CN107612027A - 一种光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法 - Google Patents
一种光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法，包括：1)在每个控制周期，计算逆变器直流电压Udc的微分Udc_d；2)将直流电压的微分量Udc_d与直流电压Udc求和，再与直流电压的参考值Udc *作差，得到直流电压的误差，直流电压的误差通过直流电压PI控制器得到直流电压外环的输出Udc_out；3)将直流电压外环的输出Udc_out加上直流电流全前馈iffd得到电流内环的参考值i1 *；4)将电流内环的参考值i1 *减去电流采样值i1得到电流误差值，电流误差值通过电流内环PI控制器得到该控制周期的控制量；5)对该控制量调制得到各开关管的PWM脉冲。本发明能够使直流电压的暂态跌落得到极大的抑制，响应快速。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，具体涉及一种光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法。
背景技术
随着自然环境的日益恶化以及化石能源的日益枯竭，可再生能源发电技术得到了越来越多的关注。其中由于太阳能取之不尽的特点和光伏发电清洁无污染的优势，光伏发电技术得到了广泛的应用。光伏发电是利用光伏电池板的光生伏特效应将太阳能直接转变为电能的一种技术，光伏电池板发出的为直流电，需要通过并网逆变器转换为交流电。
参见图1，常见的三相并网逆变器采用三电平拓扑，适用于高压大容量应用场合，具有输出电压谐波含量低、效率高的优势。该逆变器采用LCL滤波器，前级电感为L1，后级电感为L2，交流滤波电容CAC。逆变器的直流电压Udc、直流电流iPV、输出电流i1和电网电压vg参与系统的控制。由于需要控制逆变器的并网变流与跟踪最大功率点，逆变器采用直流电压外环、输出电流内环的双环控制方式，为了提高直流电压利用率，调制方式采用SVPWM调制。
光伏逆变器通常工作于最大功率点跟踪模式，直流电压跟随光照而变化。在夏日气温较高时，由于光伏电池板的温度特性，此时最大功率点电压较低，导致逆变器调制度较高，接近饱和。如果光伏板突然被云彩遮挡，光照突变，逆变器的输入功率会大幅减小，而由于此时逆变器的输出功率不变，直流电压会产生暂态跌落。如果电压跌落幅度太大，易造成逆变器调制度不足，会对逆变器输出电流的控制产生不利影响，严重会导致逆变器故障停机。
为了抑制直流电压暂态跌落，传统方法是提高电压外环的响应速度。但是电压环的控制与最大功率点跟踪有关，改变电压环响应速度会造成直流电压在最大功率点附近震荡，且外环的速度受到电流内环的限制，响应速度无法提高太多，无法有效抑制直流电压的暂态跌落。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法，利用直流电流全前馈抵消光照对直流电压的扰动，并且利用微分负反馈对被控量的变化趋势进行抑制，加快系统的响应速度，减少调节所需要的时间。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
1)在每个控制周期，计算逆变器直流电压Udc的微分Udc_d；
2)将直流电压的微分量Udc_d与直流电压Udc求和，再与直流电压的参考值Udc *作差，得到直流电压的误差，直流电压的误差通过直流电压PI控制器得到直流电压外环的输出Udc_out；
3)将直流电压外环的输出Udc_out加上直流电流全前馈iffd得到电流内环的参考值i1 *；
4)将电流内环的参考值i1 *减去电流采样值i1得到电流误差值，电流误差值通过电流内环PI控制器得到该控制周期的控制量；
5)使用控制量调制得到各开关管的PWM脉冲。
所述直流电压Udc的微分Udc_d按照下式进行计算：
式中，kd为直流电压微分系数，Hv为直流电压采样反馈系数，Ts为控制周期，Udc(n)为当前周期的直流电压采样值，Udc(n-1)为前一周期的直流电压采样值，Udc_d(n)表示当前周期的直流电压微分值，Udc_d(n-1)表示前一周期的直流电压微分值。
所述直流电流全前馈iffd的计算公式为：
y0(n)＝Hi*iPV(n)；
式中，uac为电网电压幅值，逆变器直流电压Udc，η为逆变器的效率；
