CN105244914A - 一种用于光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法，包括以下步骤：建立光伏发电系统，信号测量与处理，正负序分解，计算P_g和Q_g，计算P_g2和Q_g2，确定控制误差e_u、e_Q和e_P，确定滑模面s_u和s_Q，确定控制率u_cd和u_cq，判断是否达到控制目标，αβ变换和SVPWM调制。本发明具有结构简单，鲁棒性强等优点；在电网电压不平衡时，本发明可以分别实现抑制并网逆变器输出功率脉动和保证并网三相电流正弦且无波形畸变的控制目标。

Description

一种用于光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏并网逆变器的控制方法，尤其是一种光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法，属于供电控制技术领域。

背景技术

光伏发电作为一种成熟的可再生能源发电技术，在我国的能源结构中所占的比重越来越大。由于我国特殊的地理环境和能源结构，光伏发电以大规模并网为主，且多集中在西北地区。这些地区电网较弱，光伏发电与电力系统之间的相互影响越来越大。一方面，电网电压的不平衡会导致光伏并网逆变器输出功率的波动和输出电流波形的畸变，影响逆变器的安全运行。另一方面，逆变器输出功率的波动和畸变电流也会的电力系统的稳定运行造成影响。

为提高光伏并网逆变器在电网电压不平衡时的运行能力，刘伟增等人在太阳能学报，2013，34(04)：647-652.“电网不平衡条件下光伏并网控制策略研究”公开了一种双dq轴、正负序电流控制方案，通过设置不同的电流参考值，可以实现不同的不平衡控制目标，该方法需要设置4个电流调节器，控制系统复杂，且需要对电流进行正负序分解，存在延时和误差。章玮等人在电工技术学报，2010，25(12)：103-110.“不对称电网电压条件下三相并网型逆变器的控制”中公开了一种在αβ坐标系中的比例谐振电流控制方案，该方法可实现对正负序分量的统一调节，因此仅需要两个电流调节器，但电流参考指令的计算较为复杂。由于电网电压不平衡时并网逆变器的输出功率波动和电流谐波不能同时消除，郭小强等人在中国电机工程学报，2014，34(03)：346-353.“不平衡电网电压下光伏并网逆变器功率/电流质量协调控制策略”中分析了光伏并网逆变器输出功率波动和电流谐波产生的原理，公开了一种功率/电流质量的协调控制方法，提高了系统运行性能。

滑模控制具有鲁棒性强，动态响应快等优点，在并网逆变器的控制中得到了广泛的应用。郭旭刚等人在电力系统保护与控制，2013，41(10)：126-133.“电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制”中公开了一种并网逆变器的滑模直接功率控制方案，并在电网电压不平衡时实现了消除负序电流、消除有功脉动、消除无功脉动三个不平衡控制目标。

为维持直流电压的稳定，以上控制策略一般设置电压外环、功率或电流内环的级联控制器，导致参数的整定和配合较为困难。为实现不同的不平衡目标，需要对电网电压和并网电流的各分量进行正负序分解，分解过程存在延时和误差，影响控制器的控制性能。此外，不同控制目标的功率或电流参考值的设置较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法。

本发明采用下述技术方案：

一种光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立光伏发电系统：所述光伏发电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器、直流测量元件、并网逆变器、交流测量元件、控制系统和交流电网组成；所述光伏发电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器，直流测量元件、并网逆变器、交流测量元件和交流电网依次级联，所述控制系统的输入端分别接所述光伏测量元件、直流测量元件、交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端；

步骤2：信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量所述交流电网的三相电压u_ga、u_gb、u_gc，所述并网逆变器的输出电流i_ga、i_gb、i_gc和直流电压u_dc；所述交流测量元件测量的三相电压u_ga、u_gb、u_gc经过锁相环处理，计算出电网的电压相角θ；所述交流测量元件测量的三相电压u_ga、u_gb、u_gc经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量u_gd和q轴分量u_gq；将所述交流测量元件测量的三相并网电流i_ga、i_gb、i_gc经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量i_gd和q轴分量i_gq；

步骤3：正负序分解：将所述三相电压在dq旋转坐标系中的d轴分量u_gd和q轴分量u_gq经过陷波器得到负序分量和将所述三相并网电流在dq旋转坐标系中的d轴分量i_gd和q轴分量i_gq经过陷波器得到正序分量和

