CN104868499A - 三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相pq控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制方法及系统，包括序分量分解模块所述序分量分解模块；序分量分解模块将公共电网侧的三相电压转化为正序分量，三相PQ并网控制模块根据接收的公共电网侧三相电压的正序分量以及输入的有功功率设定值、无功功率设定值和并网电流实测值，首先生成并网电流参考值，然后计算并网电流参考值与并网电流实测值的差值，最后将该差值经由PID控制器发送至PWM信号发生器，生成用于控制光伏发电系统的PWM信号。本发明的综合性能比现有的策略有了明显的提高，实现了光伏发电系统按照预定的功率输出，即使公共电网侧出现一定的波动，也能使其安全稳定的与公共电网并网运行。

Description

三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制方法及系统

技术领域

本发明属于光伏发电并网控制技术领域，具体涉及一种公共电网侧处于三相不平衡情况时的基于自适应陷波器的三相PQ控制方法及系统。

背景技术

目前，太阳能作为一种清洁能源越来越受到人们的重视，光伏发电系统也由原来的独立运行逐步转变为并网运行，为了能够使光伏发电安全高效的接入公共电网，其并网控制策略的选择是核心环节，为此，科研人员研究了多种控制方法，其中，PQ控制方法因其灵活性、可靠性和选择性得到广泛的关注。当前经典的PQ控制方法通过锁相环提取公共电网侧信息，采用dq变换对信息进行处理，进而通过功率计算模块得到控制信号，最后输出PWM控制信号。但是，由于锁相环性能的制约和dq变换的缺点，在公共电网侧处于三相不平衡情况时，经典的PQ控制方法的性能将出现一定程度的降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制方法及系统，能够有效的提高光伏发电的并网效果，使其按照电网需求进行功率的输出，维持光伏发电系统与公共电网的稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)采集公共电网侧三相电压u(t)并通过对其做ANF处理，得到公共电网侧三相电压u(t)的正交变换u′(t)；

(2)根据公共电网侧三相电压u(t)及其正交变换u′(t)，通过以下公式计算公共电网侧三相电压的正序分量u⁺(t)；

u⁺(t)＝A₂u(t)+A₁u′(t)

其中，A₁和A₂为常数矩阵：

(3)根据公共电网侧三相电压u(t)的正序分量u⁺(t)以及有功功率设定值P、无功功率设定值Q和实时测得的并网电流i(t)，通过以下公式计算并网电流i(t)的参考值i′(t)：

其中：

为正序分量u⁺(t)的最大值；

其中：

(4)计算并网电流参考值i′(t)与并网电流i(t)的差值，并将该差值经PID控制器发送至PWM信号发生器，生成PWM信号。

三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制系统，包括序分量分解模块和三相PQ并网控制模块；所述序分量分解模块包括ANF检测模块和序分量计算模块；ANF检测模块对采集自公共电网侧的三相电压进行ANF处理并将输出的三相电压幅值及其正交变换发送至序分量计算模块，序分量计算模块将接收的公共电网侧三相电压及其正交变换转换为公共电网侧三相电压的正序分量并发送至三相PQ并网控制模块；所述三相PQ并网控制模块根据接收的公共电网侧三相电压的正序分量以及输入的有功功率设定值、无功功率设定值和并网电流实测值，首先生成并网电流参考值，然后计算并网电流参考值与并网电流实测值的差值，最后将该差值经由PID控制器发送至PWM信号发生器，生成用于控制光伏发电系统的PWM信号。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明克服了现有并网控制方法在公共电网侧处于三相不平衡情况和电网电压频率、幅值波动时的性能下降问题，在公共电网处于非标准状况时，得益于序分量模块和自适应陷波器的优异性能，本方法能够抑制负序分量和电网电压波动的影响，使光伏发电系统按照预定的功率输出，使其安全稳定的与公共电网并网运行。

由于自适应陷波器能够快速准确的检测公共电网侧的信息，并且能够抑制电压波动的干扰，所以本发明对于电网波动也具有一定的抗干扰能力；和现有的方法相比，PQ并网控制模块的结构较为简单，流程清晰明了，内部计算量较小，并且系统不使用dq变换等限制性能的单元。

本发明的综合性能比现有的策略有了明显的提高，实现了光伏发电系统按照预定的功率输出，即使公共电网侧出现一定的波动，也能使其安全稳定的与公共电网并网运行。

附图说明

图1是本发明的三相PQ并网控制系统结构图；

图2是考察对有功功率的控制时的仿真波形图；

图3是考察对无功功率的控制时的仿真波形图；

图4是有功功率和无功功率同向变化时的仿真波形图；

图5是有功功率和无功功率异向变化时的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)采集公共电网侧三相电压u(t)并通过对其做ANF处理，得到公共电网侧三相电压u(t)的正交变换u′(t)；

