專利名稱：一種基于同步發(fā)電機(jī)模型的智能型光伏并網(wǎng)逆變器控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及一種基于同步發(fā)電機(jī)模型的智能型光伏并網(wǎng)逆變器控制方法，具體屬于光伏并網(wǎng)逆變器控制方法范疇。

背景技術(shù)：
能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著傳統(tǒng)不可再生能源的日益枯竭，提高能源利用率、開發(fā)新能源、加強(qiáng)可再生能源的利用已經(jīng)是擺在人們眼前的一個極為迫切的問題。在這樣的背景下，太陽能、風(fēng)能、生物能等新能源日益受到人們的關(guān)注，如何充分的、高效的、穩(wěn)定的將這些新能源為己所用，也成為人們研究的熱點(diǎn)。
隨著新能源利用技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，分布式供電技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。如何將光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的電能安全高質(zhì)的饋送給電網(wǎng)，是光伏發(fā)電系統(tǒng)必須解決的核心問題之一。目前，市場上光伏并網(wǎng)逆變器在可靠性、效率、電流諧波及功率因數(shù)方面普遍存在一些不足，使得整個太陽能光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，不能滿足現(xiàn)有的發(fā)展需要。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于同步發(fā)電機(jī)模型的智能型光伏并網(wǎng)逆變器控制方法，為光伏并網(wǎng)逆變器的控制提供一種新的思路。
該方法首先使用模糊自整定PI調(diào)節(jié)器對輸出電壓幅值進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，有效保證輸出電壓幅度的穩(wěn)定性。通過模仿同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)部機(jī)理以及外部特性，推導(dǎo)出一種全新的逆變器控制模型。將同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度等同于光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓相位θ，結(jié)合同步發(fā)電機(jī)基本運(yùn)行公式，計(jì)算出對應(yīng)的反電動勢eb。將求得的eb采用PWM生成方法經(jīng)數(shù)字信號處理器DSP處理即可得到光伏并網(wǎng)逆變器所需的脈寬調(diào)制信號。
該方法的優(yōu)選實(shí)施例包含以下步驟 1)采集光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓信號u； 2)將所述輸出電壓信號u輸入模糊自整定PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)模糊自整定PI調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)后的電壓信號u′； 3)采集光伏陣列輸出電壓Upv和電流Ipv，采用最大功率跟蹤算法，求得當(dāng)前環(huán)境條件下的光伏陣列最大功率輸出點(diǎn)參考電壓Upvr，由光伏陣列輸出電壓Upv和Upvr求得逆變器輸出參考電流ipv*； 4)由式 可求得Mfif。其中Mf為同等額定功率同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子互感，if為一可調(diào)節(jié)的直流電流源，Qset為設(shè)定無功功率，Q為實(shí)際計(jì)算無功功率，壓降系數(shù)

式中ΔQ＝|Q2-Q1|，Q2為系統(tǒng)當(dāng)前時刻的無功功率，Q1為系統(tǒng)上一時刻的無功功率，電壓變化量Δu＝|u2′-u1′|，u2′為系統(tǒng)當(dāng)前時刻經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的電壓值，u1′為系統(tǒng)上一時刻經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的電壓值； 5)由式 可求得Tm，其中Pset為設(shè)定有功功率，p為極對數(shù)，

為轉(zhuǎn)子角頻率，對應(yīng)為光伏并網(wǎng)逆變器的輸出頻率； 6)檢測光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流相位過零點(diǎn)，電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)參數(shù)，根據(jù)數(shù)字鎖相算法，對光伏并網(wǎng)逆變器的頻率和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)； 7)由同步發(fā)電機(jī)基本運(yùn)行公式推導(dǎo)出式(3)(4)(5)(6)


其中Te、J分別為同等額定功率下同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，


阻尼系數(shù)

