CN112684696A - 一种光伏发电系统内部pi控制器的稳态控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法及装置，其方法包括：搭建光伏发电系统的电路拓扑结构，并基于电路拓扑结构获取相关电压参数的关系式；利用Park变换算法与瞬时功率理论对该关系式进行转换解析，计算光伏发电系统内部逆变器注入电网的初始功率；基于电压外环控制原理对该初始功率进行简化，利用简化后的功率计算光伏发电系统内部外环PI控制器的稳定值；将光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源形成的并网串联电路，确定等值电压源的并网工作电压；基于电流内环控制原理对该并网工作电压进行Park逆变换处理，生成光伏发电系统内部内环PI控制器的稳定值。本发明可缩短系统启动时间，保障系统正常稳定运行。

Description

一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法及装置

技术领域

本发明涉及光伏控制技术领域，尤其涉及一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法及装置。

背景技术

随着全球经济的迅速发展，人们对能源的需求不断增加，而以石油、煤炭等为主的传统化石能源具有不可再生性和污染环境等缺点，这就使得能源短缺和环境污染成为社会发展中亟待解决的问题。由此，人们愈发重视新能源的开发和利用，太阳能由于具有丰富性、清洁性和可再生性等优势，成为了新能源利用的主要形式之一，与此同时，光伏发电系统的控制和保护也成为了各国学者研究的重点。

现有的光伏发电系统在并网启动之前，通常将其内部PI控制器的初始状态设置为零状态，且在并网启动过程中系统先对电感电容进行充放电，直至内部PI控制器的控制量从零跟踪至参考值为止，使得系统的启动过程时间较长。另外，该参考值通常是由技术人员直接给定的，在并网启动过程中相当于一个阶跃信号，会造成系统的不稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法及装置，可增强PI控制器的参数设计适用性，同时极大地缩短系统启动时间，保障系统正常稳定运行。

为了解决上述问题，本发明提出了一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，所述方法包括：

搭建光伏发电系统的电路拓扑结构，并基于所述电路拓扑结构获取相关电压参数的关系式；

利用Park变换算法与瞬时功率理论对所述相关电压参数的关系式进行转换解析，计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率；

基于电压外环控制原理对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，并利用简化后的功率计算所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值；

将所述光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

基于电流内环控制原理对所述等值电压源的并网工作电压进行Park逆变换处理，生成所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的稳定值。

可选的，所述相关电压参数的关系式为：

其中，u_a为逆变器输出的A相瞬时电压，u_b为逆变器输出的B相瞬时电压，u_c为逆变器输出的C相瞬时电压，e_a为并网点A相电压，e_b为并网点B相电压，e_c为并网点C相电压，i_a为逆变器注入电网的A相电流，i_b为逆变器注入电网的B相电流，i_c为逆变器注入电网的C相电流，L为滤波电感值，R为滤波电阻值。

可选的，所述利用Park变换算法与瞬时功率理论对所述相关电压参数的关系式进行转换解析，计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率包括：

对所述相关电压参数的关系式进行Park变换处理，得到d-q变换式；

基于瞬时功率理论，结合所述d-q变换式计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率。

可选的，所述d-q变换式为：

以及所述逆变器注入电网的初始功率为：

其中，u_d为三相瞬时电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电压分量，u_q为三相瞬时电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电压分量，e_d为并网点电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电压分量，e_q为并网点电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电压分量，ω为电网角频率，i_d为三相电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电流分量，i_q为三相电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电流分量，P₀为逆变器注入电网的初始有功功率，Q₀为逆变器注入电网的初始无功功率。

可选的，所述基于电压外环控制原理对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，并利用简化后的功率计算所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值包括：

基于电网电压定向控制理论，对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，得到最终的瞬时功率；

对d-q坐标系下的d轴采用定直流电压控制方式以及对q轴采用定无功功率控制方式，同时结合所述最终的瞬时功率计算出所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值。

可选的，所述最终的瞬时功率为：

以及所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值为：

其中，P₁为逆变器注入电网的瞬时有功功率，Q₁为逆变器注入电网的瞬时无功功率，i_dref为外环PI控制器输入电流在d轴的分量，i_qref为外环PI控制器输入电流在q轴的分量。

