CN201813171U - 一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置，它能很好地将光伏电池输出的直流电逆变成交流电送入电网，使得谐波含量少，供电质量好，系统利用效率高，可在一定程度上提高系统稳定性，从而提高了整个光伏系统的性能；本实用新型的优越性和技术效果在于：①采用数字控制，抗干扰能力强，系统可获得优良的精度和稳定性；②系统分工明确，控制效果明显：前一级Boost变换器实现最大功率跟踪，后级逆变器完成直流侧电压稳定及并网逆变；系统可靠，鲁棒性好。③控制算法先进：使用重复控制技术来克服了逆变器自身的死区效应及部分非线性负荷导致的谐波；运用基于状态反馈的极点配置来实现精确控制。

Description

一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置

【技术领域】

本实用新型用于太阳能并网光伏发电行业，属于电力电子技术和控制理论交叉技术领域，特别是一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置。

【背景技术】

能源是人类生存和发展的物质基础，关乎到国家安全及国际地位，一直以来备受瞩目。而今，随着化石能源的紧张和环境污染的加剧，可再生资源的利用备受瞩目，太阳能以其普遍、丰富、清洁成为人们利用的焦点。目前作为太阳能主要利用方式之一的光伏发电得到了快速发展。

光伏发电系统主要由太阳能电池阵列和必要的电力电子变换设备两部分构成。独立发电不仅成本高而且不稳定，连续供电可靠性低，并网是将来的必然趋势。在并网光伏发电系统中，对电网的跟踪控制直接关系到输出电能的质量和系统的运行效率，是系统的核心和技术关键，控制系统的性能在很大程度上决定着并网的成败，一种合理的控制策略就显得十分必要。现在使用的各种控制方法各存有自身缺陷，不能兼顾响应速度、控制指标、系统设计及稳定性。例如：PID控制动态响应快，但输出波形畸变严重；无差拍控制方法虽为实时控制，电流响应快，输出电压电流不含特定次谐波，但功率器件的开关频率不固定，会导致电流频谱较宽，可能引起间接的谐波干扰，导致滤波电路设计困难。滑模控制表现出对系统参数变化和负载扰动的不敏感性和鲁棒性并具有良好的动态特性。但是滑模控制存在理想滑模切换面难以选取、控制效果受采样频率的影响等弱点，它还存在高频抖动现象且设计中需知道系统不确定性参数和扰动的界限，抖动使系统无法精确定位等。有鉴于此，采用对周期性扰动有抑制作用的重复控制技术来设计并网控制器，一方面它可以消除由逆变器自身的死区效应引起的波形畸变，同时它对非线性负荷引起的谐波也有一定的抑制作用。所以，基于重复控制技术来设计并网逆变器有一定的前景。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置，它使上述所说的采用对周期性扰动有抑制作用的重复控制技术来设计并网控制器成为现实，它不仅可将光伏电池发出的直流电转换为交流电，并且还可对频率、电压、电流、相位、有功与无功等进行控制，决定了送入电网的电能质量并关乎系统能量转换效率，是一种用于太阳能并网光伏发电行业的新技术。

本实用新型的技术方案：

1一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置，其特征在于该装置包括：光伏阵列、boost变换器、三相逆变器、三相LCL滤波器及控制电路组成，它们间的具体连接关系为：光伏阵列输出接入boost变换器，经升压后送入三相逆变器，逆变器的输出连接至LCL滤波器，电能经滤波后接入电网；其中，控制电路包括信号检测、调理回路及DSP数据处理器等，连接形式如图一所示。

工作时首先采集逆变器直流侧电压、电流，电网电压、相位及并网电流，根据能量守恒原则在外环PI控制器的作用下得到并网电流的参考输入信号；通过互感器采集系统状态变量，然后依次经过电压形成、滤波电路调理后送入AD转换器，最后送入DSP控制器，经控制律作用输出六路PWM信号。最终实现将光伏电池输出的直流电逆变成交流电送入电网，完成太阳能光伏发电的并网控制。

这其中，一种基于极点配置与重复控制技术的控制方法体现在控制律中。由图3列写LCL滤波器的状态空间方程，导出并网电流I₂与逆变桥输出U_k之间的传递函数，如下所示

$I_2=\frac{1}{L_1{L}_2{C}_2{s}^3+(L_1{R}_2{C}_2+L_2{R}_1{C}_2)s^2+(R_1{R}_2{C}_2+L_1+L_2)s+(R_1+R_2)}{U}_k+$

$\frac{L_1{C}_2{s}^2+R_1{C}_{2}s+1}{L_1{L}_2{C}_2{s}^3+(L_1{R}_2{C}_2+L_2{R}_1{C}_2)s^2+(R_1{R}_2{C}_2+L_1+L_2)s+(R_1+R_2)}{U}_s$