ΔT＝|T2-T1|，T2為系統(tǒng)當(dāng)前時刻的電磁轉(zhuǎn)矩，T1為系統(tǒng)上一時刻的電磁轉(zhuǎn)矩，頻率變化率

其中

為系統(tǒng)當(dāng)前時刻的頻率，

為系統(tǒng)上一時刻的頻率，

i為逆變器側(cè)的輸出電流信號，θ是同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度； 8)由式(1)(2)(3)(4)(5)(6)求得反電動勢eb； 9)將所求得的反電動勢eb采用PWM生成方法經(jīng)數(shù)字信號處理器處理得到光伏并網(wǎng)逆變器所需的PWM脈寬調(diào)制信號； 10)用得到的PWM脈寬調(diào)制信號對光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行調(diào)制，得到所需的輸出電流。
本發(fā)明所述方法的優(yōu)選實(shí)施例還可以增加一個步驟，即對通過步驟10)得到的輸出電流用LCL濾波器濾除其中的高次諧波。
由上述步驟可知，所述控制方法通過調(diào)節(jié)式(2)中的設(shè)定無功功率Qset、式(3)中的設(shè)定有功功率Pset即可實(shí)現(xiàn)對反電動勢eb的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對輸出有功無功的調(diào)節(jié)；通過對光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓信號u的控制實(shí)現(xiàn)對輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)；通過檢測電壓電流的過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓頻率和相位的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對逆變器輸出電流的頻率、幅值、有功功率以及無功功率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，具有控制精度高、諧波分量小、簡單易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。



圖1基于同步發(fā)電機(jī)模型的光伏并網(wǎng)逆變器控制方法框圖； 圖2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例 本發(fā)明所述的基于同步發(fā)電機(jī)模型的智能型光伏并網(wǎng)逆變器控制方法以圖2的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖為例進(jìn)行說明。
1)太陽能光伏電池陣列太陽能光伏電池陣列在白天有光照條件下，將所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)匯流箱后，輸入光伏并網(wǎng)逆變器，將直流轉(zhuǎn)換為交流，給電網(wǎng)輸入電能。在沒有光照，太陽能光伏電池陣列的輸出電壓過低時，系統(tǒng)自動斷開與外部交流電網(wǎng)的連接，停止工作。
2)光伏并網(wǎng)逆變器采用三相逆變橋主要器件是6只功率開關(guān)管，本實(shí)施例中選用三菱IPM智能功率模塊。光伏并網(wǎng)逆變器控制電路通過傳感器采集外部電壓電流及相位信號，采用控制算法得到6路PWM脈沖波形驅(qū)動6只功率開關(guān)管，使光伏并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值的三相交流電壓。
3)數(shù)字信號處理器本實(shí)施例中，數(shù)字信號處理器采用浮點(diǎn)數(shù)字信號控制器TMS320F28335。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC，適用于各類工業(yè)控制。如圖2所示，在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的直流側(cè)，采用1只霍爾型電壓傳感器和1只霍爾型電流傳感器采集光伏電池陣列的輸出電壓Upv以及輸出電流Ipv，采用最大功率跟蹤算法——擾動觀察法，求得當(dāng)前環(huán)境條件下的光伏陣列最大功率輸出點(diǎn)參考電壓Upvr，通過控制直流變換模塊中IGBT的開關(guān)時間，使光伏電池陣列始終工作在最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對光伏電池陣列輸出功率的最大利用。由光伏陣列輸出電壓Upv和Upvr求得逆變器輸出參考電流ipv*。
如圖2所示，在電網(wǎng)側(cè)采用3只霍爾型電壓傳感器采集電網(wǎng)電壓u，經(jīng)模糊自整定PI調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)后的電壓信號u′；采用采樣變壓器以及過零比較器完成光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流相位過零點(diǎn)，電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)的檢測，使用數(shù)字鎖相技術(shù)對光伏并網(wǎng)逆變器的頻率和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓相位及頻率保持同步；在光伏并網(wǎng)逆變器輸出側(cè)采用3只電流傳感器采集逆變器輸出側(cè)的輸出電流信號i。經(jīng)傳感器輸出的電壓電流信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理為0~3.3V的信號，送入數(shù)字信號處理器DSP的AD采樣電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
通過信號采集得到如上所述的外部反饋參數(shù)后，如圖1所示，按照發(fā)明內(nèi)容部分所示的步驟，結(jié)合如下公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)可求得反電動勢eb。