可选的，所述确定所述等值电压源的并网工作电压包括：

以并网点电压为参考相量，构建所述并网串联电路的电路相量图；

根据所述电路相量图，计算出所述等值电压源的电压值与电压相位。

可选的，所述等值电压源的电压值为：

所述等值电压源的电压相位为：

其中，e为并网点电压的电压分量，P为等值电压源注入电网的有功功率，Q为等值电压源注入电网的无功功率，X为电抗值，θ₀为并网点电压的初始相位。

可选的，所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的稳定值为：

其中，u_dref为内环PI控制器输入电压在d轴的分量，u_qref为内环PI控制器输入电压在q轴的分量。

另外，本发明实施例还提供了一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制装置，所述装置包括：

拓扑结构分析模块，用于搭建光伏发电系统的电路拓扑结构，并基于所述电路拓扑结构获取相关电压参数的关系式；

初始功率获取模块，用于利用Park变换算法与瞬时功率理论对所述相关电压参数的关系式进行转换解析，计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率；

外环控制运算模块，用于基于电压外环控制原理对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，并利用简化后的功率计算所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值；

等效电路解析模块，用于将所述光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

内环控制运算模块，用于基于电流内环控制原理对所述等值电压源的并网工作电压进行Park逆变换处理，生成所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的稳定值。

在本发明实施例中，通过结合接入电网侧的实际运作情况以及固有的PI控制原理进行反推来确定光伏发电系统内部PI控制器在并网启动过程中的稳态控制量，可增强PI控制器的参数设计适用性以及调节能力，同时极大地缩短系统启动时间，保障系统的正常稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中的光伏发电系统控制电路示意图；

图3是本发明实施例中的光伏发电系统PI控制原理示意图；

图4是本发明实施例中的光伏发电系统等效电路示意图；

图5是本发明实施例中的等效电路相量图的具体示意图；

图6是本发明实施例中的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制装置的结构组成示意图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，图1示出了本发明实施例中的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法的流程示意图。

如图1所示，一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，所述方法包括如下步骤：

S101、搭建光伏发电系统的电路拓扑结构，并基于所述电路拓扑结构获取相关电压参数的关系式；

在本发明实施过程中，根据图2所示出的光伏发电系统控制电路示意图，可获取其中逆变器所产生的三相瞬时电压与并网点三相电压之间的关系式为：

其中，u_a为逆变器输出的A相瞬时电压，u_b为逆变器输出的B相瞬时电压，u_c为逆变器输出的C相瞬时电压，e_a为并网点A相电压，e_b为并网点B相电压，e_c为并网点C相电压，i_a为逆变器注入电网的A相电流，i_b为逆变器注入电网的B相电流，i_c为逆变器注入电网的C相电流，L为滤波电感值，R为滤波电阻值。

S102、利用Park变换算法与瞬时功率理论对所述相关电压参数的关系式进行转换解析，计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率；

本发明实施过程包括：

(1)对所述相关电压参数的关系式进行Park变换处理，可得到d-q变换式为：

(2)基于瞬时功率理论，结合所述d-q变换式计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率为：

其中，u_d为三相瞬时电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电压分量，u_q为三相瞬时电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电压分量，e_d为并网点电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电压分量，e_q为并网点电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电压分量，ω为电网角频率，i_d为三相电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电流分量，i_q为三相电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电流分量，P₀为逆变器注入电网的初始有功功率，Q₀为逆变器注入电网的初始无功功率；

此时，可根据以上的关系式设计出如图3所示的所述逆变器PI控制系统，且其采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式运行。

S103、基于电压外环控制原理对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，并利用简化后的功率计算所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值；

本发明实施过程包括：

(1)基于电网电压定向控制理论(即令e_q＝0，e_d＝e_pk)，对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，得到最终的瞬时功率；

(2)对d-q坐标系下的d轴采用定直流电压控制方式(即令直流电压达到最大功率点电压)以及对q轴采用定无功功率控制方式，同时结合所述最终的瞬时功率可计算出所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值为：

其中，P₁为逆变器注入电网的瞬时有功功率，Q₁为逆变器注入电网的瞬时无功功率，i_dref为外环PI控制器输入电流在d轴的分量，i_qref为外环PI控制器输入电流在q轴的分量，e_pk为并网点电压的峰值。

S104、将所述光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

本发明实施过程包括：

(1)将所述光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，如图4所示，其中u为等值电压源的电压、L为滤波电感、R为等效电阻、i为注入电网的电流、e为并网点电压、P为等值电压源注入电网的有功功率、Q为等值电压源注入电网的无功功率，且L、R均为已知电路参数，e、P、Q可通过潮流计算得到；

