一种光伏并网发电系统的柔性控制方法

摘要

本发明公开了新能源电力系统和微网的光伏并网发电控制技术领域中一种光伏并网发电系统的柔性控制方法。包括：设计光伏发电系统H∞并网控制器；测量光伏发电系统并网点的电网电压es，并求出电网电压矢量旋转角度γ；测量并网逆变器直流侧电压udc，将直流电压参考值与udc相减求得直流电压偏差量Δudc；将Δudc送入外环功率平衡控制器，求出交流电流参考值求出LC型滤波器出口电压参考值测量LC型滤波器出口电压信号uc，将与uc相减求得LC型滤波器出口电压偏差量Δuc；将Δuc送入H∞光伏并网控制器，再求出逆变器输出电压参考值uD；将uD送入逆变器触发驱动电路，利用驱动电路输出的脉冲信号对逆变器进行触发控制，从而完成光伏并网发电系统的控制流程。本发明达到了柔性并网的目的。

权利要求

1.一种光伏并网发电系统的柔性控制方法，其特征是所述方法包括：步骤1：设计光伏发电系统H∞并网控制器，包括：步骤1.1：建立光伏发电系统数学模型；

所述光伏发电系统数学模型为 其中，uD为逆变器出口电压，uc为LC型滤波器出口电压，i1为逆变器LC滤波器中L支路的电流，is为并网电流，C为LC滤波器的电容值，L为LC型滤波器的电感值，R为LC型滤波器的电阻值；

步骤1.2：确定光伏发电系统数学模型的状态空间表达式；

所述光伏发电系统数学模型的状态空间表达式为 其中，x为状态变量， 为x的一阶导数，u为控制变量， y为输出量，y=[x1]=[uc]； CP=[1 0]，DP=[0]；

步骤1.3：以理想低通滤波器作为模型匹配问题中的理想模型，将模型匹配问题转化为H∞标准控制问题，理想低通滤波器的状态空间表达式为：式中，xi为系统状态变量， 为xi的一阶导数， 和系数矩阵，y为系统输出变量，[c1 c2…cn-2]为输出变量系数矩阵，i=1,2,...,n-2，n为H∞标准控制问题广义对象的状态变量个数，u为理想低通滤波器的输入量；

步骤1.4：将步骤1.2得到的状态空间表达式和步骤1.3得到的状态空间表达式合并，从而得到求解光伏发电系统H∞并网控制器所需的广义被控对象的状态空间表达式；

所述求解光伏发电系统H∞并网控制器所需的广义被控对象的状态空间表达式T为 式中，x=[x1 x2…xn]， 为x的一阶导数，r = [ w -y ] ，

C2=[0 0…0 -1 0]， D21=[1]，D22=[0]，w为扰动量，v为扰动量w经过理想滤波器的输出量，ρ为加权系数，I为单位矩阵；

所述广义被控对象为 其中，LTF为线性分式变换；

步骤1.5：通过求解Riccati方程计算出H∞光伏并网控制器步骤2：测量光伏发电系统并网点的电网电压es，并通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度γ；

步骤3：测量并网逆变器直流侧电压udc，将直流电压参考值 与并网逆变器直流侧电压udc相减求得直流电压偏差量Δudc；

步骤4：将直流电压偏差量Δudc送入外环功率平衡控制器，外环功率平衡控制器输出有功电流参考值 根据电网的无功需求设定无功电流参考值 以γ为旋转矢量角，利用公式 将有功电流参考值 和无功电流参考值 进行矢量合成，求出交流电流参考值

步骤5：利用公式 求出LC型滤波器出口电压参考值 测量LC型滤波器出口电压信号uc，将 与uc相减求得LC型滤波器出口电压偏差量Δuc；其中，LT为并网变压器的等效电感，RT为并网变压器的等效电阻；

步骤6：将Δuc送入H∞光伏并网控制器，H∞光伏并网控制器输出值为u，再利用式求出逆变器输出电压参考值uD；其中，L为LC型滤波器的电感值，R为LC型滤波器的电阻值；

步骤7：将uD送入逆变器触发驱动电路，利用驱动电路输出的脉冲信号对逆变器进行触发控制，从而完成光伏并网发电系统的控制流程。

说明书

一种光伏并网发电系统的柔性控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于新能源电力系统和微网中光伏并网发电控制技术领域，尤其涉及一种光伏并网发电系统的柔性控制方法。

