基于電壓定向直接功率控制的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

基于電壓定向直接功率控制的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

作為一項(xiàng)指控伏熱裝置并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，其控制策略也是伏熱裝置并網(wǎng)控制的關(guān)鍵。對(duì)于并網(wǎng)逆變器而言,典型的并網(wǎng)控制策略是通過(guò)對(duì)逆變器輸出電流矢量的控制實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)及網(wǎng)側(cè)有功和無(wú)功的控制。這種電流控制方法其并網(wǎng)逆變器的有功、無(wú)功功率實(shí)際上通過(guò)d-q坐標(biāo)系中的相關(guān)電流的閉環(huán)控制來(lái)間接實(shí)現(xiàn)的,其存在明顯的不足:(1)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化較為敏感;(2)由于其基于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行控制,因而動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。為了取得功率的快速控制響應(yīng),借鑒了交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的基本思路,即采用直接功率控制(DirectPowerControl)。該控制無(wú)需將功率變量換算成電流變量來(lái)進(jìn)行控制,而是將輸出的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率作為被控量進(jìn)行功率的直接閉環(huán)控制。本文提出基于電壓定向的直接功率控制,無(wú)需電網(wǎng)電壓傳感器,首先將瞬時(shí)功率的參考值與瞬時(shí)功率的估算值比較后,其差值輸入到功率滯環(huán)比較器中,并根據(jù)功率滯環(huán)比較器的輸出和電壓矢量位置查相應(yīng)的開(kāi)關(guān)表,從而確定驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。1基于電壓定向的直接電壓控制1.1瞬時(shí)功率測(cè)量的傳統(tǒng)估算方法光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器主電路如圖1所示。PV為太陽(yáng)電池板,L為交流側(cè)電抗器電感,C1為直流側(cè)電容,ia、ib、ic為并網(wǎng)輸出電流的瞬時(shí)值,ua、ub、uc為逆變器交流側(cè)電壓,Udc為直流側(cè)電壓,ea、eb、ec為三相電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值。實(shí)際上,瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率由定義在復(fù)平面上的復(fù)功率S獲得,而復(fù)功率S為電壓矢量和電流共軛矢量的標(biāo)量積,則并網(wǎng)逆變器的瞬時(shí)復(fù)功率表達(dá)式為:其中,由于沒(méi)有電網(wǎng)電壓傳感器,因此電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值ea、eb、ec為未知量。因此,電網(wǎng)電壓可以通過(guò)基于瞬時(shí)功率的電網(wǎng)電壓估算方法進(jìn)行估算,其方法為:將并網(wǎng)逆變器瞬時(shí)功率表達(dá)式中的電網(wǎng)電壓用所檢測(cè)的逆變器輸出電流和直流側(cè)電壓進(jìn)行描述,進(jìn)而通過(guò)逆變器回路的電壓方程運(yùn)算獲得電網(wǎng)電壓的估算值。采用這種方法先運(yùn)算出瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的估算值,再得出電網(wǎng)電壓的估算值,而瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的估算值可作為直接功率控制器的反饋信號(hào)。具體討論如下:由式(1),并網(wǎng)逆變器輸出的瞬時(shí)無(wú)功功率q為:設(shè)并網(wǎng)逆變器開(kāi)關(guān)調(diào)制時(shí)a、b、c各相的開(kāi)關(guān)函數(shù)分別為Sa、Sb、Sc。當(dāng)上橋開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),令Sx(x=a,b,c)=1,而當(dāng)下橋開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),令Sx(x=a,b,c)=0。如果忽略并網(wǎng)逆變器輸出回路中電阻的影響,則可得并網(wǎng)逆變器中的電網(wǎng)電壓表達(dá)式為:聯(lián)立式(3)和式(1),可得瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的估算值分別為式(4)和式(5):獲得瞬時(shí)有功和無(wú)功功率的估算值后,再由并根據(jù)關(guān)系式(1)得式(6):將式(7)寫(xiě)成基于α-β坐標(biāo)系的矩陣形式,即:1.2滯環(huán)比較器輸出功率滯環(huán)比較器是DPC控制器的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要包括有功功率滯環(huán)比較器和無(wú)功功率滯環(huán)比較器。在無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的V-DPC系統(tǒng)中,功率滯環(huán)比較器的輸入分別為:瞬時(shí)有功功率參考值與瞬時(shí)有功功率估算值的差值Δp,以及瞬時(shí)無(wú)功功率參考值與瞬時(shí)無(wú)功功率估算值的差值Δq。功率滯環(huán)比較器的輸出是反映實(shí)際功率偏離給定功率程度的開(kāi)關(guān)狀態(tài)量Sp和Sq,則滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果為(10)至(13):式中:Hp和Hq分別是有功和無(wú)功功率滯環(huán)寬度,并且Δp=p*-p;Δq=q*-q。