步骤4：计算所述并网逆变器输出的有功功率和无功功率总量P_g和Q_g：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=u_{gd}{i}_{gd}+u_{gq}{i}_{gq}=U_g{i}_{gd}\\ Q_g=u_{gq}{i}_{gd}-u_{gd}{i}_{gq}=-U_g{i}_{gq}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：U_g为电网电压幅值；

步骤5：确定出由负序电压、正序电流产生的有功功率和无功功率二倍频波动分量P_g2和Q_g2：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{g2}=u_{gd}^{-}{i}_{gd}^{+}+u_{gq}^{-}{i}_{gq}^{+}\\ Q_{g2}=u_{gd}^{-}{i}_{gd}^{+}-u_{gd}^{-}{i}_{gq}^{+}\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤6：确定控制误差：

直流电压的跟踪误差e_u为：

{e_u＝u^*-u(3)

其中：u为直流电压的平方，u^*为直流电压参考值的平方；

当以消除有功功率和无功功率的二倍频脉动为控制目标时的有功功率和无功功率的误差e_P和e_Q分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_P=P_{pv}-P_g\\ e_Q=Q_g^{*}-Q_g\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：P_pv为光伏阵列的输出功率；Q_g ^*为网侧变换器输出无功功率的参考值；

当以消除并网电流负序分量，保证波形平衡且正弦为控制目标时，无功功率的跟踪误差和有功功率的误差e’_P和e’_Q分别为：

$\{\begin{array}{c}{e}_P^{\′}=P_{pv}-P_g+P_{g2}=e_P+P_{g2}\\ e_Q^{\′}=Q_g^{*}-Q_g+Q_{g2}=e_Q+Q_{g2}\end{array}---\left(5\right)$

步骤7:确定滑模直接电压/功率控制的滑模面；

$\{\begin{array}{c}{s}_u=e_u+c_1\∫e_{u}dt\\ s_Q=e_Q+c_2\∫e_{Q}dt\end{array}---\left(6\right)$

式中：c₁和c₂为正实数；

步骤8:确定滑模直接电压/功率控制的控制率和总控制输入：所述控制率u为：

u＝Δu+u_eq(7)

式中：Δu为开关控制，u_eq为等效控制；

所述总控制输入为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cd}={\mathrm{\Δu}}_{cd}+u_{cdeq}\\ u_{cq}={\mathrm{\Δu}}_{cq}+u_{cqeq}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：u_cd和u_cq分别为控制率的d轴和q轴分量，Δu_cd和Δu_cq分别为开关控制的d轴和q轴分量，u_cdeq和u_cqeq分别为等效控制的d轴和q轴分量；

其中开关控制为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{cd}=-k_{u1}\sqrt{\left|s_u\right|}sgn\left(s_u\right)-k_{u2}\∫\mathrm{sgn}\left(s_u\right)dt\\ {\mathrm{\Δu}}_{cq}=-k_{Q1}\sqrt{\left|s_Q\right|}\mathrm{sgn}\left(s_Q\right)-k_{Q2}\∫\mathrm{sgn}\left(s_Q\right)dt\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，k_u1,k_u2,k_Q1和k_Q2为正常数；s_u和s_Q为式(6)中定义的滑模面；sgn为符号函数；

等效控制为：

$\{\begin{array}{c}{u}_{cdeq}=-{\mathrm{\ωLi}}_{gq}+u_{gd}-\frac{c_{1}L}{U_g}{e}_P\\ u_{cqeq}={\mathrm{\ωLi}}_{gd}+u_{gq}-\frac{c_{2}L}{U_g}{e}_Q-\frac{L}{U_g}{\stackrel{\·}{Q}}_g^{*}\end{array}---\left(10\right)$

式中，ω为电网角频率，L为并网逆变器进线电抗器的电感，为无功功率参考值的导数；

步骤9：判断是否达到控制目标，如果是，转向步骤10，否则转向步骤7；

步骤10：αβ变换：将在dq坐标系下的控制电压u_cd和u_cq经过αβ变换后得到在αβ坐标系下的控制电压u_cα和u_cβ，其中u_cα为α轴分量，u_cβ为β轴分量；