背景技术

[0002] 智能电网体现了社会的进步，是电网可持续发展的现实选择和必然趋势。在智能电网技术支持下，新能源发电（光伏发电、风力发电等）与电力系统的有机结合构成了新能源电力系统。新能源并网发电主要分为集中式和分布式两种方式，为了解决新能源分布式并网发电大规模应用的技术难题，微网技术应运而生。微网整合了分布式发电和大电网的优点，是一种由负荷、微电源及储能装置共同组成的有机系统。其通过有效的协调控制，使主要基于新能源和可再生能源的分布式电源并网所产生的负面问题都在微网内得到解决，减少了分布式电源并网对大电网产生的各种扰动，为光伏发电分布式并网方式提供了良好的技术平台。

[0003] 光伏发电系统采用太阳能作为发电的能源，在追求低碳社会的今天，太阳能作为一种清洁的新能源，越来越受到世界各国的重视，成为解决环境问题、能源危机和发展智能电网技术的有效手段之一。光伏发电系统并网发电是太阳能发电应用的主要形式。并网逆变器作为光伏发电与电网接口的重要设备，其柔性控制技术也是研究热点和难点之一。目前比较成熟的光伏并网逆变器控制方法主要有PI控制、滞环比较控制、无差拍控制等。这些方法有着各自的优缺点，其中PI控制（Proportional Integral Controller，比例积分控制器）、滞环比较控制技术简洁易于工程实现，但是其控制器的设计不易于优化，暂态过程控制效果差；无差拍控制方法控制响应速度快，控制精度高，但是其控制效果依赖于精确的数学模型，鲁棒性较差。

[0004] 光伏发电的输出功率受到阳光等自然资源的影响很大，具有随机性、波动性、间歇性的特点。当光照发生变化时需要对输出功率进行相应控制以满足光伏发电系统的功率平衡。夜晚时，由于没有光照光伏发电系统需要与电网断开或作为无功电源在夜晚工作。随着光伏并网逆变器在电网中应用的越来越多，其并网、切机和工况变化带来的冲击电流和谐波会使电网的电能质量难以得到保障。

[0005] H∞控制理论不但可以对控制系统进行优化设计，控制精度高，而且还可以满足鲁棒性的要求；不但有明确的物理意义而且还有严格的数学基础。H∞优化控制理论是通过对所研究对象的某些闭环性能指标的H∞范数优化而获得的最优（次优）控制器的一种控制理论。一个稳定传递函数矩阵的H∞范数的物理意义是系统所能获得的最大增益。因此控制系统H∞优化就是在H∞空间中极小化某些闭环系统频率响应的峰值。

发明内容

[0006] 针对光伏发电系统的出力特点，为了减少在光伏发电系统并网、切机和工况变化时带来的冲击电流和谐波，使光伏并网发电系统满足微网的电能质量要求，本发明提出一种光伏并网发电系统的柔性控制方法，该方法将H∞优化理论应用于光伏发电系统控制领域中，实现了光伏发电系统与新能源电力系统、微网的无缝连接。

[0007] 为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种光伏并网发电系统的柔性控制方法，其特征是所述方法包括：

[0008] 步骤1：设计光伏发电系统H∞并网控制器；

[0009] 步骤2：测量光伏发电系统并网点的电网电压es，并通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度γ；

[0010] 步骤3：测量并网逆变器直流侧电压udc，将直流电压参考值 与并网逆变器直流侧电压udc相减求得直流电压偏差量Δudc；

[0011] 步骤4：将直流电压偏差量Δudc送入外环功率平衡控制器，外环功率平衡控制器输出有功电流参考值 根据电网的无功需求设定无功电流参考值 以γ为旋转矢量角，利用公式 将有功电流参考值 和无功电流参考值 进行矢量合成，求出交流电流参考值

[0012] 步骤5：利用公式 求出LC型滤波器出口电压参考值 测量LC型滤波器出口电压信号uc，将 与uc相减求得LC型滤波器出口电压偏差量Δuc；其中，LT为并网变压器的等效电感，RT为并网变压器的等效电阻；

