光伏并网逆变器系统及其直流母线电压控制方法与流程

1.本发明属于光伏技术领域，特别涉及一种光伏并网逆变器系统及其直流母线电压控制方法。


背景技术：

2.由于太阳能资源的不稳定性，造成了光伏系统在并网时所产生的电并不能满足电能质量要求。为此，如何解决光伏发电系统在并网发电的控制技术问题成为了新能源并网利用课题的研究新方向。光伏并网逆变器的结构和控制技术的研究，有助于提高光伏系统并网的性能，更好地利用光资源，也对电网稳定性的提升作出一定的贡献。
3.光伏系统逆变器通常采用双闭环控制结构，在该结构中，电压环和电流环均采用pi控制器。pi控制作为一种较为成熟的控制手段经过多年的研究已经被广泛应用于工业制造领域。但是光伏发电系统是一个复杂控制系统，不仅在数学模型上参数众多，且存在强耦合、控制器调节复杂等情况。在运行过程中受光资源、电网电压波动和系统内部参数漂移等多种不确定性因素的影响。为了使光伏发电系统能够平稳运行，并且在一定扰动的影响下不脱网运行，科学技术的发展对控制精度和速度的要求，以及对环境变化的适应能力的要求越来越高，导致传统的电压电流双闭环控制效果并不理想。
4.因此亟需寻找一种取代经典的pi双闭环控制的直流电压控制方法。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种光伏并网逆变器系统的直流母线电压控制方法，所述直流母线电压控制方法包括：
6.构建电压外环与电流内环的双闭环控制结构，在所述双闭环控制结构中，基于线性自抗扰控制器ladrc控制电压环，基于比例积分pi控制器控制电流环；
7.利用所述双闭环控制结构对所述直流母线电压进行控制。
8.在如上所述的光伏并网逆变器系统的直流母线电压控制方法中，可选地，所述ladrc为二阶ladrc。
9.在如上所述的光伏并网逆变器系统的直流母线电压控制方法中，可选地，所述二阶ladrc包括：leso、ltd和lsef；
10.依据公式(1)建立leso，
[0011][0012]
依据公式(2)建立ltd和lsef，
[0013][0014]
式中，ωc是二阶ladrc的带宽，ω0为leso带宽，u
dc_ref
为直流母线的预设电压值，i
d_ref
为电流内环d轴的预设值，u为二阶ladrc的输出结果，b0＝3/2lc，l为电网侧等效电感，c为直流侧母线电容，状态变量x1和x2分别是u
dc
以及u
dc
的微分，x3是光伏并网逆变器系统的总扰动，z1、z2和z3分别是x1、x2和x3的估计值，分别是z1、z2和z3的导数。
[0015]
在如上所述的光伏并网逆变器系统的直流母线电压控制方法中，可选地，ωc＝3000，ω0＝1000，b0＝12000。
[0016]
另一方面，本发明提供了一种光伏并网逆变器系统，所述光伏并网逆变器系统包括：逆变器，所述逆变器与光伏阵列连接，还与电网连接；
[0017]
所述逆变器利用双闭环控制结构对所述光伏阵列的直流母线电压进行控制，所述双闭环控制结构为电压外环与电流内环的双闭环控制结构，在所述双闭环控制结构中，基于线性自抗扰控制器ladrc控制电压环，基于比例积分pi控制器控制电流环。
[0018]
在如上所述的光伏并网逆变器系统中，可选地，所述逆变器为基于三相pwm电压逆变器。
[0019]
在如上所述的光伏并网逆变器系统中，可选地，所述逆变器通过滤波电路与所述电网连接。
[0020]
在如上所述的光伏并网逆变器系统中，可选地，其特征在于，所述ladrc为二阶ladrc。
[0021]
在如上所述的光伏并网逆变器系统中，可选地，所述二阶ladrc包括：leso、ltd和lsef；
[0022]
依据公式(1)建立leso，
[0023][0024]
依据公式(2)建立ltd和lsef，
[0025][0026]
式中，ωc是二阶ladrc的带宽，ω0为leso带宽，u
dc_ref
为直流母线的预设电压值，i
d_ref
为电流内环d轴的预设值，u为二阶ladrc的输出结果，b0＝3/2lc，l为电网侧等效电感，c为直流侧母线电容，状态变量x1和x2分别是u
dc
以及u
dc
的微分，x3是系统的总扰动，z1、z2和z3分别是x1、x2和x3的估计值，分别是z1、z2和z3的导数。
[0027]
在如上所述的光伏并网逆变器系统中，可选地，ωc＝3000，ω0＝1000，b0＝12000。
[0028]
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0029]
