CN107895948A - 一种光伏组串逆变器的谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏逆变器技术领域，尤其是一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其步骤为：(1)、对光伏组串逆变器进行电压电流信号检测；(2)、光伏组串逆变器的信号采集模块实时检测配电网母线电压u_s和负载电流i_L，经信号调理模块发送给微控制器；(3)、对负载电流i_L与基波有功电流幅值i_p进行Smith模糊PI控制，整定PI参数；(4)、由基波有功电流i_p与负载电流i_L通过Smith PI控制器检测出谐波电流i_c；(5)、组串逆变器将检测出谐波电流信号i_c，送至微电网控制器，微电网控制器控制组串逆变器调制生成PWM信号，输出给驱动电路模块，对含光伏的配电网实施谐波电流实时补偿，本发明使控制器具有较好的自适应性，提高了光伏电网中谐波检测的准确度。

Description

一种光伏组串逆变器的谐波检测方法

技术领域

本发明涉及光伏逆变器技术领域，具体领域为一种光伏组串逆变器的谐波检测方法。

背景技术

当前我国的并网光伏发电呈现出“分散开发、低压就地接入”与“大规模集中开发、中高压接入”并举的发展特征^[1]。光伏市场的巨大发展空间和发展潜力将给国内企业带来发展的最佳机遇，但同时也面临严峻挑战：当前地面光伏电站建设模式正面临提高发电量与降低投资成本的矛盾，且矛盾日益突出；集中式方案无法适应多样化的场景和需求，如地面起伏不平、朝向不一致、局部遮挡、不同组件型号、可安装的面积大小不同和相对零散等；电站越建越多，存量管理问题突出，如监控困难、故障定位难、服务响应慢和专业维护人员难找等挑战。

为有效改善和解决传统电站建设和运维的问题，降低系统初始投资和运维成本，提升发电收益，不管对于地面大型光伏电站还是屋顶发电，组串逆变器解决方案都拥有着得天独厚的优势，可以解决集中式方案遇到的问题。但随着逆变器的容量不断增大，给电网带来了电能质量问题。因此研究新型逆变器拓扑结构，配电网谐波检测方法及谐波补偿技术，将光伏逆变器研发成为兼可用作抑制谐波的有源电力滤波器，使之具有电网自适应功能，已迫在眉睫。

针对光伏逆变器的电能质量问题，国内也开展了不少研究。比如专利电压源型并网逆变器谐波电流抑制装置及方法[申请号：CN201510424909.4，公开号：CN104953801A]，提供一种电压源型并网逆变器谐波电流抑制装置及方法。该装置包括：网侧采样器，用于对网侧电压进行采样以获得网侧电压采样信号；第一逆变器采样器，用于对逆变器的输出电压和输出电流进行采样以获得逆变器电压采样信号和逆变器电流采样信号；网侧电压处理器，用于将网侧电压采样信号的N个谐波分量与基频分量分离；锁相环，用于检测基频分量的幅值和相位；功率控制环路，用于计算幅值调节量和相位调节量；参考信号合成器，用于生成逆变器电压参考信号；以及逆变器控制环路，用于控制逆变器以使输出电压跟随逆变器电压参考信号。根据本发明，可以有效地抑制电压源型并网逆变器向电网传输的谐波电流的含量。又如专利一种光伏逆变器无功功率调节能力分析方法[申请号：CN201610828757.9，公开号：CN103997043A],公开了一种光伏逆变器无功功率调节能力分析方法,该方法包括：建立逆变器的稳态分析模型；所述逆变器为光伏逆变器；建立所述逆变器稳态运行的约束条件；依据所述稳态分析模型和约束条件,计算所述逆变器的无功调节能力。该方法建立一种稳态分析模型,且考虑光伏逆变器发出的无功功率受到一些因素制约即约束条件,以此分析得到了逆变器的无功调节能力,进而为所接入配电网提供无功支撑,改善电网电压的运行质量。

目前，对于光伏组串逆变器的研究还不是很多，而对组串逆变器的电能质量研究更少，为此，本发明提出一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，来提升光伏发电的电能质量。另外，在工业控制中PID控制算法得到了广泛的应用，PID控制结构简单、鲁棒性强，但PID控制需要有明确的被控对象的模型，由于光伏具有随机性、间歇性等特点，光伏的发电的电压质量易受影响，因此采用Smith模糊PI方法用于谐波的检测，可以提高谐波的准确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，以解决现有技术中光伏发电谐波检测的准确性和有效性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其步骤为：

(1)、对光伏组串逆变器进行电压电流信号检测；

(2)、光伏组串逆变器的信号采集模块实时检测配电网母线电压u_s和负载电流i_L，经信号调理模块发送给微控制器；

(3)、对负载电流i_L与基波有功电流幅值i_p进行Smith模糊PI控制，整定PI参数；

(4)、由基波有功电流i_p与负载电流i_L通过Smith PI控制器检测出谐波电流i_c；

(5)、组串逆变器将检测出谐波电流信号i_c，送至微电网控制器，微电网控制器控制组串逆变器调制生成PWM信号，输出给驱动电路模块，对含光伏的配电网实施谐波电流实时补偿。