(2)以并网点电压e为参考相量(即令e＝e∠θ₀°)，构建所述并网串联电路的电路相量图，如图5所示，其中Δu为电压降落的纵分量(与e同相)，δu为电压降落的横分量(与e相差90°)，此时得到所述电路相量图的一个关系式为：

du＝u-e＝Δu+jδu

根据图4所示出的等效电路图，可得到所述等值电压源的电压为：

综合以上两个等式，可知：

(3)确定所述等值电压源的电压值为：

以及所述等值电压源的电压相位为：

其中，e为并网点电压的电压分量，X为电抗值(X＝ωL)，θ₀为并网点电压的初始相位。

S105、基于电流内环控制原理对所述等值电压源的并网工作电压进行Park逆变换处理，生成所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的稳定值为：

其中，u_dref为内环PI控制器输入电压在d轴的分量，u_qref为内环PI控制器输入电压在q轴的分量。

在本发明实施例中，通过结合接入电网侧的实际运作情况以及固有的PI控制原理进行反推来确定光伏发电系统内部PI控制器在并网启动过程中的稳态控制量，可增强PI控制器的参数设计适用性以及调节能力，同时极大地缩短系统启动时间，保障系统的正常稳定运行。

实施例

请参阅图6，图6示出了本发明实施例中的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制装置的结构组成示意图。

如图6所示，一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制装置，所述装置包括：

拓扑结构分析模块201，用于搭建光伏发电系统的电路拓扑结构，并基于所述电路拓扑结构获取相关电压参数的关系式；

在本发明实施过程中，根据图2所示出的光伏发电系统控制电路示意图，可获取其中逆变器所产生的三相瞬时电压与并网点三相电压之间的关系式为：

其中，u_a为逆变器输出的A相瞬时电压，u_b为逆变器输出的B相瞬时电压，u_c为逆变器输出的C相瞬时电压，e_a为并网点A相电压，e_b为并网点B相电压，e_c为并网点C相电压，i_a为逆变器注入电网的A相电流，i_b为逆变器注入电网的B相电流，i_c为逆变器注入电网的C相电流，L为滤波电感值，R为滤波电阻值。

初始功率获取模块202，用于利用Park变换算法与瞬时功率理论对所述相关电压参数的关系式进行转换解析，计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率；

本发明实施过程包括：

(1)对所述相关电压参数的关系式进行Park变换处理，可得到d-q变换式为：

(2)基于瞬时功率理论，结合所述d-q变换式计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率为：

其中，u_d为三相瞬时电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电压分量，u_q为三相瞬时电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电压分量，e_d为并网点电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电压分量，e_q为并网点电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电压分量，ω为电网角频率，i_d为三相电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电流分量，i_q为三相电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电流分量，P₀为逆变器注入电网的初始有功功率，Q₀为逆变器注入电网的初始无功功率；

此时，可根据以上的关系式设计出如图3所示的所述逆变器PI控制系统，且其采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式运行。

外环控制运算模块203，用于基于电压外环控制原理对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，并利用简化后的功率计算所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值；

本发明实施过程包括：

(1)基于电网电压定向控制理论(即令e_q＝0，e_d＝e_pk)，对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，得到最终的瞬时功率；

(2)对d-q坐标系下的d轴采用定直流电压控制方式(即令直流电压达到最大功率点电压)以及对q轴采用定无功功率控制方式，同时结合所述最终的瞬时功率可计算出所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值为：

其中，P₁为逆变器注入电网的瞬时有功功率，Q₁为逆变器注入电网的瞬时无功功率，i_dref为外环PI控制器输入电流在d轴的分量，i_qref为外环PI控制器输入电流在q轴的分量，e_pk为并网点电压的峰值。

等效电路解析模块204，用于将所述光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

本发明实施过程包括：

(1)将所述光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，如图4所示，其中u为等值电压源的电压、L为滤波电感、R为等效电阻、i为注入电网的电流、e为并网点电压、P为等值电压源注入电网的有功功率、Q为等值电压源注入电网的无功功率，且L、R均为已知电路参数，e、P、Q可通过潮流计算得到；

(2)以并网点电压e为参考相量(即令e＝e∠θ₀°)，构建所述并网串联电路的电路相量图，如图5所示，其中Δu为电压降落的纵分量(与e同相)，δu为电压降落的横分量(与e相差90°)，此时得到所述电路相量图的一个关系式为：

du＝u-e＝Δu+jδu

根据图4所示出的等效电路图，可得到所述等值电压源的电压为：

综合以上两个等式，可知：

(3)确定所述等值电压源的电压值为：

以及所述等值电压源的电压相位为：

其中，e为并网点电压的电压分量，X为电抗值(X＝ωL)，θ₀为并网点电压的初始相位。

内环控制运算模块205，用于基于电流内环控制原理对所述等值电压源的并网工作电压进行Park逆变换处理，生成所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的稳定值为：

