一种双级式光伏的并网逆变控制方法

：
1.本发明涉及一种双级式光伏的并网逆变控制方法。


背景技术：

2.双级式光伏并网系统是指分别通过直流变换和逆变两个环节将光伏阵列输出的直流电转变成交流电，输送到电网。与单级式光伏并网系统相比，这种并网方式具有实现直流电压调整和最大功率点追踪的直流变换环节，电路工作稳定，系统可控性好。与多级式光伏并网系统相比，该方式只存在一级直流变换环节，具有结构简单，成本低，能量转换效率较高的优点。双级式逆变器需同时实现mppt和逆变控制。在局部阴影工况下，传统mppt和逆变控制策略易陷入局部峰值点，使系统能量捕获效率低下和稳定性差。由于反推控制具有很强的自适应性，因此经常被用于非线性系统的控制，但是反推控制技术在全局搜索方面能力不足，容易使光伏工作在局部极值点，影响发电效率。
3.在局部阴影等复杂工况下，常规双级式光伏并网逆变器控制方法易导致系统工作在局部峰值点、稳定性差、谐波含量高等问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种电压功率扫描算法优化反推控制的设计方案。该方案首先在α-β静止坐标系下建立有功无功解耦的三相并网逆变系统数学模型，在此基础上进行逆变器反推控制器设计，然后利用电压功率扫描算法对反推控制在mppt方面的不足进行在线辨识和优化。通过liyapunov稳定性理论证明了该控制器的稳定性。结果表明，该方案能很好地实现最大功率追踪及并网功能，具有良好的稳定性与鲁棒性。
5.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种双级式光伏的并网逆变控制方法，在综合考虑双级式并网逆变器模型非线性特性及电网的外部扰动所形成的不确定性部分，并在此基础上建立并网发电系统的数学模型，将反推控制算法和电压功率扫描算法结合，用电压功率扫描算法对光伏并网逆变器的不确定性部分进行在线辨识和补偿。
6.本发明的进一步改进在于：建立并网发电系统的数学模型：为方便电压功率扫描算法实现同时兼顾简洁原则，选用zeta斩波电路；
7.zeta斩波电路有两种工作状态，模态一为：vz导通，d0截止，此时根据kirchoff电压及电流定理可得：
[0008][0009]
模态二为：vz关断，d0导通，同理可得：
[0010][0011]
假设开关管vz的占空比为d，则根据电感伏秒平衡及电容电荷平衡，结合公式(1)和公式(2)可得在全周期内的表达式为：
[0012][0013]
在α-β静止坐标系下，上述逆变部分的数学模型为：
[0014][0015]
式中，c1为光伏阵列输出端的并联电容，c2和c3为电容，l1和l2为电感，i
α
、i
β
、u
α
、u
β
、e
α
、e
β
为ik、uk、ek(k＝a、b、c)在α-β坐标系下α轴和β轴方向的分量；s
α
、s
β
为三个开关函数sk(k＝a、b、c)在α-β坐标系下α轴和β轴方向的分量；i
pv
、u
pv
分别表示光伏阵列输出电流及电压，i
dc
、u
dc
分别表示zeta斩波器的输出电流及电压；其定义如下：
[0016][0017]
由上述假设及系统模型可进一步得出：
[0018][0019]
在一个开关周期内，假设x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7及μ1、μ2、μ3，分别为u
pv
、u
c2
、u
dc
、i
l1
、i
l2
、i
α
、i
β
及d、s
α
、s
β
的平均值，可得：
[0020][0021]
式(3)和(4)可改写成：
[0022]
[0023]
式中，
[0024]
使用以上状态空间模型通过反推控制使系统跟随最大功率点所对应电压工作点。
[0025]
本发明的进一步改进在于：设计反推控制器：为改善传统控制器对最大功率工作点的动态跟踪性能，在非线性反推控制设计过程中引入积分环节对其进行改良；控制器的控制目标为当前光伏面板最大功率点电压值umpp，它的参考值由电压功率扫描算法获得，记为设控制误差为设电感l2的电流参考值为并定义为：
[0026][0027]
设该控制误差为设电容c2的电压参考值为并令下式成立：
