CN107317352B - 具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，实时检测得微电网光伏板光照强度系数
与多个单相微型光伏逆变器分别接入三相电网的电流/电压值，计算三相不平衡度μ，同时结合系数
与不平衡度μ，采用模糊PI控制算法，确定光伏电池组件功率分配系数γ，建立电池组件输出功率的分配方案；建立ip‑iq指令电流求解模型，将所求基波正序分量与负载电流相减，得出三相电流中包含谐波、基波负序和基波有功传送电流在内的补偿电流，最后根据分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，本发明将光照强度系数、三相电流不平衡度、模糊PI控制算法与ip‑iq模型结合在一起，自适应地实现谐波电流抑制、负载无功补偿和三相不平衡治理。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法。
背景技术
在农村电网中，其配电网络的三相不平衡问题一直困扰着供电单位。中低压电网大多是经10/0.4kV变压器降压后，以三相四线制向用户供电，是三相生产用电与单相负载混合用电的供电网络。
由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，都造成了谐波电流、负载无功和三相不平衡等问题。低压电网若在三相负荷不平衡度较大情况下运行，将会给低压电网与电气设备造成不良影响。
由于分布式光伏发电的快速发展，普通用户安装单相光伏发电系统。通过相关研究可以发现，单相光伏逆变器可以作为无功补偿和谐波补偿的一种选择。同时，用单相光伏逆变器治理三相不平衡问题成为一种可能。
此外，光伏发电是太阳能最常见的一种能源利用方式，在光伏发电系统里，传统的光伏逆变器采用多个光伏组件串联，直流母线接逆变器并网。该结构存在着诸多缺点，包括：较大的功率损耗，不稳定的发电性能等。
发明内容
本发明将光照强度系数、三相电流不平衡度、模糊PI控制算法与ip-iq模型结合在一起，通过微型光伏逆变器的组网与控制，自适应地实现谐波电流治理、负载无功补偿和三相不平衡等功能。
本发明的技术解决方案是：
一种具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，包括以下步骤：
通过光照强度传感器实时检测光伏系统所处环境的光照强度，得出光照强度系数
同时检测多个单相微型光伏逆变器分别接入三相电网的电流/电压值，计算三相不平衡度μ；
随后结合光照强度系数
与三相不平衡度μ，采用模糊PI控制算法，确定光伏电池组件功率分配系数γ，建立光伏逆变器输出功率的分配方案；
随后，建立ip-iq指令电流求解模型，将所求基波正序分量与负载电流相减，得出三相电流中包含谐波、基波负序和基波有功传送电流在内的补偿电流ilah、ilbh、ilch。最后，根据分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，自适应地实现谐波电流抑制、负载无功补偿和三相不平衡治理。
进一步地，微型光伏逆变器采用单块电池组件与单个微型光伏逆变器相集成，微型光伏逆变器直接并网，建立小型微电网系统；根据不同微电网系统独立检测光照强度系数
和三相不平衡度μ，根据分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，实现针对独立微电网系统的谐波电流治理、负载无功补偿和三相不平衡处理。
进一步地，光伏逆变器运行时，首先要对其光照强度系数
和三相不平衡度μ进行检测与计算，将相邻的三相不平衡度μ计算差值得到三相不平衡度变化量Δμ，作为模糊PI控制器的输入参数，分析出kP和ki对系统输出特性的影响，建立kP和ki两个参数与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系；在控制系统中不断检测并计算
Δμ，再根据模糊PI控制规则进行计算，查询模糊矩阵表对参数kP和ki进行在线调整，其中，kP是比例系数，控制μ的大小，ki为积分符合，用于缓冲因μ突变而产生的冲击。
进一步地，建立参数kP与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系，即kP的预测推理规则如下表，其中，on表示上升，off表示下降：
表1 kP的预测推理规则表
进一步地，建立参数ki与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系，即ki的预测推理规则如下表：
表2 ki的预测推理规则表
进一步地，判断三相不平衡度变化量Δμ处于隶属度函数中的上升沿，还是下降沿，确定不平衡度处于下降沿，还是上升沿；同时，并结合光照强度系数
所处区间，最终Δμ的位置处于区间，若处于上升沿，不平衡度影响增大，需要结合光照系数
和三相不平衡度变化量Δμ增加功率匹配系数γ，Δμ越大，所需增加的不平衡治理功率匹配系数γ越大，因此kP越大；反之，Δμ越小，
越小，kP越小，同时由于处于上升沿，因此ki为负，且|ki|随