优选的，所述的步骤(2)中的电网母线电压u_s,i_L为负载电流，p为瞬时有功功率，P为p的直流分量，I_p、i_p、i_c分别为参考方法检测出的基波有功电流、基波有功电流、需要补偿的谐波电流。

优选的，在微控制器内，由单相的负载电流i_L构造α、β两相电流i_α滞后90°得到i_β；

由母线电压u_s构造出α、β两相电压u_α滞后90°得到u_β,

则u_α与u_β的模值电压

瞬时有功功率为p＝u_αi_α+u_βi_β，得到基波有功电流为

优选的，所述的步骤(3)中在微控制器内，将采样得到的负载电流i_L与基波有功电流i_p进行比较，得到偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，并以PI的2个参数修正值Δk_p,Δk_i作为输出,根据系统的响应实时调节PI控制器，以满足不同时刻的误差e,和ec对PI控制参数的需求。

优选的，输入输出量的模糊化为：选择偏差e和偏差变化率ec及2个输出Δk_p,Δk_i、对应的模糊语言变量，分别为e,ec,k_p,k_i取模糊化论域为[－6，6]，由7个语言变量组成，分别为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，简记为{NB、NM、MS、ZO、PS、PM、PB}。定义E、EC和Δk_p的论域为{－3,－2,－1,0,1,2,3}，Δk_i的论域为{－0.6,－0.4,－0.2,0,0.2,0.4,0.6},隶属函数选用三角形函数，设定初始值PI控制器参数k_p0＝5.2，PI控制器参数初始值k_i0＝1.5，则通过k_p＝k_p0+Δk_p得到PI控制器参数k_p值，通过k_i＝k_i0+Δk_i得到PI控制器参数k_i值。

优选的，Smith预估控制器为：G_P(s)代表PI控制器的传递函数,表达式为

G(s)代表对象模型中不含纯滞后部分的传递函数，G(s)的表达式为：

L_f取值为1.5mH。

加入Smith预估器的系统闭环函数为：

优选的，T₀为初始时间常数，值为1s，λ被用来调节控制系统的闭环相应速度，值为0.8,e^-τs代表被控对象的纯滞后部分，τ为滞后时间，取值为0.08s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在该方法中，将模糊控制与PI控制结合，利用模糊推理法实现对PI参数的在线自整定，使控制器具有较好的自适应性，Smith预估器起到补偿控制的作用，使被延迟的被控量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，提高了光伏电网中谐波检测的准确度。

附图说明

图1为本发明的串逆变器谐波电流检测方法框图；

图2为本发明的Smith模糊PI控制器结构图；

图3为本发明的e、ec和Δk_p的隶属函数曲线图；

图4为本发明的Δk_i的隶属函数曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

参见图1至4，本实施例的一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，具体步骤如下：

第一步，电压电流信号检测：

光伏组串逆变器的信号采集模块实时检测配电网母线电压u_s和负载电流i_L，经信号调理模块发送给微控制器。

第二步，微处理器计算基波有功电流i_p：

参见图1，电网母线电压u_s,i_L为负载电流，p为瞬时有功功率，P为p的直流分量，I_p、i_p、i_c分别为参考方法检测出的基波有功电流、基波有功电流、需要补偿的谐波电流。在微控制器内，由单相的负载电流i_L构造α、β两相电流i_α滞后90°得到i_β。

由母线电压u_s构造出α、β两相电压u_α滞后90°得到u_β,

则u_α与u_β的模值电压

瞬时有功功率为根据图3得到基波有功电流为

第三步，对负载电流i_L与基波有功电流幅值i_p进行Smith模糊PI控制，整定PI参数：

参见图2，在微处理器内，将采样得到的负载电流i_L与基波有功电流i_p进行比较，得到偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，并以PI的2个参数修正值Δk_p,Δk_i作为输出,根据系统的响应实时调节PI控制器，以满足不同时刻的误差e,和ec对PI控制参数的需求。

(1)输入输出量的模糊化。

选择偏差e和偏差变化率ec及2个输出Δk_p,Δk_i、对应的模糊语言变量，分别为e,ec,k_p,k_i取模糊化论域为[－6，6]，由7个语言变量组成，分别

为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，简记为{NB、NM、MS、ZO、PS、PM、PB}。定义E、EC和Δk_p的论域为{－3,－2,－1,0,1,2,3}，Δk_i的论域为{－0.6,－0.4,－0.2,0,0.2,0.4,0.6},隶属函数选用三角形函数，参见图2和图3，设定初始值PI控制器参数k_p0＝5.2，PI控制器参数初始值k_i0＝1.5，则通过k_p＝k_p0+Δk_p得到PI控制器参数k_p值，通过k_i＝k_i0+Δk_i得到PI控制器参数k_i值。