其中，u_dref为内环PI控制器输入电压在d轴的分量，u_qref为内环PI控制器输入电压在q轴的分量。

在本发明实施例中，通过结合接入电网侧的实际运作情况以及固有的PI控制原理进行反推来确定光伏发电系统内部PI控制器在并网启动过程中的稳态控制量，可增强PI控制器的参数设计适用性以及调节能力，同时极大地缩短系统启动时间，保障系统的正常稳定运行。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法及装置进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述方法包括：

搭建光伏发电系统的电路拓扑结构，并基于所述电路拓扑结构获取相关电压参数的关系式；

利用Park变换算法与瞬时功率理论对所述相关电压参数的关系式进行转换解析，计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率；

基于电压外环控制原理对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，并利用简化后的功率计算所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值；

将所述光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

基于电流内环控制原理对所述等值电压源的并网工作电压进行Park逆变换处理，生成所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的稳定值。

2.根据权利要求1所述的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述相关电压参数的关系式为：

其中，u_a为逆变器输出的A相瞬时电压，u_b为逆变器输出的B相瞬时电压，u_c为逆变器输出的C相瞬时电压，e_a为并网点A相电压，e_b为并网点B相电压，e_c为并网点C相电压，i_a为逆变器注入电网的A相电流，i_b为逆变器注入电网的B相电流，i_c为逆变器注入电网的C相电流，L为滤波电感值，R为滤波电阻值。

3.根据权利要求2所述的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述利用Park变换算法与瞬时功率理论对所述相关电压参数的关系式进行转换解析，计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率包括：

对所述相关电压参数的关系式进行Park变换处理，得到d-q变换式；

基于瞬时功率理论，结合所述d-q变换式计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率。

4.根据权利要求3所述的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述d-q变换式为：

以及所述逆变器注入电网的初始功率为：

其中，u_d为三相瞬时电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电压分量，u_q为三相瞬时电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电压分量，e_d为并网点电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电压分量，e_q为并网点电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电压分量，ω为电网角频率，i_d为三相电压投影到dq旋转坐标系下的d轴电流分量，i_q为三相电压投影到dq旋转坐标系下的q轴电流分量，P₀为逆变器注入电网的初始有功功率，Q₀为逆变器注入电网的初始无功功率。

5.根据权利要求4所述的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述基于电压外环控制原理对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，并利用简化后的功率计算所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值包括：

基于电网电压定向控制理论，对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，得到最终的瞬时功率；

对d-q坐标系下的d轴采用定直流电压控制方式以及对q轴采用定无功功率控制方式，同时结合所述最终的瞬时功率计算出所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值。

6.根据权利要求5所述的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述最终的瞬时功率为：

以及所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值为：

其中，P₁为逆变器注入电网的瞬时有功功率，Q₁为逆变器注入电网的瞬时无功功率，i_dref为外环PI控制器输入电流在d轴的分量，i_qref为外环PI控制器输入电流在q轴的分量。

7.根据权利要求6所述的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述确定所述等值电压源的并网工作电压包括：

以并网点电压为参考相量，构建所述并网串联电路的电路相量图；

根据所述电路相量图，计算出所述等值电压源的电压值与电压相位。

8.根据权利要求7所述的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述等值电压源的电压值为：

所述等值电压源的电压相位为：

其中，e为并网点电压的电压分量，P为等值电压源注入电网的有功功率，Q为等值电压源注入电网的无功功率，X为电抗值，θ₀为并网点电压的初始相位。

9.根据权利要求8所述的光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制方法，其特征在于，所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的稳定值为：

其中，u_dref为内环PI控制器输入电压在d轴的分量，u_qref为内环PI控制器输入电压在q轴的分量。

10.一种光伏发电系统内部PI控制器的稳态控制装置，其特征在于，所述装置包括：

拓扑结构分析模块，用于搭建光伏发电系统的电路拓扑结构，并基于所述电路拓扑结构获取相关电压参数的关系式；

初始功率获取模块，用于利用Park变换算法与瞬时功率理论对所述相关电压参数的关系式进行转换解析，计算出所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的初始功率；

外环控制运算模块，用于基于电压外环控制原理对所述逆变器注入电网的初始功率进行简化，并利用简化后的功率计算所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的稳定值；

等效电路解析模块，用于将所述光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

内环控制运算模块，用于基于电流内环控制原理对所述等值电压源的并网工作电压进行Park逆变换处理，生成所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的稳定值。

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