的增大而减小，用于缓冲因系数突变而产生的冲击；若处于下降沿不平衡度影响减小，需要结合光照系数
减少不平衡治理功率匹配系数γ，Δμ越大，所需增加的不平衡治理功率匹配系数γ越小，因此kP越小；反之，Δμ越小，kP越大，同时由于处于下降沿，因此ki为正，且ki随
的增大而减小，用于缓冲因系数突变而产生的冲击。
进一步地，光伏电池组件功率分配系数γ的求解具体为
γ＝kp+ki/s
其中，kP是比例系数，控制μ的大小；ki为积分系数，用于缓冲因μ突变而产生的冲击；1/s表示积分变换。
进一步地，建立ip-iq指令电流求解模型，将所求基波正序分量与负载电流相减，结合分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，即可得出三相电流中包含谐波、基波负序和基波有功传送电流在内的补偿电流指令
进一步地，对连接到电网中的微型光伏逆变器的公共连接点处，检测三相电流值ia、ib、ic，通过电流不平衡公式计算出三相电流不平衡度：
其中，
Iavg为三相负荷电流的平均值，
max[(IA-Iavg),(IB-Iavg),(IC-Iavg)]为三相负荷IA，IB，IC与Iavg的最大差值。
本发明的有益效果是：该种具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，将光照强度系数、三相电流不平衡度、模糊PI控制算法与ip-iq模型结合在一起，自适应地实现谐波电流治理、负载无功补偿和三相不平衡等功能。
附图说明
图1是实施例中模糊控制算法隶属度函数的示意图。
图2是实施例中基于模糊PI控制器的自适应ip-iq模型框图。
图3是实施例中逆变器控制系统的整体结构示意图。
图4是实施例中微型光伏逆变器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
实施例方法将光照强度系数、三相电流不平衡度、模糊PI控制算法与ip-iq模型结合在一起，根据光照强度系数
与三相电流不平衡度μ，初步确定光伏电池功率分配系数，并采用模糊控制算法，建立ip-iq指令电流求解模型，根据分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，自适应地实现谐波电流治理、负载无功补偿和三相不平衡等功能。
一种具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，包括以下步骤：
通过光照强度传感器实时检测光伏系统所处环境的光照强度，得出光照强度系数
同时检测多个单相微型光伏逆变器分别接入三相电网的电流/电压值，计算三相不平衡度μ；
随后结合光照强度系数
与三相不平衡度μ，采用模糊PI控制算法，确定光伏电池组件功率分配系数γ，建立光伏逆变器输出功率的分配方案；
随后，建立ip-iq指令电流求解模型，将所求基波正序分量与负载电流相减，得出三相电流中包含谐波、基波负序和基波有功传送电流在内的补偿电流ilah、ilbh、ilch。最后，根据分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，自适应地实现谐波电流抑制、负载无功补偿和三相不平衡治理。
对连接到电网中的微型光伏逆变器的公共连接点处PCC，检测三相电流值ia、ib、ic。通过电流不平衡公式可计算出三相电流不平衡度：
其中，
Iavg为三相负荷电流的平均值，
为三a相v负g荷IA，IB，IC与Iavg的最大差值。
采用模糊算法将光照强度系数
与三相电流不平衡度μ结合在一起，优化光伏逆变器的输出功率匹配方案，从而确定光伏电池不平衡治理功率匹配系数γ。
光伏逆变器运行时，首先要对其光照强度系数
和三相不平衡度μ进行检测与计算，将相邻的三相不平衡度μ计算差值，作为模糊控制器的输入参数，分析出kP和ki对系统输出特性的影响建立kP和ki两个参数与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系。
在控制系统中不断检测计算
Δμ，再根据模糊控制规则进行计算，查询模糊矩阵表对参数kP和ki进行在线调整，其中，kP是比例系数，控制μ的大小。ki为积分符合，用于缓冲因μ突变而产生的冲击。
具体规则如图1所示，横坐标为光照强度系数
的共分为6个区间，纵坐标为三相不平衡度变化量Δμ，建立kP和ki两个参数与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系如表1、表2所示。
建立参数kP与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系，即kP的预测推理规则如下表，其中，On表示上升，off表示下降：
表1 kP的预测推理规则表
建立参数ki与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之v间的模糊关系，即ki的预测推理规则如下表：
表2 ki的预测推理规则表