[0028][0029]
设控制误差为设电感l2的电流参考值为并令下式成立：
[0030][0031]
设控制误差为则
[0032][0033]
当控制器的控制律使公式(12)成立时，控制器是稳定的，系统的控制误差收敛到0，系统可稳定工作在最大功率点，k1～k4均为正实数。
[0034]
为确保逆变电压稳定和避免输出电压与电网接入点电压不同而产生环流，逆变器直流母线电压应尽量保持恒定，假设x5的给定值为设控制误差为同时设电感l的电流β轴方向的分量参考值为并定义
[0035]
为：
[0036][0037]
设该控制误差为则
[0038][0039]
当控制器的控制律使公式(14)成立时，控制器是稳定的，系统的控制误差收敛到0，逆变器直流母线电压稳定可控；
[0040]
从稳态下功率平衡角度来考虑，交流侧输出的有功功率平均值应等于光伏捕获功率；假设x6的给定值为设控制误差为
[0041][0042]
当控制器的控制律使公式(15)成立时，控制器是稳定的，系统的控制误差收敛到0，逆变器有功平衡稳定可控；
[0043]
当开关管控制函数满足公式(12)、公式(14)和公式(15)要求时，设计的反推系统稳定。以上公式中xi(其中i＝1～7)为公式(7)中定义的7个状态量，其对应目标值记为x
i*
，目标值对时间的导数记为控制误差记为
[0044]
本发明的进一步改进在于：用电压功率扫描算法对光伏并网逆变器的不确定性部分进行在线辨识和补偿：
[0045]
电压功率扫描算法是一种全局搜索算法，该算法流程如下：
[0046]
在扫描准备阶段，vz导通，光伏阵列和c1向l1充电，l1的电流增大，c1电压逐渐减小至0v；c1电压接近0v时，该模态结束进入电压功率扫描阶段；若c1未充电，则此过程直接跳过；
[0047]
在电压功率扫描阶段，vz关断，c1仅与光伏阵列相连，其电压被光伏阵列逐渐充到u
oc
；充电过程中，实时采集光伏阵列输出端的电压与电流，并计算出瞬时功率；通过比较可得现况下全局最大功率点p
gmpp
及其对应的电压u
mpp
；因此，该阶段是实现全局mppt的基础，决定后续的追踪目标设定是否准确；当c1电压充至接近u
oc
时，该阶段结束，进入pwm控制阶段；
[0048]
在pwm控制阶段，vz根据公式(12)的占空比控制函数进行导通和判断控制，导通过程中，光伏阵列与c1、c2一起给c3、l1、l2这些储能元件及逆变负载供电；光伏吸收的太阳能除供负载消耗掉外，其余部分转换成c3中的电场能和l1、l2中的磁场能；关断过程中，光伏阵列给c1充电，l1通过d0给c2充电，c3和l2一起给逆变负载供电；光伏吸收的太阳能转换为c1中的电场能存储起来，l1中的磁场能转换成c2中的电场能；若光照等外部环境因素使功率变化值超过设定后，系统重新进行扫描准备阶段。
[0049]
为实现双级式光伏逆变器的有效控制，将反推控制和电压功率扫描算法进行结合，形成一种电压功率扫描优化反推控制光伏并网逆变方案，该方案具有以下优点：
[0050]
1)将并网逆变器控制与光伏mppt技术有机统一，简化能量变换环节，提高太阳能转化效率。
[0051]
2)最大功率追踪速度和效率相对于传统算法有大幅提高。
[0052]
3)逆变器输出电压和电流波形正弦度高，总谐波含量低。
附图说明：
[0053]
图1为双级式并网逆变器主电路拓扑；
[0054]
图2为电压功率扫描优化反推控制器结构图；
[0055]
图3为逆变器输出电流波形图；
[0056]
图4为逆变器输出功率曲线图；
[0057]
图5为基波及部分谐波有效值曲线图。
具体实施方式：
[0058]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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。
[0059]
本发明在综合考虑双级式并网逆变器模型非线性特性及电网等外部扰动所形成的不确定性部分，并在此基础上建立并网发电系统的数学模型，将反推控制算法和电压功率扫描算法结合，用电压功率扫描算法对光伏并网逆变器的不确定性部分进行在线辨识和补偿，从而消除不确定性项对控制系统性能的影响，提高系统的鲁棒性。