步骤11：SVPWM调制：将控制电压u_cα和u_cβ经过SVPWM调制后得到所述并网逆变器的三相调制信号s_a、s_b、s_c，并将其送入并网逆变器的开关管进行控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明不需要级联控制器之间的配合，控制器的结构和参数的调整都比较简单。

2.本发明可在电网电压不平衡时分别实现消除并网逆变器的功率脉动和保证并网电流正弦的控制目标。且为实现控制目标而需要加入的功率补偿项的计算比较简单。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是光伏并网发电结构示意图；

图3是以抑制输出功率脉动为控制目标的控制系统原理框图；

图4是以保证并网电流正弦为控制目标的控制系统原理框图；

图5是电网电压不平衡时光伏并网逆变器综合控制系统原理框图。

具体实施方式

一种光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：建立光伏发电系统：所述的光伏发电系统如图2所示，所述光伏发电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器、直流测量元件、并网逆变器、交流测量元件、控制系统和交流电网组成；所述光伏发电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器，直流测量元件、并网逆变器、交流测量元件和交流电网依次级联，所述控制系统的输入端分别接所述光伏测量元件、直流测量元件、交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端；

步骤2：信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量所述交流电网的三相电压u_ga、u_gb、u_gc，所述并网逆变器的输出电流i_ga、i_gb、i_gc和直流电压u_dc；所述交流测量元件测量的三相电压u_ga、u_gb、u_gc经过锁相环处理，计算出电网的电压相角θ；所述交流测量元件测量的三相电压u_ga、u_gb、u_gc进过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量u_gd和q轴分量u_gq；将所述交流测量元件测量的三相并网电流i_ga、i_gb、i_gc经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量i_gd和q轴分量i_gq；

步骤3：正负序分解：将所述三相电压在dq旋转坐标系中的d轴分量u_gd和q轴分量u_gq经过陷波器得到负序分量和将所述三相并网电流在dq旋转坐标系中的d轴分量i_gd和q轴分量i_gq经过陷波器得到正序分量和

步骤4：计算所述并网逆变器输出的有功功率和无功功率总量P_g和Q_g：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=u_{gd}{i}_{gd}+u_{gq}{i}_{gq}=U_g{i}_{gd}\\ Q_g=u_{gq}{i}_{gd}-u_{gd}{i}_{gq}=-U_g{i}_{gq}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：U_g为电网电压幅值；

步骤5：确定出由负序电压、正序电流产生的有功功率和无功功率二倍频波动分量P_g2和Q_g2：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{g2}=u_{gd}^{-}{i}_{gd}^{+}+u_{gq}^{-}{i}_{gq}^{+}\\ Q_{g2}=u_{gq}^{-}{i}_{gd}^{+}-u_{gd}^{-}{i}_{gq}^{+}\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤6：确定控制误差：

直流电压的跟踪误差e_u为：

{e_u＝u^*-u(3)

其中：u为直流电压的平方，u^*为直流电压参考值的平方；

当以消除有功功率和无功功率的二倍频脉动为控制目标时的有功功率和无功功率的误差e_P和e_Q分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_P=P_{pv}-P_g\\ e_Q=Q_g^{*}-Q_g\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：P_pv为光伏阵列的输出功率；Q_g ^*为网侧变换器输出无功功率的参考值；

当以消除并网电流负序分量，保证波形平衡且正弦为控制目标时，无功功率的跟踪误差和有功功率的误差e’_P和e’_Q分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_P^{\′}=P_{pv}-P_g+P_{g2}=e_P+P_{g2}\\ e_Q^{\′}=Q_g^{*}-Q_g+Q_{g2}=e_Q+Q_{g2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤7:确定滑模直接电压/功率控制的滑模面；

$\left\{\begin{array}{c}{s}_u=e_u+c_1\∫e_{u}dt\\ s_Q=e_Q+c_2\∫e_{Q}dt\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：c₁和c₂为正实数；

步骤8:确定滑模直接电压/功率控制的控制率和总控制输入：所述控制率u为：

u＝Δu+u_eq(7)