通过构建电压外环与电流内环的双闭环控制结构，在所述双闭环控制结构中，基于线性自抗扰控制器ladrc控制电压环，基于比例积分pi控制器控制电流环，利用所述双闭环控制结构对所述直流母线电压进行控制，达到了对直流母线电压稳定控制的效果。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例提供的一种光伏并网逆变器系统的直流母线电压控制方法的流程示意图；
[0031]
图2为本发明实施例提供的一种基于三相pwm电压源逆变器的光伏并网逆变器系统的拓扑结构示意图；
[0032]
图3为本发明实施例提供的一种图2交流侧基于三相pwm电压源的逆变器的等效开关电路示意图；
[0033]
图4为现有技术中提供的一种基于pi双闭环控制的控制结构图；
[0034]
图5为本发明实施例提供的一种基于线性自抗扰技术的双闭环控制结构示意图；
[0035]
图6为本发明实施例提供的一种ladrc内部控制结构示意图；
[0036]
图7为本发明实施例提供的一种基于光伏并网逆变器系统的直流母线电压控制方法的仿真模型示意图；
[0037]
图8为本发明实施例提供的一种双闭环控制结构的仿真模型示意图；
[0038]
图9为本发明实施例提供的一种平衡跌落10％时的电网电压波形示意图；
[0039]
图10为本发明实施例提供的一种平衡跌落10％时的直流母线电压波形示意图；
[0040]
图11为本发明实施例提供的一种平衡跌落25％时的电网电压波形示意图；
[0041]
图12为本发明实施例提供的一种平衡跌落25％时的直流母线电压波形示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
[0043]
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0044]
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
[0045]
参见图1，本发明提供了一种光伏并网逆变器系统的直流母线电压控制方法，其包括以下步骤：
[0046]
步骤101，构建电压外环与电流内环的双闭环控制结构，在双闭环控制结构中，基于线性自抗扰控制器ladrc控制电压环，基于比例积分pi控制器控制电流环。
[0047]
步骤102，利用双闭环控制结构对直流母线电压进行控制。
[0048]
下面以基于三相pwm电压源逆变器的光伏并网逆变器系统为例对本实施例进行详细说明：
[0049]
基于三相pwm电压源逆变器的光伏并网逆变器系统的拓扑结构如图2所示。
[0050]
引入开关函数sk，如下式。
[0051][0052]
式中，a,b,c分别表示电的三相。基于公式(2)，图2的交流侧基于三相pwm电压源的逆变器的等效开关电路图如图3所示，图3中grid表示电网。
[0053]
根据基尔霍夫定律(kcl和kvl)，三相静止坐标系(即abc坐标系)下的逆变器数学模型的状态空间方程如下式所示。
[0054][0055]
其中e
ga
、e
gb
、e
gc
为电网三相电压，i
ga
、i
gb
、i
gc
为电网三相电流，u
dc
为直流侧电容电压(或称直流母线电压)，r为网侧等效电阻，l为网侧等效电感。在图2中，电阻r和电感l组成滤波电路，在其他的实施例中，滤波电路还可以采用其他形式，本实施例对此不进行限定。图2中，u
gabc
和u
gcabc
是abc相电压，分别是电网网侧对中心点n的电压u
ga
、u
gb
、u
gc
以及机侧控制器侧对中心点n的电压u
gca
、u
gcb
、u
gcc
，o为逆变器侧的中性点，i
dcr
表示至母线电压机侧电流，i
dcg
表示至母线电压网侧电流。
[0056]
将abc坐标系下的交流量经坐标变换后，转换成为dq坐标系中的直流量，从而简化了数学模型，则在d-q坐标系下的并网逆变器(或称并网变流器)的数学模型如下式所示。
[0057][0058]
其中，ω是锁相环角频率。e
gd
和e
gq
是三相电压在d，q轴的投影分量。i
gd
和i
gq
是网侧电流在d、q轴的投影分量。
[0059]
从上式可知，存在i
gd
与i
gq
的耦合问题，为保证系统的稳定性，需要在控制器设计时考虑耦合问题，对其进行解耦处理，使得经过变换后使系统控制器的设计更加便捷，pi控制策略是在dq旋转坐标系基础上实现网侧变流器有功和无功功率的单独控制，其控制框图
如图4所示，图4中，n表示中性点，eg、eg、eg为电网三相电压，ig、ig、ig为电网三相电流，ed和eq是三相电压在d，q轴的投影分量，ud和uq是从三相静止坐标系到两相旋转坐标系得出来得的两个分量。代表pcc点(或称公共连接点)电压其在d、q轴投影得到其d、q轴的分量分别为ud、uq。
[0060]
由此可以建立了下式的控制方程
[0061][0062]
