立。

(3)将部分线性化应用到输出方程中，推导部分反馈线性化的控制方程，符合李雅普诺夫稳定性，判定该降阶线性系统具有内动态稳定特征；结合图2在本实施例中，将部分线性化应用到状态输出方程h(x)中，对本发明的单相光伏并网发电系统而言，用来表示线性控制输入参数取代表达式改写作即部分反馈线性化后的控制方程表达式；由于单相光伏并网系统的基尔霍夫方程具有李雅普诺夫稳定性，可以判定该降阶线性系统具有内动态稳定性，因此可以进一步完成控制方程的设计；

(4)设置步骤(3)的控制方程的线性控制输入参数，完成闭环控制过程；结合图2，在本发明实施例中，控制方程中涉及到的新线性控制输入参数可以用比例积分控制器设定，比例积分控制器用以跟踪MPPT算法环节给出的电流参考信号i_ref，调节得到其中：K_p是比例增益，K_i是积分增益。

本发明中的非线性电流控制模块按顺序包含线性控制模块和部分反馈线性化控制模块，其中线性控制方程模块线性控制方程的表达式为：

其中，参数表示线性控制输入信号，可根据经验值取比例增益K_p＝2i_ref、积分增益方程涉及的参数v_pv、i_ref和i在上述环节已被测量或计算得到，且这些参数随天气、温度等外部环境的变化而动态更新，部分反馈线性化控制模块的部分反馈线性化控制方程表示为：形成降阶线性系统，对动态过程具有更快速准确的响应。

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单相光伏并网发电检测系统，至少包含光伏阵列、滤波电容、并网逆变器和交流配电网，其特征在于：所述检测系统还包括并网线路：所述并网线路包括最大功率点跟踪模块、锁相环模块、脉冲调制模块、线性控制模块和部分反馈线性化控制模块，所述并网线路并网运行时，光伏阵列输出的电压、电流信号，通过最大功率点跟踪模块进行调节后输入线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行控制，同时交流配电网侧输出的电压、电流，依次通过锁相环模块、线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行控制，所述最大功率点跟踪模块和锁相环模块输出的数据经过调整处理后，依次通过线性控制模块和部分反馈线性化控制模块调节并接入线性控制模块和部分反馈线性化控制模块与并网逆变器开关之间的脉冲调制模块，通过控制并网逆变器最终实现光伏阵列这一直流电源并入交流电网的并网控制。

2.一种单相光伏并网发电检测系统的非线性电流控制方法，其特征在于：利用权利要求1所述的单相光伏并网发电系统的线性控制模块和部分反馈线性化控制模块进行线性化控制，并将其转化为一种降阶线性系统，部分消除了可能出现的非线性特征，改善系统的动态特性，具体包括如下步骤：

(1)对单相光伏并网发电系统建模，将单相光伏并网发电系统的非线性过程用状态空间表达式来表示，建立非线性坐标方程；

(2)在选定合适的非线性状态反馈量后，通过非线性坐标变换方程和李导数运算，通过状态反馈构成闭环，以使非线性系统实现线性化对非线性系统进行全部或部分反馈线性化；

(3)将部分线性化应用到输出方程中，推导部分反馈线性化的控制方程，符合李雅普诺夫稳定性，判定该降阶线性系统具有内动态稳定特征；

(4)设置步骤(3)的控制方程的线性控制输入参数，完成闭环控制过程。

3.如权利要求2所述的一种单相光伏并网发电检测系统的非线性电流控制方法，其特征在于：所述单相光伏并网发电系统的非线性过程用状态空间的表达式为：y＝h(x)＝i，其中：x，u，y分别表示状态方程的状态变量、控制变量和输出变量；

式中：x＝[v i]^T，f(x)＝[i_pv/C (-Ri-e)/L]^T，g(x)＝[-i/C v/L]^T，其中，R是单相光伏并网发电系统中的参数线路阻抗，L是滤波器线路的电感，i是光伏并网发电系统的电网侧输入电流，ν是光伏并网发电系统的电网侧输入电压。

4.如权利要求2所述的一种单相光伏并网发电检测系统的非线性电流控制方法，其特征在于：所述非线性系统进行全部或部分反馈线性化化过程通过非线性坐标变换方程z＝φ(x)和李导数运算对n阶线性系统最多进行n次微分获得输入，则状态输出方程h(x)为状态空间实现全局的精确线性化，对单相光伏并网系统的输出变量运用部分反馈线线性化，得到李导数运算结果，即 $L_{g}h\left(x\right)=L_g{L}_f^{r-1}h\left(x\right)=\frac{v_{\mathrm{pv}}}{L}.$

5.如权利要求4所述的一种单相光伏并网发电检测系统的非线性电流控制方法，其特征在于：将部分线性化应用到状态输出方程h(x)中，则 $\tilde{Z}=L_{f}h\left(x\right)+L_{g}h\left(x\right)u,$ 对单相光伏并网发电系统而言， $\tilde{Z}=\frac{-\mathrm{Ri}-e}{L}+\frac{v}{L}u,$ 用来表示线性控制输入参数取代表达式改写作即为部分反馈线性化后的控制方程表达式。