式中：Δu为开关控制，u_eq为等效控制；

所述总控制输入为：

$\{\begin{array}{c}{u}_{cd}={\mathrm{\Δu}}_{cd}+u_{cdeq}\\ u_{cq}={\mathrm{\Δu}}_{cq}+u_{cqeq}\end{array}---\left(8\right)$

式中：u_cd和u_cq分别为控制率的d轴和q轴分量，Δu_cd和Δu_cq分别为开关控制的d轴和q轴分量，u_cdeq和u_cqeq分别为等效控制的d轴和q轴分量；

其中开关控制为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{cd}=-k_{u1}\sqrt{\left|s_u\right|}sgn\left(s_u\right)-k_{u2}\∫\mathrm{sgn}\left(s_u\right)dt\\ {\mathrm{\Δu}}_{cq}=-k_{Q1}\sqrt{\left|s_Q\right|}\mathrm{sgn}\left(s_Q\right)-k_{Q2}\∫\mathrm{sgn}dt\left(s_Q\right)dt\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，k_u1,k_u2,k_Q1和k_Q2为正常数；s_u和s_Q为式(6)中定义的滑模面；sgn为符号函数；

等效控制为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cdeq}=-{\mathrm{\ωLi}}_{gq}+u_{gd}-\frac{c_{1}L}{U_g}{e}_P\\ u_{cqeq}={\mathrm{\ωLi}}_{gd}+u_{gq}-\frac{c_{2}L}{U_g}{e}_Q-\frac{L}{U_g}{\stackrel{\·}{Q}}_g^{*}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中，ω为电网角频率，L为并网逆变器进线电抗器的电感，为无功功率参考值的导数；

步骤9：判断是否达到控制目标，如果是，转向步骤10，否则转向步骤7；

步骤10：αβ变换：将在dq坐标系下的控制电压u_cd和u_cq经过αβ变换后得到在αβ坐标系下的控制电压u_cα和u_cβ，其中u_cα为α轴分量，u_cβ为β轴分量；

步骤11：SVPWM调制：将控制电压u_cα和u_cβ经过SVPWM调制后得到所述并网逆变器的三相调制信号s_a、s_b、s_c，并将其送入并网逆变器的开关管进行控制。

本实施例采用100Hz陷波器。直流电压参考值一般设为直流侧额定电压，在本例中设为500V；无功功率参考值根据实际运行需要设定，一般设为0。

整个光伏发电系统由光伏阵列、DC/DC变换器，并网逆变器、进线电抗器和电网组成；光伏发电控制系统由DC/DC变换器的控制和并网逆变器的控制两个部分组成；DC/DC变换器的控制主要实现电压的变换和光伏阵列最大功率追踪；并网逆变器的控制主要实现直流量到交流量的转换，实现光伏系统的并网运行；本发明主要针对并网逆变器的控制，即滑模直接电压/功率控制系统，以及在电网电压不平衡时的控制策略。

建立光伏并网逆变器在dq旋转坐标系下的数学模型；建立光伏并网逆变器在平衡以及不平衡电网电压下的输出功率模型；光伏并网逆变器的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{gd}}{dt}=\frac{1}{L}({\mathrm{\ωLi}}_{gq}+u_{cd}-u_{gd})\\ \frac{{\mathrm{di}}_{gq}}{dt}=\frac{1}{L}(-{\mathrm{\ωLi}}_{gd}+u_{cq}-u_{gq})\end{array}\right.$

其中，u_gd，u_gq分别为电网电压dq轴分量；u_cd，u_cq分别为并网逆变器交流侧电压dq轴分量；i_gd，i_gq分别为并网电流dq轴分量；L为进线电抗器的等效电感；ω为电网角频率；

直流侧电压模型为：

${\mathrm{Cu}}_{dc}\frac{{\mathrm{du}}_{dc}}{dt}=P_{pv}-P_g$

其中C为直流侧电容；u_dc为直流电压；P_pv为光伏阵列的输出功率；P_g为并网逆变器流向电网的有功功率。

改进后的直流电压模型为：

$\frac{du}{dt}=\frac{2}{C}(P_{pv}-P_g)=\frac{2}{C}{e}_P$

其中，u为直流电压u_dc的平方；e_P定义为有功功率误差；

采用电网电压定向，光伏并网逆变器在平衡电网电压下的输出有功功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=u_{gd}{i}_{gd}+u_{gq}{i}_{gq}=U_g{i}_{gd}\\ Q_g=u_{gq}{i}_{gd}-u_{gd}{i}_{gq}=-U_g{i}_{gq}\end{array}\right.$