由上式可知，电网侧d轴输出电流控制模型和q轴输出电流控制模型均只包含各自的分量，从而实现了系统的解耦控制。这样，在设计系统的pi控制器时，单独控制d轴电流就可控制有功输出，控制q轴电流就可控制无功输出。同时利用零d轴电流控制策略，使系统的控制变得更加简单和精确。之后设计控制器，根据“一阶最优”原则选择电流内环控制器参数，得到最优阶跃响应；根据“模式最优”原则设置电压外环控制器参数，得到最优调节性能，保证系统稳定。从图4可以看出，ud和uq作为控制变量输出。经过坐标变换后，将pwm策略接口连接起来，得到最终的开关函数来控制网侧逆变器的开关量，从而实现对直流侧母线电压的控制。
[0063]
根据以上分析，建立基于二阶ladrc的光伏并网逆变器电压外环控制器，建立了直流侧数学模型，如下式。
[0064][0065]
通过对上述方程的两边进行求导取其微分，得到下式。
[0066][0067]
其中，u
dc
、i
dcg
分别为直流侧电容电压和直流侧电流，sd和sq是开关函数在d，q轴的投影分量，c为直流侧母线电容。
[0068]
则，其状态空间描述形式如下式所示。
[0069][0070]
其中，b0＝3/2lc。
[0071]
状态变量x1和x2分别是输出y＝u
dc
及其微分。x3＝f是扩张的状态变量，其物理意义就是系统的总扰动，其表达式为：
[0072]
其微分为h。
[0073]
建立电压外环的三阶leso，如下式所示。
[0074][0075]
ltd与lsef的设计如下式所示。
[0076][0077]
其中，其中ωc是控制器的带宽，其中，ω0为观测器带宽，u
dc_ref
是直流母线的给定，可依据市场主流逆变器直流母线电压确定，i
d_ref
是电流内环d轴的给定值(或称预设值)，i
q_ref
是电流内环d轴的给定值。基于线性自抗扰技术的双闭环控制框图如图5所示。
[0078]
二阶ladrc中二阶ltd、三阶leso和lsef的参数设置是否合理，将直接影响整个控制器的控制性能。ladrc内部控制结构如下图6所示。
[0079]
而ladrc的每一部分参数设计是相对独立的，因此需要设定的参数有：二阶ltd的参数r、三阶leso的观测器增益β1、β2、β3以及lsef的控制器参数k
p
和kd。
[0080]
(1)ltd与lsef的参数整定
[0081]
将系统特征方程的极点放在同一个位置，如式(9)所示。
[0082][0083]
因此，ltd与lsef中的控制器参数分别表示为
[0084][0085]
由此可见，ltd与lsef中的pd误差反馈律控制器中唯一需要设置的参数是ωc，ωc越大，系统的输出响应越快，动态过程时间越短。然而，在实际工程参数设置过程中，虽然ωc值越大，ltd的跟踪效果越好，但考虑到pd误差反馈律控制器的负载则越大，进而导致系统对噪声的抑制能力减弱，甚至会导致失稳。因此，实际工程中的参数整定需要平衡系统的快速性和稳定性。
[0086]
(2)三阶leso的参数整定
[0087]
经过极点配置处理，观测器的增益矩阵，如式(11)所示。
[0088]
β＝[3ω
0 3ω
02 ω
03
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0089]
因此ω0是leso中唯一要设置的参数。ω0越大，leso的带宽越宽，跟踪状态变量的精度越高，因此控制器的控制质量越好。
[0090]
但在实际参数设置中，ω0太大也会导致测量噪声的放大，不利于系统的控制。因此，ω0在实际工程中不宜过大。观测噪声对系统的影响应综合考虑，适当调整参数大小。
[0091]
下面对二阶ladrc的结构如何分析得到的进行说明：
[0092]
二阶线性跟踪微分器的设计
[0093]
将给定信号v(t)经过ltd输出两个信号：r1(t)和r2(t)。其中，r1(t)跟踪v(t)，又因此r2(t)可近似为v(t)的导数。
[0094]
ltd的作用：1)为安排过渡过程；2)消除超调与快速性之间的矛盾，3)消除或减弱噪声的放大效应，将d控制运用至控制器中。
[0095]
给定信号v(t)经过二阶ltd在频域下得(12)式：
[0096][0097]
若时间常数τ1、τ2很接近常数τ，那么传递函数为：
[0098][0099]
进一步，令则式(13)变成：
[0100][0101]
其状态变量实现为：
[0102][0103]
当参数r适当大时具有很好的高阶微分功能。
[0104]
三阶线性扩展状态观测器的设计
[0105]
一般二阶系统如方程(16)所示
[0106][0107]
其中y，u分别为控制器的输出和输入，w为扰动。而a1、a2以及w均未知，b部分已知(已知部分记为b0)，则上式可写成(17)。
[0108][0109]