例如，通过对连接到电网中的微型光伏逆变器的公共连接点处PCC，检测三相电流值ia、ib、ic，及其三相电压值ua、ub、uc。通过电流不平衡公式可计算出三相电流不平衡度μ，(一次计算为两个连续的采样周期的两个测量数值)，结合两次测量值计算两次三相电流不平衡度μ，判断三相不平衡度变化量Δμ处于图2中的上升沿，还是下降沿，确定不平衡度处于下降沿，还是上升沿。两次三相电流不平衡度μ的测量值，如果第二次比第一次大，则是上升沿，如果第二次比第一次小，则是下降沿。同时，并结合光照强度系数
所处区间，最终Δμ的位置处于区间，即P1on、P1off、P2on、P2off、P3on、P3off、P4on、P4off、P5on、P5off、P6on、P6off。
若处于上升沿，不平衡度影响增大，需要结合光照系数
和三相不平衡度变化量Δμ增加功率匹配系数γ，Δμ越大，所需增加的不平衡治理功率匹配系数γ越大，因此kP越大；反之，Δμ越小，
越小，kP越小，同时由于处于上升沿，因此ki为负，且|ki|随
的增大而减小，用于缓冲因系数突变而产生的冲击；若处于下降沿不平衡度影响减小，需要结合光照系数
减少不平衡治理功率匹配系数γ，Δμ越大，所需增加的不平衡治理功率匹配系数γ越小，因此kP越小；反之，Δμ越小，kP越大，同时由于处于下降沿，因此ki为正，且ki随
的增大而减小，用于缓冲因系数突变而产生的冲击。即光伏电池组件功率分配系数γ的求解方法为
γ＝kp+ki/s
其中，kP是比例系数，控制μ的大小；ki为积分系数，用于缓冲因μ突变而产生的冲击；1/s表示积分变换。
采用ip-iq法，其主要思路是：将三相四线制系统的零序电流分量il0从三相负载电流ila、ilb、ilc中分离出来，剩余的三相电流i'lm，其中m＝a，b，c，已可以利用ip-iq法进行检测。对应的检测框图如图2所示。
il0＝(ila+ilb+ilc)/3
剩余电流i'lm经C32转换矩阵转换到α-β静止坐标系；再通过相位信号θ(由电网的相电压Ua经锁相环(phase-locked loops，PLL)得到)和转换矩阵C计算得到负载瞬时有功电流ilp及瞬时无功电流ilq、ilp、ilq经低通滤波器LPF，得到直流分量
和
式中：
利用图2所示的直流电压反馈控制电路，来保持直流侧电压的稳定。其工作过程为：直流侧电压的参考值Udcref与直流侧电压实际值Udc计算偏差，再经PI调节器得到表征有功传送功率的有功直流分量idcref、idcref和
经下式的运算，得到基波正序电流ilaf、ilbf、ilcf。将此基波正序分量与负载电流相减后，即可得出三相电流中包含谐波、基波负序和基波有功传送电流在内的补偿电流指令ilah、ilbh、ilch。最后，结合三相不平衡功率匹配系数γ得到最终三相电流指令
自适应地实现谐波电流治理、负载无功补偿和三相不平衡等功能。
其中，γ1＝γ2＝γ3＝γ均为三相不平衡功率匹配系数。
如图3和图4微型光伏逆变器采用单块电池组件与单个微型光伏逆变器相集成，微型光伏逆变器直接并网，建立小型微电网系统；根据不同微电网系统独立检测光照强度系数
和三相不平衡度μ，根据分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，实现针对独立微电网系统的谐波电流治理、负载无功补偿和三相不平衡处理。
实施例还给出一种实现三相不平衡治理的微型光伏逆变器组网协调控制系统，包括光照强度传感器、协调控制器和微型光伏逆变器组，微型光伏逆变器组包括若干微型光伏逆变器，光照强度传感器连接协调控制器的输入端，协调控制器的输出端分别连接微型光伏逆变器，微型光伏逆变器直接并网，微型光伏逆变器采用单块电池组件与单个微型光伏逆变器相集成。
还包括三相电流检测用电流互感器和三相电压检测用电压互感器，三相电流检测用电流互感器分别串联在微型光伏逆变器连接到电网中的公共连接点处，三相电压检测用电压互感器分别并联在微型光伏逆变器连接到电网中的公共连接点处，三相电流检测用电流互感器和三相电压检测用电压互感器分别连接协调控制器的输入端。
与传统的逆变器相比，微型光伏逆变器采用单块电池组件与单个微型光伏逆变器相集成、逆变直接并网。其模块化设计，功率损耗小，性能稳定，简单可靠，即插即用，每个模块都有独立的MPPT控制，可以最大限度的跟踪最大功率。微型光伏逆变器具有输入电压低、输出电压高和功率等级低等特点。
如图4，微型光伏逆变器包括光伏组件、电容C1、电容C2、场效应管M1、二极管D1、电感L1、变压器T1、场效应管M2、二极管D2、二极管D3、电容C3、整流桥、电容C4和电感L2，光伏组件并联电容C1，光伏组件的正极输出端通过电容C2连接在场效应管M1的一端与二极管D1的负极的交汇处，光伏组件的正极输出端还连接变压器T1原边绕组的一端，光伏组件的正极输出端还通过电感L1分别连接在场效应管M1的另一端与二极管D1的正极的交汇处、变压器T1原边绕组的另一端、场效应管M2的一端与二极管D2的负极的交汇处，光伏组件的负极输出端连接在场效应管M2的另一端与二极管D2的正极的交汇处，场效应管M1的控制端、场效应管M2的控制端分别连接协调控制器的输出端；变压器T1副边绕组的一端连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接整流桥的正极输入端与电容C3的一端的交汇处，变压器T1副边绕组的另一端连接整流桥的负极输入端与电容C3的另一端的交汇处，整流桥的正极输出端、负极输出端分别连接电容C4的两端，整流桥的正极输出端通过电感L2连接电池组件的正极，整流桥的负极输出端连接电池组件的负极。整流桥由四个可控硅组成，可控硅的控制端连接协调控制器的输出端。