其中：U_g为电网电压幅值；

不平衡电网电压下，光伏并网逆变器的输出功率模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=P_{g0}+P_{g1}+P_{g2}\\ Q_g=Q_{g0}+Q_{g1}+Q_{g2}\end{array}\right.$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{g0}=u_{gd}^{+}{i}_{gd}^{+}+u_{gq}^{+}{i}_{gq}^{+}+u_{gd}^{-}{i}_{gd}^{-}+u_{gq}^{-}{i}_{gq}^{-}\\ P_{g1}=u_{gd}^{+}{i}_{gd}^{-}+u_{gq}^{+}{i}_{gq}^{-}\\ P_{g2}=u_{gd}^{-}{i}_{gd}^{+}+u_{gq}^{-}{i}_{gq}^{+}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{g0}=u_{gq}^{+}{i}_{gd}^{+}-u_{gd}^{+}{i}_{gq}^{+}+u_{gq}^{-}{i}_{gq}^{-}-u_{gd}^{-}{i}_{gq}^{-}\\ Q_{g1}=u_{gq}^{+}{i}_{gd}^{-}-u_{gd}^{+}{i}_{gq}^{-}\\ Q_{g2}=u_{gd}^{-}{i}_{gd}^{+}-u_{gd}^{-}{i}_{gq}^{+}\end{array}\right.$

其中：上标+、-分别表示正、负序分量；P_g0、Q_g0分别为有功功率和无功功率稳态分量；P_g1、Q_g1分别为正序电压、负序电流产生的有功功率和无功功率二倍频波动；P_g2、Q_g2分别为负序电压、正序电流产生的有功功率和无功功率二倍频波动。

确立滑模直接电压/功率控制器的控制目标；光伏并网逆变器的主要控制目标是维持直流电压的恒定和输出稳定的无功功率，并且具有良好的动态响应性能；因此确定如下跟踪误差：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_u=u^{*}-u\\ e_Q=Q_g^{*}-Q_g\end{array}\right.$

式中：u^*为直流电压参考值的平方；Q_g ^*为网侧变换器输出无功功率的参考值；系统的控制目标是使跟踪误差e_u＝e_Q＝0；

确定滑模直接电压/功率控制的滑模面，本发明采用积分滑模面：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_u=e_u+c_1\∫e_{u}dt\\ s_Q=e_Q+c_2\∫e_{Q}dt\end{array}\right.$

式中：积分项的引入是为了消除系统的静态误差，c₁和c₂为正实数；

确定滑模直接电压/功率控制的控制率；本发明采用如下控制率结构：

u＝Δu+u_eq

式中：Δu为开关控制，开关控制可以使系统从任意的初始状态在有限的时间内到达滑模面。u_eq为等效控制，等效控制的作用是使系统在理想状态下沿滑模面运动，等效控制可以加快系统的响应速度，减小系统的静态误差。

本发明采用滑模控制中的超螺旋算法设计开关控制；根据超螺旋算法的设计规则以及光伏并网逆变器的数序模型和功率模型，开关控制设计如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{cd}=-k_{u1}\sqrt{\left|s_u\right|}sgn\left(s_u\right)-k_{u2}\∫\mathrm{sgn}\left(s_u\right)dt\\ {\mathrm{\Δu}}_{cq}=-k_{Q1}\sqrt{\left|s_Q\right|}\mathrm{sgn}\left(s_Q\right)-k_{Q2}\∫\mathrm{sgn}dt\end{array}\right.$

式中，k_u1，k_u2，k_Q1和k_Q2为正常数；

等效控制令获得。令得系统的等效控制为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cdeq}=-{\mathrm{\ωLi}}_{gq}+u_{gd}-\frac{c_{1}L}{U_g}{e}_P\\ u_{cqeq}={\mathrm{\ωLi}}_{gd}+u_{gq}-\frac{c_{2}L}{U_g}{e}_Q-\frac{L}{U_g}{\stackrel{\·}{Q}}_g^{*}\end{array}\right.$