将系统内外的总扰动扩展为系统的新状态变量x3＝f。系统的状态方程如下式(18)所示：
[0110]
[0111]
其中,
[0112]
设计leso为：
[0113][0114]
其中,z为扩张状态观测器的状态变量，β为需设计的观测器增益矩阵。由于可以估计,因而上式中略去了显然，选取合适的观测器增益β1、β2和β3，leso可以跟踪原系统的所有状态变量，其中z1是x1的估计值，z2是x2的估计值，z3是x3的估计值。
[0115]
干扰补偿方法
[0116]
传统的pi控制器通过积分消除误差。然而，增加积分环节导致其相位滞后，从而降低系统的稳定性，增长系统的响应时间。二阶ladrc可以利用三阶leso对广义扰动进行实时估计，并对估计值进行补偿，避免了积分环节带来的副作用。系统控制律取式(20)：
[0117][0118]
其中u0是线性误差反馈控制率的输出。将上述公式代入式可得出下式(21)：
[0119][0120]
由上式可以看出，当f≈z3时，系统可以变成一个积分串联结构，从而简化被控对象，提高了控制性能。这就是干扰补偿的方法。
[0121]
线性误差反馈率的设计
[0122]
线性误差反馈控制率的输出u0如式(22)所示：
[0123]
u0＝k
p
(r
1-z1)+kd(r
2-z2)
ꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0124]
其中，r1为给定v经td的跟踪信号，r2为v的近似导数，k
p
和kd是控制器参数。根据式(21)和式(22)，系统的闭环传递函数如式(23)所示。
[0125][0126]
未说明的参数可以在ladrc中查找确定。
[0127]
利用matlab数字仿真平台搭建本发明的仿真模型如下图7和图8所示。为了验证本文设计的基于二阶ladrc控制器的电压外环比传统pi控制器具有更好的抗干扰特性，将两种控制方式下并网逆变器直流侧母线电压的动态响应速度和稳态性能与系统稳态运行时低电压穿越所造成实验进行了比较。
[0128]
表1控制器参数
[0129]
[0130][0131]
表2系统主要参数
[0132]
名称数值单位额定功率196kw网侧线电压690v基频50hz直流母线电容0.024f直流母线电压800v网侧滤波电阻0.0009ω网侧滤波电感0.12mh卸荷电阻0.8ω
[0133]
仿真实验内容如下。
[0134]
(1)电网电压低穿时的比较
[0135]
1)电网电压对称跌落10％
[0136]
将故障引起的电网电压对称跌落量设为10％，故障开始时间为1.5s，故障结束时间为2.0s，系统实验时间为0.5s，其它条件相同，比较两种控制方式下直流侧母线电压波形。电网电压波形如图9所示，两种控制方式下的直流侧母线电压波形如图10所示。
[0137]
2)电网电压平衡跌落25％
[0138]
将故障引起的电网电压对称跌落量设为25％。电网电压波形如图11所示，两种控制方式下的直流侧母线电压波形如图12所示。
[0139]
表3低穿25％下两个控制方式的性能指标对比
[0140]
性能指标trt
p
t
smp
nladrc3ms7ms9ms2.9％2pi3ms9ms13ms5.8％5
[0141]
表3中，性能指标分别对应：上升时间、峰值时间、调节时间、超调量、振荡次数
[0142]
由表3可知，电网电压降至0.75p.u.时，直流侧的有功率将继续向直流母线传递，此时母线电压突增，经过一段时间后将重新进入稳定状态，采用ladrc控制时其性能指标均优于在传统pi控制下的母线电压。
[0143]
由此可知，在相同的运行工况中，结合ladrc控制策略会大幅降低直流测电压波动的峰值、减少系统过渡时间，增强系统的跟踪性和抗扰性，从而可以更好地提升电压故障穿越的能力。
[0144]
本发明以光伏发电系统光伏逆变器为研究对象，建立了其数学模型，根据pi控制器的不足问题设计了二阶ladrc控制器对直流母线电压进行控制，分析了光伏系统交流侧电网电压低穿工况下直流母线电压的暂态过程，实现了对直流母线电压稳定控制的效果，即电压环应用ladrc技术使直流母线电压在电网故障下的抗扰性能得到大幅提高。
[0145]
具体地，针对pi控制基于误差消除误差而无法消除稳态误差与快速性的矛盾之间的问题，设计自抗扰控制器，主要针对电压外环控制器进行设计研究，将其与pid控制技术进行比较分析。
[0146]
通过在matlab数字仿真平台实验，实验中施加电网电压跌落的工况作为扰动项，仿真实验验证了ladrc控制器具有较强的适应性和鲁棒性，与pi控制器相比有较强的抗干扰能力。
[0147]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。