一种用于光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光伏并网逆变器的控制方法，尤其是一种光伏并网逆变器的滑模 直接电压/功率控制方法，属于供电控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 光伏发电作为一种成熟的可再生能源发电技术，在我国的能源结构中所占的比重 越来越大。由于我国特殊的地理环境和能源结构，光伏发电以大规模并网为主，且多集中在 西北地区。这些地区电网较弱，光伏发电与电力系统之间的相互影响越来越大。一方面，电 网电压的不平衡会导致光伏并网逆变器输出功率的波动和输出电流波形的畸变，影响逆变 器的安全运行。另一方面，逆变器输出功率的波动和畸变电流也会的电力系统的稳定运行 造成影响。
[0003] 为提高光伏并网逆变器在电网电压不平衡时的运行能力，刘伟增等人在太阳能学 报，2013,34(04) :647-652. "电网不平衡条件下光伏并网控制策略研究"公开了一种双dq 轴、正负序电流控制方案，通过设置不同的电流参考值，可以实现不同的不平衡控制目标， 该方法需要设置4个电流调节器，控制系统复杂，且需要对电流进行正负序分解，存在延时 和误差。章玮等人在电工技术学报，2010, 25 (12) :103-110. "不对称电网电压条件下三相 并网型逆变器的控制"中公开了一种在α β坐标系中的比例谐振电流控制方案，该方法可 实现对正负序分量的统一调节，因此仅需要两个电流调节器，但电流参考指令的计算较为 复杂。由于电网电压不平衡时并网逆变器的输出功率波动和电流谐波不能同时消除，郭小 强等人在中国电机工程学报，2014,34(03) :346-353. "不平衡电网电压下光伏并网逆变器 功率/电流质量协调控制策略"中分析了光伏并网逆变器输出功率波动和电流谐波产生的 原理，公开了一种功率/电流质量的协调控制方法，提高了系统运行性能。
[0004] 滑模控制具有鲁棒性强，动态响应快等优点，在并网逆变器的控制中得到了广泛 的应用。郭旭刚等人在电力系统保护与控制，2013,41(10) :126-133. "电网不平衡下基于 滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制"中公开了一种并网逆变器的滑模直接功率 控制方案，并在电网电压不平衡时实现了消除负序电流、消除有功脉动、消除无功脉动三个 不平衡控制目标。
[0005] 为维持直流电压的稳定，以上控制策略一般设置电压外环、功率或电流内环的级 联控制器，导致参数的整定和配合较为困难。为实现不同的不平衡目标，需要对电网电压和 并网电流的各分量进行正负序分解，分解过程存在延时和误差，影响控制器的控制性能。此 外，不同控制目标的功率或电流参考值的设置较为复杂。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控 制方法。
[0007] 本发明采用下述技术方案：
[0008] -种光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1 :建立光伏发电系统：所述光伏发电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC 换流器、直流测量元件、并网逆变器、交流测量元件、控制系统和交流电网组成；所述光伏发 电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器，直流测量元件、并网逆变器、交流测量元 件和交流电网依次级联，所述控制系统的输入端分别接所述光伏测量元件、直流测量元件、 交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端；
[0010] 步骤2 :信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量所述交流电网的三 相电压Uga、ugb、u g。，所述并网逆变器的输出电流iga、igb、ig。和直流电压U 所述交流测量元 件测量的三相电压Uga、ugb、Ug。经过锁相环处理，计算出电网的电压相角Θ ;所述交流测量 元件测量的三相电压uga、ugb、Ug。经过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量u gd 和q轴分量ugq;将所述交流测量元件测量的三相并网电流i ga、igb、ig。经过dq变换计算出 其在dq旋转坐标系中的d轴分量i gd和q轴分量i gq;
[0011] 步骤3 :正负序分解：将所述三相电压在dq旋转坐标系中的d轴分量Ugd和q轴分 量Ugq经过陷波器得到负序分量仏和^ ;将所述三相并网电流在dq旋转坐标系中的d轴分 量igd和q轴分量i gq经过陷波器得到正序分量匕和O
[0012] 步骤4 :计算所述并网逆变器输出的有功功率和无功功率总量PjP Q g:
[0014] 其中：Ug为电网电压幅值；
[0015] 步骤5 :确定出由负序电压、正序电流产生的有功功率和无功功率二倍频波动分 量 Pg2和 Q g2:
[0017] 步骤6 :确定控制误差：
[0018] 直流电压的跟踪误差％为：
[0019] {eu= u *-u (3)
[0020] 其中：u为直流电压的平方，Ui为直流电压参考值的平方；
[0021] 当以消除有功功率和无功功率的二倍频脉动为控制目标时的有功功率和无功功 率的误差e P和e β分别为：
[0023] 其中：Ppv为光伏阵列的输出功率；Q /为网侧变换器输出无功功率的参考值；