如上所述的算法，可以通過匯編或C語言程序?qū)懭霐?shù)字信號處理器DSP，以自動求得反電動勢eb。采用PWM生成方法經(jīng)數(shù)字信號處理器DSP處理得到光伏并網(wǎng)逆變器所需的PWM脈寬調(diào)制信號。所得到的PWM脈寬調(diào)制信號經(jīng)過光耦隔離驅(qū)動電路驅(qū)動后，用于控制三菱IPM智能功率模塊，從而得到所需的輸出電流。
另外，由于光伏并網(wǎng)逆變器在其開關(guān)頻率及開關(guān)頻率的整數(shù)倍附近，會產(chǎn)生大量高次諧波。這些高次諧波注入到電網(wǎng)中會產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染，將對電網(wǎng)上的其他電磁敏感的設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，本實(shí)施例中使用LCL濾波器濾除高次諧波，具有明顯的效果。
在上文中，雖然參照本發(fā)明的具體實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是，很明顯，在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能對實(shí)施例進(jìn)行修改、變更以及改進(jìn)。因此，將理解本發(fā)明并不局限于具體的說明性實(shí)施例，而僅僅被附加權(quán)利要求的范圍所限定。
權(quán)利要求
1.一種基于同步發(fā)電機(jī)模型的光伏并網(wǎng)逆變器控制方法，其特征在于該方法包含以下步驟
1)采集光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓信號u；
2)將所述輸出電壓信號u輸入模糊自整定PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)模糊自整定PI調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)后的電壓信號u′；
3)采集光伏陣列輸出電壓Upv和電流Ipv，采用最大功率跟蹤算法，求得當(dāng)前環(huán)境條件下的光伏陣列最大功率輸出點(diǎn)參考電壓Upvr，由光伏陣列輸出電壓Upv和Upvr求得逆變器輸出參考電流ipv*；
4)由式
可求得Mfif，其中Mf為同等額定功率同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子互感，if為一可調(diào)節(jié)的直流電流源，Qset為設(shè)定無功功率，Q為實(shí)際計(jì)算無功功率，壓降系數(shù)
式中ΔQ＝|Q2-Q1|，Q2為系統(tǒng)當(dāng)前時刻的無功功率，Q1為系統(tǒng)上一時刻的無功功率，電壓變化量Δu＝|u2′-u1′|，u2′為系統(tǒng)當(dāng)前時刻經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的電壓值，u1′為系統(tǒng)上一時刻經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的電壓值；
5)由式
可求得Tm，其中Pset為設(shè)定有功功率，p為極對數(shù)，
為轉(zhuǎn)子角頻率，對應(yīng)為光伏并網(wǎng)逆變器的輸出頻率；
6)檢測光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流相位過零點(diǎn)，電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)參數(shù)，根據(jù)數(shù)字鎖相算法，對光伏并網(wǎng)逆變器的頻率和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)；
7)由同步發(fā)電機(jī)基本運(yùn)行公式推導(dǎo)出式(3)(4)(5)(6)
其中Te、J分別為同等額定功率下同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，
阻尼系數(shù)
式中ΔT＝|T2-T1|，T2為系統(tǒng)當(dāng)前時刻的電磁轉(zhuǎn)矩，T1為系統(tǒng)上一時刻的電磁轉(zhuǎn)矩，頻率變化率
其中
為系統(tǒng)當(dāng)前時刻的頻率，
為系統(tǒng)上一時刻的頻率，
i為逆變器側(cè)的輸出電流信號，θ是同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度；
8)由式(1)(2)(3)(4)(5)(6)求得反電動勢eb；
9)將所求得的反電動勢eb采用PWM生成方法經(jīng)數(shù)字信號處理器處理得到光伏并網(wǎng)逆變器所需的PWM脈寬調(diào)制信號；
10)用得到的PWM脈寬調(diào)制信號對光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行調(diào)制，得到所需的輸出電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏并網(wǎng)逆變器控制方法，其特征在于還包括對步驟10)得到的輸出電流使用LCL濾波器濾除其中的高次諧波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光伏并網(wǎng)逆變器控制方法，其特征在于所述數(shù)字信號處理器為浮點(diǎn)數(shù)字信號控制器TMS320F28335。
全文摘要
一種基于同步發(fā)電機(jī)模型的智能型光伏并網(wǎng)逆變器控制方法，屬于光伏并網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括模糊自整定PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)、逆變器控制模型、PWM產(chǎn)生方法。通過模擬同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)部機(jī)理以及外部特性，結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行公式，推導(dǎo)出一種全新的逆變器控制模型，可對逆變器的輸出頻率、幅值、有功功率以及無功功率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，具有控制精度高、諧波分量小、簡單易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02J3/38GK101777776SQ20101014011
公開日2010年7月14日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者肖業(yè)偉, 周海燕, 陽敏, 謝鋒, 祝高峰, 湯紅忠 申請人:湖南億能電子科技有限公司