[0013] 步骤6：将Δuc送入H∞光伏并网控制器，H∞光伏并网控制器输出值为u，再利用式 求出逆变器输出电压参考值uD；其中，L为LC型滤波器的电感值，R为LC型滤波器的电阻值；

[0014] 步骤7：将uD送入逆变器触发驱动电路，利用驱动电路输出的脉冲信号对逆变器进行触发控制，从而完成光伏并网发电系统的控制流程。

[0015] 所述设计光伏发电系统H∞并网控制器包括：

[0016] 步骤1.1：建立光伏发电系统数学模型；

[0017] 所述光伏发电系统数学模型为 其中，uD为逆变器出口电压，uc为LC型滤波器出口电压，i1为逆变器LC滤波器中L支路的电流，is为并网电流，C为LC滤波器的电容值，L为LC型滤波器的电感值，R为LC型滤波器的电阻值；

[0018] 步骤1.2：确定光伏发电系统数学模型的状态空间表达式；

[0019] 所述光伏发电系统数学模型的状态空间表达式为 其中，x为状态变量， 为x的一阶导数，u为控制变量， y为输出量，y＝[x1]＝[uc]； CP＝[10]，DP＝[0]；

[0020] 步骤1.3：以理想低通滤波器作为模型匹配问题中的理想模型，将模型匹配问题转化为H∞标准控制问题，理想低通滤波器的状态空间表达式为：

[0021]

[0022]

[0023] 式中，xi为系统状态变量， 为xi的一阶导数，和 为系数矩阵，y为系统输出变量，[c1 c2…cn-2]为输出变量系数矩阵，i＝
1,2,...,n-2，n为H∞标准控制问题广义对象的状态变量个数，u为理想低通滤波器的输入量；

[0024] 步骤1.4：将步骤1.2得到的状态空间表达式和步骤1.3得到的状态空间表达式合并，从而得到求解光伏发电系统H∞并网控制器所需的广义被控对象的状态空间表达式；

[0025] 所述求解光伏发电系统H∞并网控制器所需的广义被控对象的状态空间T表达式 为 式 中，x＝[x1 x2…xn]， 为x的 一阶导 数，
r＝[w-y]，
C2＝[0 0…0 -1 0]， D21＝[1]，D22＝
[0]，w为扰动量，v为扰动量w经过理想滤波器的输出量，ρ为加权系数，I为单位矩阵；

[0026] 所述广义被控对象为 其中，LTF为线性分式变换；

[0027] 步骤1.5：通过求解Riccati方程计算出H∞光伏并网控制器。

[0028] 本发明实现了光伏发电系统在并网、切机和工况变化的过程中无冲击电流，达到柔性并网的目的；同时，整个光伏并网控制系统的动态响应速度、控制精度和稳定性都优于传统控制系统。

附图说明

[0029] 图1是光伏发电系统H∞并网控制器设计流程图；

[0030] 图2是模型匹配问题基本原理框图；

[0031] 图3是光伏并网控制器设计H∞标准控制框图；

[0032] 图4是光伏并网发电系统原理图；

[0033] 图5是H∞并网控制系统控制算法结构示意图；

[0034] 图6是光伏发电并入微网的结构图；

[0035] 图7是光伏并网柔性控制系统零极点图；

[0036] 图8是模拟光照变化情况示仿真实验图；

[0037] 图9是光伏发电系统并网电流仿真实验波形图；

[0038] 图10是光伏发电系统输出功率仿真实验波形图。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

[0040] 本发明提供的光伏并网发电系统的柔性控制方法以H∞光伏并网控制器为控制核心，达到光伏发电系统柔性并网的目的。其具体步骤如下：包括：

[0041] 步骤1：设计H∞光伏并网控制器。

[0042] 模型匹配问题和H∞标准控制问题是现代鲁棒控制理论中的现有技术，但是模型匹配问题的求解方法却各不相同，H∞标准控制问题有比较完善的解法，MATLAB专用软件也已经开发出相应的专用软件包可以求解H∞标准控制问题的控制器。而本发明针对光伏发电系统设计H∞光伏并网控制器，可以借助MATLAB装用软件，计算H∞光伏并网控制器。其实质就是将H∞并网控制器的设计从模型匹配问题转化为H∞标准控制问题，其流程如图1所示。