[0060]
建立双级光伏逆变系统数学模型：
[0061]
前级直流变换环节有降压、升压和升降压斩波电路等不同形式，为方便电压功率扫描算法实现同时兼顾简洁原则，此处选用zeta斩波电路。
[0062]
图1为所选用的双级式光伏并网系统主电路拓扑图。图中pv1～pvn表示若干个光伏面板、c1为光伏阵列输出端的并联电容，以上元件组成光伏电源；中间为zeta斩波电路，由开关管vz和电感l1、l2,电容c2和c3及二极管d0组成；开关管v1～v6组成的三相h桥式逆变电路；右侧l为三相平波电感，ea、eb、ec分别表示所连电网的三相电压。此外，图中ua、ub、uc分别表示a、b、c三相桥臂中间点相对于电网中性点o点的电压，ia、ib、ic分别表示a、b、c三相逆变桥输出电流，i
pv
、u
pv
分别表示光伏阵列输出电流及电压，i
dc
、u
dc
分别表示zeta斩波器的输出电流及电压。为获得理想情况下的三相单级逆变器数学模型，现作如下假定：(1)所接电网为三相对称容量无穷大；(2)三相平波电感对称，且不考虑三相电感及并网线路的电阻值；(3)逆变桥中所有开关管均工作在理想状态，其死区及开关损耗可以忽略；(4)pwm开关频率远大于工频50赫兹。(5)所有电感和电容均为理想状态，不考虑其电阻；所有二极管也按理想状态考虑，不计其正向导通压降。
[0063]
zeta斩波电路有两种工作状态，模态一为：vz导通，d0截止。此时根据kirchoff电压及电流定理可得：
[0064][0065]
模态二为：vz关断，d0导通。同理可得：
[0066][0067]
假设开关管vz的占空比为d，则根据电感伏秒平衡及电容电荷平衡，结合(1)和(2)可得在全周期内的表达式为：
[0068][0069]
在α-β静止坐标系下，上述逆变部分的数学模型为：
[0070][0071]
式中，i
α
、i
β
、u
α
、u
β
、e
α
、e
β
为ik、uk、ek(k＝a、b、c)在α-β坐标系下α轴和β轴方向的分量；s
α
、s
β
为三个开关函数sk(k＝a、b、c)在α-β坐标系下α轴和β轴方向的分量，其定义如下：
[0072][0073]
由上述假设及系统模型可进一步得出：
[0074][0075]
在一个开关周期内，假设x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7及μ1、μ2、μ3，分别为u
pv
、u
c2
、u
dc
、i
l1
、i
l2
、i
α
、i
β
及d、s
α
、s
β
的平均值，可得：
[0076][0077]
式(3)和(4)可改写成：
[0078][0079]
式中，
[0080]
使用以上状态空间模型通过反推控制使系统跟随最大功率点所对应电压工作点。
[0081]
反推控制器设计：
[0082]
为改善传统控制器对最大功率工作点的动态跟踪性能，在非线性反推控制设计过程中引入积分环节对其进行改良。控制器的控制目标为当前光伏面板最大功率点电压值umpp，它的参考值由后面介绍的电压功率扫描算法获得，记为设控制误差为设电感l2的电流参考值为并定义为
[0083][0084]
设该控制误差为设电容c2的电压参考值为并令下式成立
[0085][0086]
设控制误差为设电感l2的电流参考值为并令下式成立
[0087][0088]
设控制误差为则
[0089][0090]
当控制器的控制律使式(12)成立时，控制器是稳定的，系统的控制误差收敛到0，系统可稳定工作在最大功率点，k1～k4均为正实数。
[0091]
为确保逆变电压稳定和避免输出电压与电网接入点电压不同而产生环流，逆变器直流母线电压应尽量保持恒定，假设x5的给定值为同时设电感l的电流β轴方向的分量参考值为并定义为：
[0092][0093]
设该控制误差为则
[0094][0095]
当控制器的控制律使式(14)成立时，控制器是稳定的，系统的控制误差收敛到0，逆变器直流母线电压稳定可控。
[0096]
从稳态下功率平衡角度来考虑，交流侧输出的有功功率平均值应等于光伏捕获功率。假设x6的给定值为设控制误差为