最终，得到光伏并网逆变器总的控制输入为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cd}={\mathrm{\Δu}}_{cd}+u_{cdeq}\\ u_{cq}={\mathrm{\Δu}}_{cq}+u_{cqeq}\end{array}\right.$

确立电网电压不平衡时以抑制光伏并网逆变器输出有功功率和无功功率波动为控制目标的控制策略；由于滑模控制能够对交流量进行控制，因此，只要设置控制器的参考值为直流量，即可实现对直流电压和无功功率的无静差调节，即消除直流电压和无功功率的二倍频波动；由直流侧数学模型可以看出，直流电压的稳定实质上反映了光伏阵列输出功率P_pv和并网逆变器输出有功功率P_g之间的平衡；由于P_pv为可视为恒定的直流量，因此对直流电压的调整实质上是对P_g的调整，只要直流电压恒定，即可保证P_g为无脉动的直流量；综上所述，只要重复步骤3到步骤5，即可实现控制目标；

确立电网电压不平衡时以保证并网三相电流正弦且无波形畸变为控制目标的控制策略；为得到正弦的输出电流，则需要消除输出电流的负序分量，即根据不平衡电网电压下光伏阵列输出功率模型可知，由负序电流引起的功率波动P_g1和Q_g1必须被消除；而由负序电压和正序电流引起的功率波动P_g2和Q_g2则需要保留；为达到上述目标，仅需要对有功分量P_g0和P_g1、无功分量Q_g0和Q_g1进行调节。有功功率误差和无功功率误差：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_P^{\′}=P_{pv}-(P_{g0}+P_{g1})\\ e_Q^{\′}=Q_g^{*}-(Q_{g0}+Q_{g1})\end{array}\right.$

对重新定义的有功功率和无功功率误差进行调整：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_P^{\′}=P_{pv}-P_g+P_{g2}=e_P+P_{g2}\\ e_Q^{*}=Q_g^{*}-Q_g+Q_{g2}=e_Q+Q_{g2}\end{array}\right.$

以输出电流正弦为目标的控制策略仅需在原有的控制策略的功率误差中加入功率补偿P_g2和Q_g2，控制器的其它部分则不需要修改。因此，改变有功功率误差和无功功率误差后，重复步骤3到步骤5，即可实现控制目标。

图3～图5给出了所述控制策略的控制框图。图4给出了以消除有功功率和无功功率的二倍频脉动为控制目标的控制框图，图5给出了以消除并网电流负序分量，保证波形平衡且正弦为控制目标的控制框图；两图中，仅有功功率误差和无功功率跟踪误差的计算不同，分别如式(4)和式(5)所示，其它部分则完全一样，在步骤1～步骤6中进行了详细的介绍；对比式(4)和式(5)，式(5)仅在式(4)的基础上加入了功率项P_g2和Q_g2。因此，可对两种控制目标进行综合，综合控制框图如图5所示，其中虚线部分为功率补偿项P_g2和Q_g2，当以消除并网电流负序分量，保证波形平衡且正弦为控制目标时，将其加入控制系统。

Claims (1)

1.一种光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立光伏发电系统：所述光伏发电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器、直流测量元件、并网逆变器、交流测量元件、控制系统和交流电网组成；所述光伏发电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器，直流测量元件、并网逆变器、交流测量元件和交流电网依次级联，所述控制系统的输入端分别接所述光伏测量元件、直流测量元件、交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端；

步骤2：信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量所述交流电网的三相电压u_ga、u_gb、u_gc，所述并网逆变器的输出电流i_ga、i_gb、i_gc和直流电压u_dc；所述交流测量元件测量的三相电压u_ga、u_gb、u_gc经过锁相环处理，计算出电网的电压相角θ；所述交流测量元件测量的三相电压u_ga、u_gb、u_gc进过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量u_gd和q轴分量u_gq；将所述交流测量元件测量的三相并网电流i_ga、i_gb、i_gc经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量i_gd和q轴分量i_gq；

步骤3：正负序分解：将所述三相电压在dq旋转坐标系中的d轴分量u_gd和q轴分量u_gq经过陷波器得到负序分量和将所述三相并网电流在dq旋转坐标系中的d轴分量i_gd和q轴分量i_gq经过陷波器得到正序分量和