[0043] 图2是模型匹配问题基本原理框图。图2中，W为输入信号，r为经过理想模型后的输出信号，u为控制器K的输出信号，y为被控对象P的输出信号，e为理想模型输出信号与被控对象输出信号的差值。

[0044] M为理想模型，K为“H∞并网控制器”，P为被控对象。本发明选取理想模型为理想低通滤波器。选取原因在于:本发明的控制对象为光伏并网发电系统，其系统输出量为工频电压值，工频电压为50Hz的交流信号，因此选取截止频率为100Hz左右的理想低通滤波器可以较好的完成波形跟踪的效果，还可以抑制在检测和传递信号过程中引起的引起的高频谐波干扰。

[0045] 图3是光伏并网控制器设计H∞标准控制框图。如图1所示，光伏发电系统H∞并网控制器的求解过程是：

[0046] 步骤1.1：首先建立光伏发电系统数学模型。式（1）所示为光伏发电系统数学模型[0047]

[0048] 其中，uD为逆变器出口电压，uc为LC型滤波器出口电压，i1为逆变器LC滤波器中L支路的电流，is为并网电流，C为LC滤波器的电容值，L为LC型滤波器的电感值，R为LC型滤波器的电阻值。

[0049] 步骤1.2：确定光伏发电系统数学模型的状态空间表达式。以光伏发电系统数学模型的作为被控对象，进而得到其状态空间表达式如式（2）所示。

[0050]

[0051] 其中，x为状态变量， 为x的一阶导数，u为控制变量，y为输出量，y＝[x1]＝[uc]；
CP＝[1 0]，DP＝[0]。

[0052] 步骤1.3：以理想低通滤波器作为模型匹配问题中的理想模型，确定基于模型匹配问题的H∞标准控制问题。

[0053] H∞标准控制问题的定义为：求一正则实有理控制器K，使闭环系统内稳定且使传递函数矩阵Gzw(s)的H∞范数极小，如式(3)所示。

[0054]

[0055] 如图2所示，模型M（理想模型）选择为理想低通滤波器，其状态空间表达式如式(4)、式(5)所示。

[0056]

[0057]

[0058] 式中，xi为系统状态变量， 为xi的一阶导数，和 为系数矩阵，y为系统输出变量，[c1 c2…cn-2]为输出变量系数矩阵，i＝
1,2,...,n-2，n为H∞标准控制问题广义对象的状态变量个数，u为理想低通滤波器的输入量。

[0059] 步骤1.4：将步骤1.2得到的状态空间表达式（光伏发电系统数学模型的状态空间表达式）和步骤1.3得到的状态空间表达式（理想低通滤波器的状态空间表达式）合并，从而得到求解光伏发电系统H∞并网控制器所需的广义被控对象的状态空间表达式。

[0060] 由上文得到理想模型M和光伏发电系统数学模型P的表达式之后，可以根据图2把M与P中的状态量合并，进一步得到求解光伏发电柔性并网控制器所需的广义被控对象G的状态空间表达式，如式(6)所示。

[0061]

[0062] 式 中，x ＝ [x1 x2…xn]T， 为 x 的 一 阶 导 数， r ＝[ w - y ] ，
C2＝[0 0…0 -1 0]， D21＝[1]，D22＝
[0]，w为扰动量，v为扰动量w经过理想滤波器的输出量，ρ为加权系数，I为单位矩阵。

[0063] 所述广义被控对象为 其中，LTF为线性分式变换；

[0064] 步骤1.5：通过求解Riccati方程计算出H∞光伏并网控制器。

[0065] 经过上述步骤1.1-1.4，已经得到光伏并网控制器设计的H∞标准控制问题。由于H∞标准控制问题可以在MATLAB专用软件上求解，因此利用MATLAB专用软件，可以通过求解Riccati方程计算出H∞光伏并网控制器K(S)。

[0066] 图4是光伏并网发电系统原理示意图。针对单相多级隔离型光伏并网发电系统交流控制部分，将光伏阵列依次通过boost直流变换电路、并网逆变器、LC型滤波器、并网隔离变压器与电网相连接。分别测量光伏发电系统并网点的电网电压es、LC型滤波器出口电压uc和并网逆变器直流侧电压udc，将es、uc、udc送入H∞光伏并网控制系统。