(2)根据公共电网侧三相电压u(t)及其正交变换u′(t)，通过以下公式计算公共电网侧三相电压的正序分量u⁺(t)；

u⁺(t)＝A₂u(t)+A₁u′(t)

其中，A₁和A₂为常数矩阵：

(3)根据公共电网侧三相电压u(t)的正序分量u⁺(t)以及有功功率设定值P、无功功率设定值Q和实时测得的并网电流i(t)，通过以下公式计算并网电流i(t)的参考值i′(t)：

其中：

为正序分量u⁺(t)的最大值；

其中：

(4)计算并网电流参考值i′(t)与并网电流i(t)的差值，并将该差值经PID控制器发送至PWM信号发生器，生成PWM信号。

如图1所示，本发明公开了一种三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制系统，包括序分量分解模块和三相PQ并网控制模块；所述序分量分解模块包括ANF检测模块和序分量计算模块；ANF检测模块对采集自公共电网侧的三相电压进行ANF处理并将输出的三相电压幅值及其正交变换发送至序分量计算模块，序分量计算模块将接收的公共电网侧三相电压及其正交变换转换为公共电网侧三相电压的正序分量并发送至三相PQ并网控制模块；所述三相PQ并网控制模块根据接收的公共电网侧三相电压的正序分量以及输入的有功功率设定值、无功功率设定值和并网电流实测值，首先生成并网电流参考值，然后计算并网电流参考值与并网电流实测值的差值，最后将该差值经由PID控制器发送至PWM信号发生器，生成用于控制光伏发电系统的PWM信号。

一、ANF检测模块

设输入信号为：

ANF动态微分方程组为

方程组中的v(t)为输入信号，γ和ζ分别为ANF的参数，x为中间变量，θ为输入信号频率的估计值。

当输入信号为单一频率的正弦波时，ANF具有唯一的局部收敛跟轨迹：

根据上式可知，当输入信号送入ANF检测模块时，它能够输出输入信号的频率、幅值和其正交变换。

二、序分量计算模块

设三相输入信号为：

其正序分量、负序分量和零序分量分别表示为：

当输入信号为三相信号时，可以根据对称分量理论对正序、负序、零序分量进行分解。正序分量，负序分量，零序分量与输入信号的关系用矩阵表示为：

v⁺(t)＝A₂X₁(t)+A₁X₂(t)

v^-(t)＝A₂X₁(t)-A₁X₂(t)

v⁰(t)＝(I-2A₂)X₁(t)

其中v⁺(t)为正序分量，v^-(t)为负序分量，v⁰(t)为零序分量，X₁(t)为输入信号，X₂(t)为输入信号的正交变换，I为3阶单位矩阵，A₁与A₂为常数矩阵。

三、三相PQ并网控制模块

三相PQ并网控制模块可由三个单相子模块单相系统组合得到，三相PQ并网控制模块的输入为公共电网侧电压的正序分量、有功功率设定值、无功功率设定值、并网电流，输出为PWM信号。PQ并网控制模块由4个子模块构成，分别为A相子模块、B相子模块、C相子模块和PWM信号发生器，3个单相子模块的输入为公共电网侧电压的正序分量、有功功率设定值、无功功率设定值、并网电流实测值，输出为并网电流参考值与并网电流实测值的差值，该差值经PID控制器送入PWM信号发生器，输出为PWM信号。

并网电流参考值计算原理：

设公共电压为u＝U_相sin(ωt)，U_相位公共电压的最大值，U_相幅为公共电压的幅值，并网电流I_相为并网电流的最大值，I_相幅为电流的幅值，为公共电压与并网电流的相位差，正是因为有了相位差，所以并网电源会发出一定的无功功率，设P₁和Q₁分别为并网系统发出的有功功率和无功功率，根据上述分析可知，只需要根据P₁和Q₁数值反向计算出并网电流参考值，就能实现PQ并网控制。