(2)Smith预估控制器

参见图2，G_P(s)代表PI控制器的传递函数,表达式为

式中，T₀为初始时间常数，值为1s，λ被用来调节控制系统的闭环相应速度，值为0.8,e^-τs代表被控对象的纯滞后部分，τ为滞后时间，取值为0.08s。

G(s)代表对象模型中不含纯滞后部分的传递函数，G(s)的表达式为：

L_f取值为1.5mH。

加入Smith预估器的系统闭环函数为：

由此，根据图1，由基波有功电流i_p与负载电流i_L通过Smith PI控制器检测出谐波电流i_c。

第四步：组串逆变器将检测出谐波电流信号i_c，送至微电网控制器，微电网控制器控制组串逆变器调制生成PWM信号，输出给驱动电路模块，对含光伏的配电网实施谐波电流实时补偿。

其通过构建α、β两相电压，计算得出基波有功幅值电流，然后采用Smith模糊PI控制器对组串逆变器的PI控制参数进行整定，确定并采用最优的PI控制参数实施PI控制，检测光伏发电的谐波成分。该方法采用Smith预估控制和模糊PI控制相结合的复合控制方法，以提升组串逆变器的谐波检测的准确度，并解决时滞问题，从而进一步提高光伏发电的电能质量，为利用光伏组串逆变器的谐波检测提供了一种新方法。

在该方法中，将模糊控制与PI控制结合，利用模糊推理法实现对PI参数的在线自整定，使控制器具有较好的自适应性，Smith预估器起到补偿控制的作用，使被延迟的被控量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，提高了光伏电网中谐波检测的准确度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其特征在于：其步骤为：

(1)、对光伏组串逆变器进行电压电流信号检测；

(2)、光伏组串逆变器的信号采集模块实时检测配电网母线电压u_s和负载电流i_L，经信号调理模块发送给微控制器；

(3)、对负载电流i_L与基波有功电流幅值i_p进行Smith模糊PI控制，整定PI参数；

(4)、由基波有功电流i_p与负载电流i_L通过Smith PI控制器检测出谐波电流i_c；

(5)、组串逆变器将检测出谐波电流信号i_c，送至微电网控制器，微电网控制器控制组串逆变器调制生成PWM信号，输出给驱动电路模块，对含光伏的配电网实施谐波电流实时补偿。

2.根据权利要求1所述的一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的电网母线电压u_s,i_L为负载电流，p为瞬时有功功率，P为p的直流分量，I_p、i_p、i_c分别为参考方法检测出的基波有功电流、基波有功电流、需要补偿的谐波电流。

3.根据权利要求2所述的一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其特征在于：在微控制器内，由单相的负载电流i_L构造α、β两相电流i_α滞后90°得到i_β；

由母线电压u_s构造出α、β两相电压u_α滞后90°得到u_β,

则u_α与u_β的模值电压

瞬时有功功率为p＝u_αi_α+u_βi_β，得到基波有功电流为

4.根据权利要求3所述的一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其特征在于：所述的步骤(3)中在微控制器内，将采样得到的负载电流i_L与基波有功电流i_p进行比较，得到偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，并以PI的2个参数修正值Δk_p,Δk_i作为输出,根据系统的响应实时调节PI控制器，以满足不同时刻的误差e,和ec对PI控制参数的需求。

5.根据权利要求4所述的一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其特征在于：输入输出量的模糊化为：选择偏差e和偏差变化率ec及2个输出Δk_p,Δk_i、对应的模糊语言变量，分别为e,ec,k_p,k_i取模糊化论域为[－6，6]，由7个语言变量组成，分别为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，简记为{NB、NM、MS、ZO、PS、PM、PB}。定义E、EC和Δk_p的论域为{－3,－2,－1,0,1,2,3}，Δk_i的论域为{－0.6,－0.4,－0.2,0,0.2,0.4,0.6},隶属函数选用三角形函数，设定初始值PI控制器参数k_p0＝5.2，PI控制器参数初始值k_i0＝1.5，则通过k_p＝k_p0+Δk_p得到PI控制器参数k_p值，通过k_i＝k_i0+Δk_i得到PI控制器参数k_i值。

6.根据权利要求5所述的一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其特征在于：Smith预估控制器为：G_P(s)代表PI控制器的传递函数,表达式为

<mrow> <msub> <mi>G</mi> <mi>P</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msup> <mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;T</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

G(s)代表对象模型中不含纯滞后部分的传递函数，G(s)的表达式为：

L_f取值为1.5mH。

加入Smith预估器的系统闭环函数为：

<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>G</mi> <mi>P</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>G</mi> <mi>P</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msup> <mo>.</mo> </mrow>

7.根据权利要求6所述的一种光伏组串逆变器的谐波检测方法，其特征在于：T₀为初始时间常数，值为1s，λ被用来调节控制系统的闭环相应速度，值为0.8,e^-τs代表被控对象的纯滞后部分，τ为滞后时间，取值为0.08s。