當(dāng)瞬時(shí)功率偏差量的當(dāng)瞬時(shí)功率偏差量的絕對(duì)值大于滯環(huán)寬度時(shí),開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變以使其偏差量減小,而在偏差量絕對(duì)值減小的過(guò)程中,則保持開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變,直到其偏差量絕對(duì)值反向增大且再次超過(guò)滯環(huán)寬度時(shí),開(kāi)關(guān)狀態(tài)才再次改變。1.3種特殊的矢量“采用”三相電壓型逆變器的電壓空間矢量由8個(gè)矢量組成,即U0、U1、…、U7,其中,U1~U6為非零矢量,U0、U7為零矢量,電壓矢量其值又由Sa、Sb、Sc和Udc決定,即SaSbSc=000∶111對(duì)應(yīng)于U0∶U7[U0(000)、U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)、U7(111)]。由于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的獲得不僅和滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果有關(guān),還和電網(wǎng)電壓矢量所在的矢量區(qū)域位置有關(guān),這種區(qū)域位置通常采用矢量“扇區(qū)”表示。如圖2所示,12個(gè)矢量“扇區(qū)”在α-β平面的相角范圍計(jì)算式為:為確定電網(wǎng)電壓矢量所處區(qū)間,由eα、eβ確定矢量E的相角θ=arctan(eα/eβ),根據(jù)上述相角范圍計(jì)算式確定矢量E所處區(qū)間。由于并網(wǎng)逆變器中每個(gè)電壓矢量對(duì)瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的影響是不同的,因此必須通過(guò)選擇合適的電壓矢量實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。而開(kāi)關(guān)狀態(tài)表就是通過(guò)滯環(huán)比較器的輸出結(jié)果以及電網(wǎng)電壓矢量的位置來(lái)確定DPC控制所需的開(kāi)關(guān)狀態(tài)Sa、Sb、Sc。而其取值即決定了所需逆變器橋臂輸出電壓矢量。由滯環(huán)比較器輸出結(jié)果Sp、Sq,通過(guò)查表1即可獲得橋臂輸出電壓矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。1.4電壓ucd的計(jì)算圖3為基于無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的V-DPC結(jié)構(gòu)框圖,圖中省略了輸出濾波器等效電阻的影響,其控制結(jié)構(gòu)基本思想為:功率和電壓估算單元根據(jù)并網(wǎng)逆變器的開(kāi)關(guān)函數(shù)(Sa、Sb、Sc)、輸出電流檢測(cè)值(ia、ib),以及直流側(cè)電壓Udc經(jīng)過(guò)計(jì)算,得到瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的估計(jì)值p^、q^以及三相電網(wǎng)電壓在α-β坐標(biāo)系下的估計(jì)值eα^、eβ^;p^、q^與瞬時(shí)有功、無(wú)功參考值p*和q*比較后送入滯環(huán)比較器,得到相應(yīng)的Sp、Sq信號(hào);瞬時(shí)有功功率參考值p*由直流電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出給定,而瞬時(shí)無(wú)功功率參考值q*則由系統(tǒng)的無(wú)功指令給定,若使并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)運(yùn)行,則q*=0。由式(9)及eα、eβ可算出電網(wǎng)電壓矢量的位置角估算值γ^,從而可判斷出電網(wǎng)電壓矢量所處扇區(qū)的信息θn;最后根據(jù)Sp、Sq和θn通過(guò)既定開(kāi)關(guān)表的查表獲得所需輸出電壓的開(kāi)關(guān)函數(shù)Sa、Sb、Sc,以驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)管調(diào)制,同時(shí)將此開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)反饋給功率和電壓估算單元,以便功率和電壓估算。2光伏并網(wǎng)電系統(tǒng)利用MATLAB/SIMULINK軟件,按圖3構(gòu)建了基于無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的V-DPC光伏逆變器的系統(tǒng)仿真模型。直流母線電壓為400V,直流側(cè)電容為1mF,交流側(cè)電感為1mH,并網(wǎng)有功功率為10kW。圖4和圖5為暫態(tài)有功功率和無(wú)功功率仿真圖。由圖4、圖5可知,無(wú)功功率基本保持在零值,有功功率能在短時(shí)間0.3s內(nèi)迅速達(dá)到10kW給定值。在0.38s時(shí)刻由于回饋功率變化,母線電壓瞬時(shí)下降,有功功率跟蹤功率變化并隨之下降,以平衡并網(wǎng)功率。經(jīng)過(guò)短暫暫降過(guò)程,有功功率恢復(fù)到給定值。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率解耦控制,使并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖6為經(jīng)過(guò)V-DPC控制下,光伏逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相(電流放大5倍),系統(tǒng)輸出穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)要求。基于上述方案,按照?qǐng)D3原理圖,搭建了10kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)主要采用DSP(TMS320F2407)控制,以進(jìn)一步驗(yàn)證所提出方法的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7至圖10所示,逆變器輸出的電壓電流波形具有較好的正弦性。圖7為逆變器輸出的相電壓,1通道為B相,2通道為A相,A相超前B相120度,峰-峰值大小約為203V(50V/格);圖8為逆變器的輸出線電壓,峰-峰值為350V,有效值約為124V(50V/格);圖9為逆變器輸出電流,經(jīng)電阻分壓,測(cè)得電流峰-峰值1.35A,有效值約為0.474A(500mA/格);圖10中經(jīng)過(guò)V-DPC控制逆變器輸出的電流與電網(wǎng)電壓同頻同相,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)的運(yùn)行。3仿真結(jié)果分析本文提出了一種新