Hi为输出电流采样反馈系数，Ts为控制周期，kpi为电流内环PI控制器比例系数，kPWM为调制系数，iPV(n)为当前周期的逆变器直流电流采样值，iPV(n-1)为前一周期的逆变器直流电流采样值，iPV(n-2)为前两周期的逆变器直流电流采样值，kii为电流内环PI控制器积分系数，L1为前级电感，L2为后级电感，CAC为交流滤波电容。
所述的控制量通过SVPWM调制得到各开关管的PWM脉冲。
SVPWM调制系数
直流电压PI控制器s为微分算子，电流环PI控制器 式中，kpv为电压外环PI控制器比例系数，kiv为电压外环PI控制器积分系数，kpi为电流内环PI控制器比例系数，kii为电流内环PI控制器积分系数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：首先，直流电压外环的输出Udc_out加上直流电流全前馈iffd得到电流内环的参考值i1 *，直流电流全前馈能够最大限度的抵消直流电流对直流电压的扰动，即抵消光照变化对直流电压的影响，使得输出电流快速跟随输入电流的变化，减小直流电压的波动。其次，采用直流电压微分负反馈环节，能够得到直流电压的变化趋势，产生一个快速的修正量，从而加快了系统的动作速度，减少了调节时间。通过上述两个环节的共同作用，使直流电压的暂态跌落得到了极大的抑制。
进一步的，本发明在控制周期中的控制量通过SVPWM调制得到各开关管的PWM脉冲，SVPWM调制相比SPWM调制有更高的直流电压利用率。
附图说明
图1三相光伏并网逆变器原理示意图；
图2不同温度下的PV特性曲线图；
图3不同光照强度下的PV特性曲线图；
图4本发明直流电压暂态跌落抑制方法的控制框图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，常规的三电平三相光伏并网逆变器中，三电平电路由于其开关管耐压只有直流电压的一半，适用于高压大功率的应用场合。三电平逆变器其输出电压的谐波含量较小，可以在较低的开关频率下满足国标对电流谐波的要求，提高了装置的整体效率；并且三电平逆变器可以选用较小的滤波器，减小了装置的体积，提高了功率密度。
逆变器采用LCL滤波器，L1为前级滤波电感，L2为后级滤波电感，CAC为交流滤波电容。LCL滤波器对高频谐波有很强的抑制能力，能有效减少入网电流的THD含量。CDC为直流滤波电容，负责滤除直流电流中的波动成分。
需要被装置采集用于控制的量为输出电流i1、电网电压vg、直流电压Udc和直流电流iPV。其中输出电流i1被用于控制装置的入网电流，由于LCL滤波器为三阶滤波器，入网电流i2与占空比的传递函数较复杂，为三阶函数，因此控制装置的输出电流i1来近似控制入网电流i2。电网电压vg通过锁相环计算，用于生成输出电流需要的角度。对于光伏并网逆变器，最重要的是跟踪最大功率点，因此对直流电压Udc进行控制，而直流电流iPV用来计算光伏输入功率。
三相并网逆变器常用的控制方式为双闭环控制，内环为输出电流环，外环为直流电压环。电压外环的参考值由MPPT(最大功率点跟踪)算法得到，电压外环使用PI控制器，输出作为电流内环的给定值。电流内环使用PI控制器，具有稳态精度高、动态响应快、鲁棒性强等优点，内环的输出作为控制量，通过SVPWM调制方式生成各个开关管的PWM脉冲。SVPWM调制相比SPWM调制有更高的直流电压利用率。
光伏发电利用太阳能电池板的光生伏特效应，将太阳能转换为电能。电池板具有温度特性，当温度升高时，其最大功率点电压会降低。同一块电池板在25℃和55℃下的PV特性曲线如图2所示，由图可以看出，当温度从25℃升高到55℃时，最大功率点电压从600V降低到了500V。因此，在夏日午后气温较高时，逆变器的直流电压较低，此时调制度较大，接近饱和。如果此时光伏板突然受到云彩的遮挡，相当于光照发生突变，同一块电池板在不同光照强度下的PV特性曲线图如图3所示，由图可以看出，当光照强度突降时，相同电压对应的功率也发生突降，当光照强度变化较大时，功率变化会很明显。如果逆变器的输入功率突降，而输出功率保持不变，会造成直流电压暂态跌落，如果直流电压跌落较严重，达不到调制度要求，会对控制产生不利影响，严重的会导致装置故障停机。
为了抑制直流电压暂态跌落，本发明结合直流电流全前馈和直流电压微分负反馈，参见图4。图中，Gff(s)为直流电流全前馈传递函数，kd为直流电压微分系数，s为微分算子； 为电压环PI控制器，为电流环PI控制器，为SVPWM调制系数，Hi为电流采样反馈系数，Hv为电压采样反馈系数。