[0097][0098]
当控制器的控制律使式(15)成立时，控制器是稳定的，系统的控制误差收敛到0，逆变器有功平衡稳定可控。
[0099]
当开关管控制函数满足公式(12)、公式(14)和公式(15)要求时，设计的反推系统稳定。以上公式中xi(其中i＝1～7)为公式(7)中定义的7个状态量，其对应目标值记为x
i*
，目标值对时间的导数记为控制误差记为电压功率扫描优化反推控制器结构图如图2所示。
[0100]
电压功率扫描优化反推控制器的设计：
[0101]
虽然前文设计的反推控制器在正常情况能够稳定运行，但是控制过程中由于光伏电源的非线性特征及电源端存在的外部扰动不确定性均难以事先准确估计。为了消除以上因素对逆变控制系统的影响，引入电压功率扫描算法对上述反推控制器进行优化，对局部阴影等复杂工况下全局最大功率点信息进行搜索识别。
[0102]
电压功率扫描算法是一种全局搜索算法。该算法流程如下：
[0103]
在扫描准备阶段，vz导通，光伏阵列和c1向l1充电，l1的电流增大，c1电压逐渐减小至0v。c1电压接近0v时，该模态结束进入电压功率扫描阶段。若c1未充电，则此过程直接跳过。
[0104]
在电压功率扫描阶段，vz关断，c1仅与光伏阵列相连，其电压被光伏阵列逐渐充到u
oc
。充电过程中，实时采集光伏阵列输出端的电压与电流，并计算出瞬时功率。通过比较可得现况下全局最大功率点p
gmpp
及其对应的电压u
mpp
。因此，该阶段是实现全局mppt的基础，决定后续的追踪目标设定是否准确。当c1电压充至接近u
oc
时，该阶段结束，进入pwm控制阶段。
[0105]
在pwm控制阶段，vz根据式(12)的占空比控制函数进行导通和判断控制，导通过程中，光伏阵列与c1、c2一起给c3、l1、l2等储能元件及逆变负载供电。光伏吸收的太阳能除供负载消耗掉外，其余部分转换成c3中的电场能和l1、l2中的磁场能。关断过程中，光伏阵列给c1充电，l1通过d0给c2充电，c3和l2一起给逆变负载供电。光伏吸收的太阳能转换为c1中的电场能存储起来，l1中的磁场能转换成c2中的电场能。若光照等外部环境因素使功率变化值超过设定后，系统重新进行扫描准备阶段。
[0106]
系统验证与分析：
[0107]
为验证算法的可行性，按前述设计思路在仿真软件中建立仿真模型。总仿真时间0.6s，初始光照为s1组合，在0.2s时光照减弱至s2组合，在0.4s时增强至s3，每一光照组合对应的最大功率值见表1所示。图3为仿真过程中光伏逆变器输出三相交流电流的波形曲线及光照变化时的电流局部放大图。从图中可以看出三相交流形状正弦形状良好，目测无畸变。光照减弱和增强时，输出电流能够在1个工频周期内快速跟随光照变化，系统响应速度快。图4为仿真过程中光伏电站出口瞬时功率的变化曲线及局部放大图，从图上可以看出，光照发生变化时，反推算法(图中记为bs)与电压功率扫描优化反推算法(图中记为bs-vps)追踪最大功率点时间均为在0.05s左右，但bs算法陷入了局部峰值点，且输出功率振荡不稳，对比可知bs-vps能锁定全局最大功率点，具有更高的稳定功率输出，从表1的统计数据可以看出，新的稳态下平均输出功率为当前全局最大功率的94％以上。图5为仿真过程中光伏逆变器输出a相电流的基波及2～15次波形的有效值变化曲线，从图中及统计数据可以得出在光照剧烈变化时系统谐波含量低于2.5％，光照稳定时，低于1.5％，远低于国标对低压电网谐波总含量不高于5％的要求。
[0108]
表1仿真数据分析
[0109][0110]
为实现双级式光伏逆变器的有效控制，将反推控制和电压功率扫描算法进行结合，形成一种电压功率扫描优化反推控制光伏并网逆变方案，该方案具有以下优点：
[0111]
1)将并网逆变器控制与光伏mppt技术有机统一，简化能量变换环节，提高太阳能转化效率。
[0112]
2)最大功率追踪速度和效率相对于传统算法有大幅提高。
[0113]
3)逆变器输出电压和电流波形正弦度高，总谐波含量低。
[0114]
最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。