这是一个双输入单输出的三阶线性系统，选取滤波电感L1，并网电感L2电流以及滤波电容电压Uc为状态变量，Us作为系统的输入，其中将Us作为系统的一个扰动输入量。由于R1、R2为滤波电感的寄生电阻，非常小，这就会使得开环系统的全部极点虽然都在S域的左半平面，但离虚轴很近，容易造成LCL滤波器在谐振频率处谐振峰值很大，如不采取抑制措施会增加并网电流中高次谐波的含量，严重影响并网电流的质量。为此，需重新配置系统的极点。

(1)基于状态反馈的极点配置

基于闭环主导极点的配置原则一般如下；

$s_{\mathrm{1,2}}\left(s\right)=-{\mathrm{\ξ}}_r{\mathrm{\ω}}_r\±{\mathrm{j\ω}}_r\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}$

s_3，4(s)＝-mξ_rω_r

m＝4～10，0.6＜ξ＜0.8

3000≤ω_r6000

由于状态能完整的表征系统的动态行为，所以这里采用状态反馈来配置极点。配置原理如图四所示。

(2)重复控制器设计

重复控制器的内部结构如图5所示，图中r为正弦参考信号，y为逆变器输出电压，e为误差信号d为周期性的扰动，Z^-N为周期延迟环节，N为一个基波周期的采样次数，C(z)为重复控制环路的补偿器，P(z)为控制对象。

由上一节看出经过极点配置过的逆变器已没有了谐振峰值，因此，设计重复控制器时已无需再设计限波滤波器。只需设计二阶滤波器及合适的超前环节即可。设计重复控制器的滤波器时，滤波器的幅频特性最好直到逆变器的截止频率附近才产生明显的下降。滤波器S(z)的截止频率选择为7600rad/s，二阶滤波器的阻尼比大于0.707，可得s域下的二阶滤波器的传递函数为

$c_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

画出系统开环波特图，根据滞后的相位设定补偿环节Zⁿ

(3)外环PI控制器设计

将以上两步设计的内环等效简化，应用根轨迹方法确定出PI控制器参数，得到并网电流的参考信号幅值。采集电网电压相位及并网电流。将得到的电压相位与标准50Hz的正弦波相乘得到控制输入的参考信号，它和被视为扰动信号的并网电流一起作为输入接入重复控制器。

将上面所设控制律在CCS中编程实现，烧入DSP中，完成数据的计算与处理。

本实用新型的优点和有益效果

本设计采用状态反馈配置系统极点使系统具有较好的动态性能和较低的稳态误差，再运用重复控制技术消除逆变过程中产生的高次谐波，集两种控制方法优点于一身。针对本设计搭建系统模型所进行的仿真检验表明，应用基于极点配置与重复控制相结合的两级式并网光伏发电系统在输出波形方面有较大提高，并网电流谐波含量小，总谐波畸变率小于1％，且不含直流成分。从并网效果来看，逆变器功率因数高，电能质量各项指标符合并网的工程技术要求。所以，以上设计合理可行，较传统装置优势大，有一定的应用前景。

【附图说明】

图1为本实用新型所涉一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式并网光伏发电系统的整体电路结构示意图。

图2为本实用新型所涉一种基于极点配置与重复控制相结合的光伏发电系统完整的并网控制结构示意图。

图3为本实用新型所涉一种LCL三阶滤波器模型等效示意图。

图4为本实用新型所涉一种基于状态反馈后形成的闭环系统图。

图5为本实用新型所涉一种重复控制器内部结构示意图。

图6为本实用新型所涉一种信号检测回路原理框图。

图7为本实用新型所涉一种信号调理电路图。

图8控制装置中信号检测回路原理图。

【具体实施方式】

实施例

下面根据附图具体说明如下：

以图1形式的两级式光伏发电系统为例，该装置包括：光伏阵列、boost变换器、三相逆变器、三相LCL滤波器及控制电路组成，它们间的具体连接关系为：光伏阵列输出接入boost变换器，经升压后送入三相逆变器，逆变器的输出连接至LCL滤波器，电能经滤波后接入电网；其中，控制电路包括信号检测、调理回路及DSP数据处理器等，连接形式如图一所示。

工作时首先采集逆变器直流侧电压、电流，电网电压、相位及并网电流，根据能量守恒原则在外环PI控制器的作用下得到并网电流的参考输入信号；通过互感器采集系统状态变量，然后依次经过电压形成、滤波电路调理后送入AD转换器，最后送入DSP控制器，经控制律作用输出六路PWM信号。最终实现将光伏电池输出的直流电逆变成交流电送入电网，完成太阳能光伏发电的并网控制。

一种基于极点配置与重复控制技术的控制方法体现在控制律中，具体为：

(1)基于状态反馈配置系统极点

根据图4得出基于状态反馈配置极点的传递函数

$I_2=\frac{u_v-c_1{L}_1{u}_s{s}^2-c_1{R}_1{u}_{s}s-k_3{c}_1{u}_{s}s-(k_2+1)u_s}{L_1{L}_2{c}_1{s}^3+(L_1{c}_1{R}_2+L_2{c}_1{R}_1+k_3{c}_1{L}_2)s^2+(k_3{c}_1{R}_2+k_2{L}_2+R_1{c}_1{R}_2+L_1+L_2)s+k_2{R}_2+k_1{+k}_3+R_1+R_2}$