步骤4：计算所述并网逆变器输出的有功功率和无功功率总量P_g和Q_g：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_g=u_{gd}{i}_{gd}+u_{gq}{i}_{gq}=U_g{i}_{gd}\\ Q_g=u_{gq}{i}_{gd}-u_{gd}{i}_{gq}=-U_g{i}_{gq}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：U_g为电网电压幅值；

步骤5：确定出由负序电压、正序电流产生的有功功率和无功功率二倍频波动分量P_g2和Q_g2：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{g2}=u_{gd}^{-}{i}_{gd}^{+}+u_{gq}^{-}{i}_{gq}^{+}\\ Q_{g2}=u_{gq}^{-}{i}_{gd}^{+}-u_{gd}^{-}{i}_{gq}^{+}\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤6：确定控制误差：

直流电压的跟踪误差e_u为：

{e_u＝u^*-u(3)

其中：u为直流电压的平方，u^*为直流电压参考值的平方；

当以消除有功功率和无功功率的二倍频脉动为控制目标时的有功功率和无功功率的误差e_P和e_Q分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_P=P_{pv}-P_g\\ e_Q=Q_g^{*}-Q_g\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：P_pv为光伏阵列的输出功率；Q_g ^*为网侧变换器输出无功功率的参考值；

当以消除并网电流负序分量，保证波形平衡且正弦为控制目标时，无功功率的跟踪误差和有功功率的误差e’_P和e’_Q分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_P^{\′}=P_{pv}-P_g+P_{g2}=e_P+P_{g2}\\ e_Q^{\′}=Q_g^{*}-Q_g+Q_{g2}=e_Q+Q_{g2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤7:确定滑模直接电压/功率控制的滑模面；

$\left\{\begin{array}{c}{s}_u=e_u+c_1\∫e_{u}dt\\ s_Q=e_Q+c_2\∫e_{Q}dt\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：c₁和c₂为正实数；

步骤8:确定滑模直接电压/功率控制的控制率和总控制输入，所述控制率u为：

u＝Δu+u_eq(7)

式中：Δu为开关控制，u_eq为等效控制；

所述总控制输入为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cd}={\mathrm{\Δu}}_{cd}+u_{cdeq}\\ u_{cq}={\mathrm{\Δu}}_{cq}+u_{cqeq}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：u_cd和u_cq分别为控制率的d轴和q轴分量，Δu_cd和Δu_cq分别为开关控制的d轴和q轴分量，u_cdeq和u_cqeq分别为等效控制的d轴和q轴分量；

其中开关控制Δu_cd和Δu_cq为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{cd}=-k_{u1}\sqrt{\left|s_u\right|}\mathrm{sgn}\left(s_u\right)-k_{u2}\∫\mathrm{sgn}\left(s_u\right)dt\\ {\mathrm{\Δu}}_{cq}=-k_{Q1}\sqrt{\left|s_Q\right|}\mathrm{sgn}\left(s_Q\right)-k_{Q2}\∫\mathrm{sgn}\left(s_Q\right)dt\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，k_u1,k_u2,k_Q1和k_Q2为正常数；s_u和s_Q为式(6)中定义的滑模面；sgn为符号函数；

等效控制u_cdeq和u_cqeq为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cdeq}=-{\mathrm{\ωLi}}_{gq}+u_{gd}-\frac{c_{1}L}{U_g}{e}_P\\ u_{cqeq}={\mathrm{\ωLi}}_{gd}+u_{gq}-\frac{c_{2}L}{U_g}{e}_Q-\frac{L}{U_g}{\stackrel{\·}{Q}}_g^{*}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中，ω为电网角频率，L为并网逆变器进线电抗器的电感，为无功功率参考值的导数。

步骤9：判断是否达到控制目标，如果是，转向步骤10，否则转向步骤7；

步骤10：αβ变换：将在dq坐标系下的控制电压u_cd和u_cq经过αβ变换后得到在αβ坐标系下的控制电压u_cα和u_cβ，其中u_cα为α轴分量，u_cβ为β轴分量；

步骤11：SVPWM调制：将控制电压u_cα和u_cβ经过SVPWM调制后得到所述并网逆变器的三相调制信号s_a、s_b、s_c，并将其送入并网逆变器的开关管进行控制。