[0024] 当以消除并网电流负序分量，保证波形平衡且正弦为控制目标时，无功功率的跟 踪误差和有功功率的误差e' ρ和e' Q分别为：
[0026] 步骤7:确定滑模直接电压/功率控制的滑模面；
[0028] 式中：~和c 2为正实数；
[0029] 步骤8:确定滑模直接电压/功率控制的控制率和总控制输入：所述控制率U为：
[0030] u = Δ u+ueq (7)
[0031 ] 式中：Δ u为开关控制，Ueq为等效控制；
[0032] 所述总控制输入为：
[0034] 式中：ujP u g分别为控制率的d轴和q轴分量，Δ u。种Δ u q分别为开关控制的 d轴和q轴分量，Utldf3q和u分别为等效控制的d轴和q轴分量；
[0035] 其中开关控制为：
[0037] 式中，kul, ku2,1^和kQ2为正常数；s。和s Q为式（6)中定义的滑模面；sgn为符号函 数；
[0038] 等效控制为：
[0040] 式中，ω为电网角频率，L为并网逆变器进线电抗器的电感，g为无功功率参考值 的导数；
[0041] 步骤9 :判断是否达到控制目标，如果是，转向步骤10,否则转向步骤7 ;
[0042] 步骤10 : α β变换：将在dq坐标系下的控制电压心和u q经过α β变换后得到 在α β坐标系下的控制电压u。。和u d，其中^。为α轴分量，u。^为β轴分量；
[0043] 步骤11 =SVPffM调制：将控制电压u。。和u d经过SVPffM调制后得到所述并网逆变 器的三相调制信号Sa、Sb、S。，并将其送入并网逆变器的开关管进行控制。
[0044] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0045] 1.本发明不需要级联控制器之间的配合，控制器的结构和参数的调整都比较简 单。
[0046] 2.本发明可在电网电压不平衡时分别实现消除并网逆变器的功率脉动和保证并 网电流正弦的控制目标。且为实现控制目标而需要加入的功率补偿项的计算比较简单。
【附图说明】
[0047] 图1是本发明的流程图；
[0048] 图2是光伏并网发电结构示意图；
[0049] 图3是以抑制输出功率脉动为控制目标的控制系统原理框图；
[0050] 图4是以保证并网电流正弦为控制目标的控制系统原理框图；
[0051] 图5是电网电压不平衡时光伏并网逆变器综合控制系统原理框图。
【具体实施方式】
[0052] -种光伏并网逆变器的滑模直接电压/功率控制方法，如图1所示，包括以下步 骤：
[0053] 步骤1 :建立光伏发电系统：所述的光伏发电系统如图2所示，所述光伏发电系统 由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器、直流测量元件、并网逆变器、交流测量元件、控制 系统和交流电网组成；所述光伏发电系统由光伏阵列、光伏测量元件、DC/DC换流器，直流 测量元件、并网逆变器、交流测量元件和交流电网依次级联，所述控制系统的输入端分别接 所述光伏测量元件、直流测量元件、交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的 输入端；
[0054] 步骤2 :信号测量与处理：通过电压传感器和电流传感器测量所述交流电网的三 相电压uga、ugb、ug。，所述并网逆变器的输出电流iga、i gb、ig。和直流电压u 所述交流测量元 件测量的三相电压uga、ugb、Ug。经过锁相环处理，计算出电网的电压相角Θ ;所述交流测量 元件测量的三相电压uga、ugb、Ug。进过dq变换计算出其在dq旋转坐标系中的d轴分量u gd 和q轴分量ugq;将所述交流测量元件测量的三相并网电流i ga、igb、ig。经过dq变换计算出 其在dq旋转坐标系中的d轴分量i gd和q轴分量i gq;
[0055] 步骤3 :正负序分解：将所述三相电压在dq旋转坐标系中的d轴分量Ugd和q轴分 量Ugq经过陷波器得到负序分量~和心;将所述三相并网电流在dq旋转坐标系中的d轴分 量i gd和q轴分量i gq经过陷波器得到正序分量^和Q.;
[0056] 步骤4 :计算所述并网逆变器输出的有功功率和无功功率总量PjP Q g:
[0058] 其中：Ug为电网电压幅值；
[0059] 步骤5 :确定出由负序电压、正序电流产生的有功功率和无功功率二倍频波动分 量 Pg2和 Q g2:
[0061] 步骤6 :确定控制误差：
[0062] 直流电压的跟踪误差％为：
[0063] {eu= u *-u (3)
[0064] 其中：U为直流电压的平方，Y为直流电压参考值的平方；
[0065] 当以消除有功功率和无功功率的二倍频脉动为控制目标时的有功功率和无功功 率的误差eP和e β分别为：
[0067] 其中：Ppv为光伏阵列的输出功率；Q /为网侧变换器输出无功功率的参考值；
[0068] 当以消除并网电流负序分量，保证波形平衡且正弦为控制目标时，无功功率的跟 踪误差和有功功率的误差e' ρ和e' Q分别为：
[0070] 步骤7:确定滑模直接电压/功率控制的滑模面；
[0072] 式中：(：1和c 2为正实数；
[0073] 步骤8:确定滑模直接电压/功率控制的控制率和总控制输入：所述控制率U为：
[0074] u = Δ u+ueq (7)
[0075] 式中：△ u为开关控制，Ueq为等效控制；
[0076] 所述总控制输入为：
[0078] 式中：ujP u g分别为控制率的d轴和q轴分量，Δ u。种Δ u q分别为开关控制的 d轴和q轴分量，Utldf3q和u分别为等效控制的d轴和q轴分量；
[0079] 其中开关控制为：
[008