Claims (6)
1.一种具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过光照强度传感器实时检测光伏系统所处环境的光照强度，得出光照强度系数
同时检测多个单相微型光伏逆变器分别接入三相电网的电流/电压值，计算三相不平衡度μ；
随后结合光照强度系数
与三相不平衡度μ，采用模糊PI控制算法，确定光伏电池组件功率分配系数γ，建立光伏逆变器输出功率的分配方案；其中，确定光伏电池组件功率分配系数γ具体为：光伏逆变器运行时，首先要对其光照强度系数
和三相不平衡度μ进行检测与计算，将相邻的三相不平衡度μ计算差值得到三相不平衡度变化量Δμ，作为模糊PI控制器的输入参数，分析出kP和ki对系统输出特性的影响，建立kP和ki两个参数与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系；在控制系统中不断检测并计算
Δμ，再根据模糊PI控制规则进行计算，查询模糊矩阵表对参数kP和ki进行在线调整，其中，kP是比例系数，控制μ的大小，ki为积分符合，用于缓冲因μ突变而产生的冲击；
判断三相不平衡度变化量Δμ处于隶属度函数中的上升沿，还是下降沿，确定不平衡度处于下降沿，还是上升沿；同时，并结合光照强度系数
所处区间，最终Δμ的位置处于区间，若处于上升沿，不平衡度影响增大，需要结合光照系数
和三相不平衡度变化量Δμ增加功率匹配系数γ，Δμ越大，所需增加的不平衡治理功率匹配系数γ越大，因此kP越大；反之，Δμ越小，
越小，kP越小，同时由于处于上升沿，因此ki为负，且|ki|随
的增大而减小，用于缓冲因系数突变而产生的冲击；若处于下降沿不平衡度影响减小，需要结合光照系数
减少不平衡治理功率匹配系数γ，Δμ越大，所需增加的不平衡治理功率匹配系数γ越小，因此kP越小；反之，Δμ越小，kP越大，同时由于处于下降沿，因此ki为正，且ki随
的增大而减小，用于缓冲因系数突变而产生的冲击；光伏电池组件功率分配系数γ的求解具体为
γ＝kp+ki/s
其中，kP是比例系数，控制μ的大小；ki为积分系数，用于缓冲因μ突变而产生的冲击；1/s表示积分变换；
随后，建立ip-iq指令电流求解模型，将所求基波正序分量与负载电流相减，得出三相电流中包含谐波、基波负序和基波有功传送电流在内的补偿电流ilah、ilbh、ilch，最后，根据分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，自适应地实现谐波电流抑制、负载无功补偿和三相不平衡治理。
2.如权利要求1所述的具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，其特征在于：微型光伏逆变器采用单块电池组件与单个微型光伏逆变器相集成，微型光伏逆变器直接并网，建立小型微电网系统；根据不同微电网系统独立检测光照强度系数
和三相不平衡度μ，根据分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，实现针对独立微电网系统的谐波电流治理、负载无功补偿和三相不平衡处理。
3.如权利要求1所述的具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，其特征在于：建立参数kP与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系，即kP的预测推理规则如下表，其中，on表示上升，off表示下降：
表1 kP的预测推理规则表
4.如权利要求3所述的具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，其特征在于：建立参数ki与光照强度系数
及三相不平衡度变化量Δμ之间的模糊关系，即ki的预测推理规则如下表：
表2 ki的预测推理规则表
5.如权利要求1所述的具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，其特征在于：建立ip-iq指令电流求解模型，将所求基波正序分量与负载电流相减，结合分配系数γ调整电池组件向微电网注入功率大小，即可得出三相电流中包含谐波、基波负序和基波有功传送电流在内的补偿电流指令
6.如权利要求1-5任一项所述的具有三相不平衡治理功能的微型光伏逆变器控制方法，其特征在于：对连接到电网中的微型光伏逆变器的公共连接点处，检测三相电流值ia、ib、ic，通过电流不平衡公式计算出三相电流不平衡度：
其中，
Iavg为三相负荷电流的平均值，
max[(IA-Iavg),(IB-Iavg),(IC-Iavg)]为三相负荷IA，IB，IC与Iavg的最大差值。
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