并网电流的相位可化成如下形式：

三相电力系统中，根据电路基本定理可知：

其中，P₁为有功功率，Q₁为无功功率，U_线为线电压有效值，I_线为线电流有效值，为电压与电流的相位差。

根据上式可得：

这里设定，即I_线＝I_相，可以得到：

电网电压的三角函数值通过下式计算：

据此，本发明中：

为正序分量u⁺(t)的最大值；

其中：

P为有功功率设定值，Q为无功功率设定值。

计算得到I′_相和后，就可以得到并网电流的参考值i′(t)：

四、仿真分析

直流侧电源电压为600V，电网侧电压为380V，包含20％的负序分量，f＝50Hz，RLC滤波器参数为R＝0.1Ω，L＝0.005H，C＝0.00001F。

(一)考察对有功功率的控制，设定初始状态，Q＝2000var，P＝3000W，当t＝0.3s时，P增大为4000W。直流电源输入的有功功率和无功功率如图2所示，其中黑线表示有功功率，灰线表示无功功率。从图2中可以看出，采用本发明的方法能够控制直流电源按照设定的值输出功率，并且具有快速和准确的优点。

(二)考察对无功功率的控制，设定初始状态，P＝3000W，Q＝2000Var，当t＝0.3s时，Q增大为4000Var。直流电源输入的有功功率和无功功率如图3所示，其中黑线表示有功功率，灰线表示无功功率。从图3中可以看出，采用本发明的方法能够控制直流电源按照设定的值输出功率，并且具有快速和准确的优点。

(三)考察对有功功率和无功功率同时控制的性能，首先考虑PQ同向变化，设定初始状态，P＝3000W，Q＝2000Var，当t＝0.3s时，P增大为5000W，Q增大为4000Var。直流电源输入的有功功率和无功功率如图4所示，其中黑线表示有功功率，灰线表示无功功率。从图4中可以看出，当功率的设定值发生同向变化时，采用本发明的方法能够控制直流电源按照设定的有功功率和无功功率输出，并且具有快速和准确的优点。

(四)考察PQ异向变化时的性能，设定初始状态，P＝5000W，Q＝2000Var，当t＝0.3s时，P减小为3000W，Q增大为4000Var。直流电源输入的有功功率和无功功率如图5所示，其中黑线表示有功功率，灰线表示无功功率。从图5中可以看出，当功率的设定值发生异向变化时，采用本发明的方法能够控制直流电源按照设定的有功功率和无功功率输出，并且具有快速和准确的优点。

Claims (2)

1.三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)采集公共电网侧三相电压u(t)并通过对其做ANF处理，得到公共电网侧三相电压u(t)的正交变换u′(t)；

(2)根据公共电网侧三相电压u(t)及其正交变换u′(t)，通过以下公式计算公共电网侧三相电压的正序分量u⁺(t)；

u⁺(t)＝A₂u(t)+A₁u′(t)

其中，A₁和A₂为常数矩阵：

$A_1=\frac{1}{2\sqrt{3}}\begin{array}{c}\begin{array}{ccc}0& 1& -1\end{array}\\ \left(\begin{array}{ccc}-1& 0& 1\end{array}\right)\\ \begin{array}{ccc}1& -1& 0\end{array}\end{array}{A}_2=\frac{1}{3}\begin{array}{c}\begin{array}{ccc}1& \text{-0.5}& \text{-0.5}\end{array}\\ \left(\begin{array}{ccc}-0.5& 1& -0.5\end{array}\right)\\ \begin{array}{ccc}-0.5& -0.5& 1\end{array}\end{array}$

(3)根据公共电网侧三相电压u(t)的正序分量u⁺(t)以及有功功率设定值P、无功功率设定值Q和实时测得的并网电流i(t)，通过以下公式计算并网电流i(t)的参考值i′(t)：

其中：

为正序分量u⁺(t)的最大值；

其中：

(4)计算并网电流参考值i′(t)与并网电流i(t)的差值，并将该差值经PID控制器发送至PWM信号发生器，生成PWM信号。

2.三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相PQ控制系统，其特征在于：包括序分量分解模块和三相PQ并网控制模块；所述序分量分解模块包括ANF检测模块和序分量计算模块；ANF检测模块对采集自公共电网侧的三相电压进行ANF处理并将输出的三相电压幅值及其正交变换发送至序分量计算模块，序分量计算模块将接收的公共电网侧三相电压及其正交变换转换为公共电网侧三相电压的正序分量并发送至三相PQ并网控制模块；所述三相PQ并网控制模块根据接收的公共电网侧三相电压的正序分量以及输入的有功功率设定值、无功功率设定值和并网电流实测值，首先生成并网电流参考值，然后计算并网电流参考值与并网电流实测值的差值，最后将该差值经由PID控制器发送至PWM信号发生器，生成用于控制光伏发电系统的PWM信号。