[0067] 步骤2：测量光伏发电系统并网点的电网电压es，并通过锁相环PLL（Phase-Locked Loop，锁相环路）方法求出电网电压矢量旋转角度γ，如图5所示。

[0068] 步骤3：测量并网逆变器直流侧电压udc，将直流电压参考值 与并网逆变器直流侧电压udc相减求得直流电压偏差量Δudc。

[0069] 步骤4：将直流电压偏差量Δudc送入外环功率平衡控制器，外环功率平衡控制器输出有功电流参考值 根据电网的无功需求设定无功电流参考值

[0070] 而后，以γ为旋转矢量角，将有功电流参考值 和无功电流参考值 进行矢量合成，求出交流电流参考值 其中，矢量合成公式如式（7）所示。

[0071]

[0072] 步骤5：利用公式（8）求出LC型滤波器出口电压参考值 测量LC型滤波器出口电压信号uc，将 与uc相减求得LC型滤波器出口电压偏差量Δuc。

[0073]

[0074] 步骤6：将Δuc送入H∞光伏并网控制器，H∞光伏并网控制器输出值为u，再利用公式（9）求出逆变器输出电压参考值uD。

[0075]

[0076] 步骤7：将uD送入逆变器触发驱动电路，利用驱动电路输出的脉冲信号对逆变器进行触发控制，从而完成光伏并网发电系统的控制流程。

[0077] 下面参照附图并结合MATLAB/Simulink，根据两项光伏发电并网系统的仿真实例，对本发明进行进一步的阐述，但本发明并不限于所给的例子。

[0078] 光伏发电并入微网的原理图和结构图分别如图4和图6所示，光伏阵列容量为10KW，取滤波电感L＝0.5mH，电感内阻R＝0.5Ω，滤波电容器C＝200μF，并网变压器等效电感LX＝5mH，并网变压器等效电阻RX＝0.5Ω。M为低通滤波器，其设计指标如下：
通带截止频率fp=100Hz；阻带截止频率fs=150Hz；通带最大衰减Rp=0.5dB；阻带最小衰减Rs=80dB。利用MTALAB鲁棒控制工具箱，通过表达式（6）可以求得H∞光伏柔性并网控制器K(S)。

[0079] 由图7可知本发明设计的H∞光伏柔性并网控制器使整个光伏并网发电系统的极点全部在零极点图的左半平面，可见所有的闭环系统特征值均具有负实部。因此，该系统为内部稳定系统。

[0080] 电网相电压为220V，光伏发电系统在光照剧烈变化引起光伏发电系统输出功率变化且有故障切机再并网工况下的并网仿真，仿真时间2s。光照变化情况如图8所示。光伏发电系统在0.04s时并入电网，在0.6s时由于故障光伏发电系统突然切出电网，1s时故障排除光伏发电系统再次并网。图9为光伏发电系统并网电流仿真波形，由图9可知，光伏发电系统的输出电流幅值与光照有相同的变化趋势，在电源多次切入切出电网的过程中控制器响应速度快，无过度过程直接进入稳态，并且没有出现冲击电流。如图10所示，在光照强度变化和光伏发电系统故障切机再并网过程中光伏发电系统输出功率得到了很好的控制，暂态过程短，输出功率平稳。

[0081] 本发明具有以下效果：

[0082] （1）无冲击并网。通过H∞光伏并网控制器的控制，可以使LC型滤波器出口电压与光伏发电系统并网点电压形成特定的电压差，并网后直接进入稳态过程，实现光伏发电系统在并网、切机和工况变化的过程中无冲击电流，达到柔性并网的目的。

[0083] （2）动态响应速度快、控制精度高。整个控制系统控制律简单，且都以瞬时量作为信号传递值，省去了传统控制方法坐标变换等步骤，减少了控制信号变换时间。再结合H∞光伏并网控制器的高响应速度和高控制精度，使得整个光伏并网控制系统的动态响应速度和控制精度优于传统控制系统。

[0084] （3）稳定性好。采用该发明的方法求出的H∞光伏并网控制器可自动保证所设计出的闭环控制系统为内稳定的，可确保系统稳定可靠的工作。

[0085] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。