$s_{\mathrm{1,2}}\left(s\right)=-{\mathrm{\ξ}}_r{\mathrm{\ω}}_r\±{\mathrm{j\ω}}_r\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}$

极点

s₃(s)＝-mξ_rω_r

取m＝5，ξ＝0.6ω_r＝6000

(s-S₁)(s-S₂)(s-S₃)

＝S³+25200S²+1.656×10⁸s+6.48×10⁹

带入数值，得k3＝12.8056，k2＝0.7332，k1＝-8.60055。

(2)重复控制器设计

由上一节看出经过极点配置过的逆变器已没有了谐振峰值，因此，设计重复控制器时已无需再设计限波滤波器。只需设计二阶滤波器及合适的超前环节即可。设计重复控制器的滤波器时，滤波器的幅频特性最好直到逆变器的截止频率附近才产生明显的下降。滤波器S(z)的截止频率选择为7600rad/s，二阶滤波器的阻尼比大于0.707，可得s域下的二阶滤波器的传递函数为

$c_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

画出系统开环波特图，根据滞后的相位设定补偿环节Z⁹

(3)外环PI控制器设计

将以上两步设计的内环等效简化，应用根轨迹方法确定出PI控制器参数，得到并网电流的参考信号幅值。采集电网电压相位及并网电流。将得到的电压相位与标准50Hz的正弦波相乘得到控制输入的参考信号，它和被视为扰动信号的并网电流一起作为输入接入重复控制器。

(4)将上面所设控制律在CCS中编程实现，烧入DSP中。同时，设定逆变器的开关频率f_c＝10KHz及单位周期内采样次数N＝200，其中，U_01m为逆变器输出基波电压幅值为311V，U_d为逆变器直流侧电压690V。

$U_{01m}\≈\frac{1}{2}m\×U_d$

$N=\frac{f_c}{50}$

(5)将DSP控制器的输出送入PWM产生器，后者将产生六路IGBT驱动信号完成对逆变器的开关操作，最终实现将光伏电池输出的直流电逆变成交流电送入电网，完成太阳能光伏发电的并网控制。

以上六部完成了基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置，这里光伏阵列最大功率电压Umppt＝516V，最大功率电流Imppt＝193.8开路电压Uoc＝682V，短路电流I1＝221A，输出率P＝100kW。Boost变换器开关管选用IGBT，电感L＝1.36mH，电容C＝690uF。LCL滤波器L1＝0.53mH，L2＝0.33mH，C＝39uF。R1＝0.03Ω，R2＝0.01Ω。AD转换芯片选用AD73360，锁相环选用CD4046，DSP芯片选用TMS320VC5402芯片。具体连接方式如附图所示。图中直流变换器完成最大功率跟踪及输出电压调整，使得逆变器直流侧电压为690V。

通过仿真发现：并网电流谐波含量小，总谐波畸变率小于1％，且不含直流成分。从并网效果来看，逆变器功率因数97.9％，电能质量各项指标符合并网的工程技术要求。

Claims (4)

1.一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置，其特征在于该装置包括：

电路拓扑结构：本装置主结构由光伏阵列、boost变换器、三相逆变器、三相LCL滤波器及控制电路组成，它们间的具体连接关系为：光伏阵列输出接入boost变换器，经升压后送入三相逆变器，逆变器的输出连接至LCL滤波器，电能经滤波后接入电网；

信号检测、调理电路：通过电压互感器、电流互感器检测系统的电压、电流；电压互感器用于测量电网电压及LCL滤波器中电容电压，电流互感器用于测量逆变器输出电流和并网电流，所得的电压、电流经二次变比后送入电压形成回路，再滤波后送入中央处理器DSP；调理电路

中央处理器DSP：中央处理器DSP的输出端连接IGBT控制端；在中央处理器DSP中程序对检测来的数据进行处理和计算，执行预定的控制算法。

2.根据权利要求1所说的一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置，其特征在于控制装置采用极点配置与重复控制技术共同来控制并网逆变器；控制电路通过互感器采集系统状态变量，依次经过电压形成、滤波电路调理后送入AD转换器，最后送入DSP控制器，经控制律作用输出六路PWM信号；这其中的控制律正是基于极点配置与重复控制技术设计的。

3.根据权利要求1所说的一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置，其特征在于将基于状态反馈的极点配置与重复控制方法混合使用，所用的状态变量是由信号检测电路而来；其控制律-基于状态反馈的极点配置与重复控制方法是以DSP控制器为载体来实现并网控制的。

4.根据权利要求1所说的一种基于极点配置与重复控制相结合的两级式光伏并网控制装置，其特征在于适用于两级式并网光伏系统，最大功率跟踪及电压的调整由boost变换器实现，本控制装置主要针对逆变器展开。

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