在每个控制周期，对直流电压Udc进行微分，s域下传递函数如下：
Udc_d(s)＝kdHv*s*Udc(s)
式中，kd为微分系数。
为了实现数字控制，将s域下的传递函数转换到z域：
进一步离散化得到：
式中，Ts为控制周期值，Udc(n)表示本周期的直流电压值，Udc(n-1)表示前一周期的直流电压值，Udc_d(n)表示本周期的直流电压微分值，Udc_d(n-1)表示前一周期的直流电压微分值。
直流电压微分值Udc_d与直流电压采样值Udc相加后，与直流电压参考值作差做为电压环PI控制器的输入，其输出与直流电流前馈值iffd相加得到电流内环参考值i1 *。
直流电流前馈值计算公式如下：
iffd(s)＝Gff(s)*iPV(s)
转换到z域为：
离散化得到：
y0(n)＝Hi*iPV(n)
式中，iPV(n)为当前周期的逆变器直流电流采样值，iPV(n-1)为前一周期的逆变器直流电流采样值，iPV(n-2)为前两周期的逆变器直流电流采样值。
电流内环通过PI控制器计算得到当前周期的控制量，控制量通过SVPWM调制得到各个开关管的PWM脉冲。
Claims (6)
1.一种光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在每个控制周期，计算逆变器直流电压Udc的微分Udc_d；
2)将直流电压的微分量Udc_d与直流电压Udc求和，再与直流电压的参考值Udc *作差，得到直流电压的误差，直流电压的误差通过直流电压PI控制器得到直流电压外环的输出Udc_out；
3)将直流电压外环的输出Udc_out加上直流电流全前馈iffd得到电流内环的参考值i1 *；
4)将电流内环的参考值i1 *减去电流采样值i1得到电流误差值，电流误差值通过电流内环PI控制器得到该控制周期的控制量；
5)对该控制量调制得到各开关管的PWM脉冲。
2.根据权利要求1所述的光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法，其特征在于，所述直流电压Udc的微分Udc_d按照下式进行计算：
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式中，kd为直流电压微分系数，Hv为直流电压采样反馈系数，Ts为控制周期，Udc(n)为当前周期的直流电压采样值，Udc(n-1)为前一周期的直流电压采样值，Udc_d(n)表示当前周期的直流电压微分值，Udc_d(n-1)表示前一周期的直流电压微分值。
3.根据权利要求1所述的光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法，其特征在于，所述直流电流全前馈iffd的计算公式为：
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式中，uac为电网电压幅值，逆变器直流电压Udc，η为逆变器的效率；
Hi为输出电流采样反馈系数，Ts为控制周期，kpi为电流内环PI控制器比例系数，kPWM为调制系数，iPV(n)为当前周期的逆变器直流电流采样值，iPV(n-1)为前一周期的逆变器直流电流采样值，iPV(n-2)为前两周期的逆变器直流电流采样值，kii为电流内环PI控制器积分系数，L1为前级电感，L2为后级电感，CAC为交流滤波电容。
4.根据权利要求1所述的光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法，其特征在于：所述的控制量通过SVPWM调制得到各开关管的PWM脉冲。
5.根据权利要求4所述的光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法，其特征在于：SVPWM调制系数
6.根据权利要求1所述的光伏逆变器直流电压暂态跌落抑制方法，其特征在于：直流电压PI控制器s为微分算子，电流环PI控制器式中，kpv为电压外环PI控制器比例系数，kiv为电压外环PI控制器积分系数；kpi为电流内环PI控制器比例系数，kii为电流内环PI控制器积分系数。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210126 |
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