文摘

光伏发电是新能源发电的主要方面,它是一种重要的手段来达到碳中和的目标。当光伏系统连接到网格,网格的非线性负载会影响电能质量和消耗无功功率。提出了一种光伏发电的发电系统,改善电能质量,以有源电力滤波器(APF)的功能。翻译通过最大功率点跟踪(MPPT)方法,光伏发电可以运行在最大功率点,发挥的作用在负载侧谐波和无功功率补偿。改善并网光伏系统的动态性能和谐波补偿的同时,多步有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)采用并网模块。整个系统不需要额外的设备,因为它的角色两个设备,有效降低了投入成本。本文提出的结构和多步FCS-MPC在MATLAB / Simulink仿真验证。结果表明系统最大功率注入到电网同时当负载变化和补偿的非线性负载所产生的谐波电网,使电网的总谐波失真可以满足操作标准,并且系统具有良好的动态性能和稳态性能。

1。介绍

可再生能源发电是主要的手段来解决全球环境问题和能源危机。它包括光伏发电、风力发电、生物发电等新能源发电的方法,是并网发电的必然趋势1,2]。光伏发电是越来越受欢迎,因为它方便,可靠性强,和较低的使用条件,可满足大电网的需要和普通居民。由于光伏发电系统的随机性,(3)实现机器学习准确地预测光伏发电,保证了电网的稳定运行。在以前的工作4),一个支持向量机(GASVM)基于遗传算法的模型。支持向量机分类器是用来优化历史气象数据,提高了预测的准确性。产生的直流电翻译控制的光伏发电阵列MPPT保持最大的输出功率,然后是光伏发电系统提供直流电网或通过逆变器负载(1,5- - - - - -8]。由于转换器的特点和存在的许多网格中的非线性负载,并网系统中谐波污染是不可避免的。本文的方法并网光伏发电和谐波补偿提出了。通过变频器的控制,保证电网的有功功率,提高电能质量(9,10]。

通用光伏设备满足家庭和工业的需求,和各种各样的负载将不可避免地流向电网谐波,这将减少电网的电能质量,影响电网的安全运行。目前,谐波控制的主要方法包括提高变换器拓扑(11,12),减少谐波源的谐波的产生,并使用一个有源电力滤波器(APF)、静态无功发生器,统一电能质量调节器和其他设备来补充。APF被广泛使用,因为它可以同时补偿无功功率和谐波电流(13- - - - - -15]。然而,添加一个APF短PV系统需要额外的成本,成本的提高太阳能的利用率。因此,关键是要找到一种方法来实现电网连接和提高电能质量的同时不增加其他设备。这个想法是由金et al。(1996年开始16]。当时提出的结构需要储能组件,这将增加成本。基于控制技术,这种技术的发展在一定程度上是有限的。然而,随着控制技术的发展和进步的微处理器性能,近年来该方法开始发展。以前的工作(17)提出了一种photovoltaic-active电力滤波器(PV-APF)系统用于实用的一面。它使用模糊逻辑控制器的质量大大提高,谐波含量减少光伏系统,但这种控制方法不具有良好的动态性能。

有关的问题存在于有限的控制设定模型预测控制的控制方法(FCS-MPC),许多学者在相关领域提出了不同的方法11]。研究[18)认为是MPC与时滞补偿方法。拉格朗日插值预测的参考电流。在未来,多个预测时间计算。由于不规则的和快速变化的谐波,相对应的预测预测变化的参考价值有一个很大的错误。以前的工作(19)指出,FCS-MPC应用于APF补偿谐波电流和无功功率。

在最近的研究中,基于李雅普诺夫稳定性理论是非线性控制系统设计为三级NPC逆变器(20.),保证了网格连接的光伏系统,电能质量的提高。新系统由直流总线电压控制器、电容器电压控制器,和一个交流侧控制器。瞬时无功功率理论用于提取谐波。该控制器的设计计算复杂,依赖于精确的数学模型。在[21),短时间光伏系统作为无源电力滤波器研究,和直接功率控制方法应用于这类系统。进行谐波补偿时,参考价值变化迅速,并提出控制方法的动态响应是缓慢的,在某些情况下影响补偿效果。在[22),提出了一种间接电流控制策略。在当前循环控制、滞环控制器用于门和提取信号。这种控制方法精度较低。

本文联合使用光伏系统的策略,提出了APF。首先,谐波和无功功率的微型智能电网"分布式光伏系统节点的负载电流的瞬时无功功率检测方法(我_p- - - - - -我_问)作为当前命令的一部分,另一部分命令的电流并网逆变器的参考电流。在本文中,使用多步FCS-MPC减少造成的误差预测系统的延迟。光伏并网系统的系统结合一个APF进行了研究,提高了光能利用率,提高了电网的电能质量系统,并降低了光伏发电系统的成本。

2。光伏系统结合APF系统(PV + APF)

光伏+ APF系统提出了如图1。产生的直流光伏系统翻译通过MPPT和DC / DC植物,使其工作在最大功率点。稳定的直流电压产生的光伏系统,通过三相逆变器连接到电网。为当前的内循环,多步FCS-MPC算法用于控制光伏+ APF系统实现系统功能(14,19]。

2.1。光伏+ APF系统的数学模型

光伏发电逆变器情况下,假设三相电网的电压平衡,根据基尔霍夫电压定律,可以得到如下:

在方程(1),逆变器的输出电压u_一个=u_一个−u_神经网络PCC是常见的节点,l滤波电感,R是线的等效电阻和电感滤波。我_一个,我_b,我_c三相电网电流,e_一个,e_b,e_c栅极电压。从方程(1),三相电压、电流,逆变器输出可以用向量形式。 在哪里 在哪里u逆变器的输出电压矢量,我栅极电流矢量,e是栅极电压向量。

2.2。MPPT

在本文中,使用可变薪酬扰动观察法实现光伏发电的最大功率点跟踪。这种方法可以获得光伏电池的最大功率点电压的参考价值在一定的外部环境。参考价值之间的差异和实际的光伏电池的输出作为参考价值的一部分并网有功电流经过PI控制器。 在哪里u_裁判是对应于最大功率点工作电压扰动观察法,u_直流是直流电压,k_p和k_我的比例和积分系数是直流侧电压控制器。

本文采用最大功率跟踪变量一步,权力的阈值变化,介绍了电压变化的电压扰动零当系统跟踪最大功率点附近,以确保系统在稳态操作没有振荡。当外部环境变化时,一个更大的补偿扰动采用加快系统的动态响应。变量的阶跃扰动观察法的流程图如图2和直流母线电压的参考价值在每个采样周期所示以下方程:

当λ是固定的,与实际工作条件的最大功率点的电压扰动一步变大。当它接近最大功率点,减少干扰的一步。当dP和du达到设定的阈值,扰动步是零;也就是说,没有稳态功率波动。

3所示。计算的参考电流

3.1。计算谐波参考电流

自的三相电路瞬时无功功率理论,提出了在1980年代,它已经成功地应用于很多方面。基于这一理论,对APF谐波和无功电流实时检测方法。本文使用我_p- - - - - -我_问基于瞬时无功功率理论的方法,如图3(23]。

在图中,

这种方法需要使用正弦信号的罪ωt因为和余弦信号ωt在阶段一个步栅极电压e_一个。他们是通过锁相环(PLL)和正弦余弦信号电路。

3.2。短时间的计算参考电流

光伏电池的最大功率点电压的参考价值在一定的外部环境可以使用变量的阶跃扰动观察法。参考价值之间的差异和实际输出值的光伏电池通过PI控制器,它是一个部分的并网有功电流的给定值,和命令的这一部分电流的振幅为零d−问坐标系统。 在哪里u_裁判并网逆变器的参考电压是直流,u_直流是当前并网逆变器直流侧电压,然后呢k_p和k_我是PI控制器的比例系数、积分系数。

4所示。预测控制的逆变器系统

来补偿非线性负载引起的电网谐波污染,控制原理图如图4。光伏+ APF系统提出了使用光作为逆变器和谐波的补偿。在夜间或在没有光的情况下,它是作为APF补偿电网的谐波。本文不讨论它的使用作为一个独自APF [24]。

4.1。模型预测控制

方程(2电网连接的动态电流方程,可以转换成一个α-β坐标系统来获得

方程(8)执行微分离散化来获得

T_年代是采样周期,它可以从方程(获得9)。

在方程(10),u_α和u_β转换器的输出。在三相两级逆变器结构,如图5,有八个组向量。

4.2。FCS-MPC

FCS-MPC当前将有一个错误在正弦信号跟踪和频率越高,误差越大。因此,它是方便和直观的APF预测信号的跟踪参考α-β坐标系统预测模型的输出。如图6,在α-β坐标系统,V_x8个电压矢量和吗J_最小值是电压矢量与最小的目标函数。FCS-MPC算法的跟踪原理在一定的采样时间,计算目标函数合成的开关频率和跟踪误差,和最优目标推导获得的结合状态切换信号直接控制APF的输出。

4.3。目标函数的建立

在第三部分,我_p- - - - - -我_问基于瞬时无功功率理论方法用于检测非线性负载产生的谐波,这是我_啊,我_黑洞,我_ch的参考电流并网逆变器和 。为了减少跟踪误差,检测到谐波转换为α-β坐标系统:

谐波检测中,有一个延迟锁相环的谐波参考电流;也就是说,的输出APF参考电流的时间。建立目标函数时,以下电流下次的预测价值。在这个过程中,延迟会产生一定的误差。本文以减少造成的延迟检测链接,使用拉格朗日插值预测方法来预测参考电流。方程(11)是参考当前值插值后在下次。为了减少计算量,本文采用二阶插值预测;也就是说,n= 2。

通过方程(9),(12)和(13),可以建立目标函数:

在方程(14),前两项是预测电流谐波的跟踪参考电流的α-β坐标系统。h_lim(我)对当前约束,而年代²(我)惩罚切换工作可由相关的权重因子 。他们的术语定义如下:

对于三相两级逆变器,可能有七个不同的开关矢量,可以代入方程(10)获得下次的预测价值,然后目标函数J对应的向量。在每一个采样点,所有的向量是骑车去获得的开关矢量J最小值。这个开关矢量最优向量。最优输出可以通过使用相对应的开关组合最优矢量控制逆变器。

4.4。多步FCS-MPC

单步执行FCS-MPC可以选择最优开关组合在一个采样周期,但是在当前采样时间最优开关组合只有一些保护的问题,因为它是最优解k+ 1。处理器有一定的延时在实际的过程中,在当前时间和最优的解决方案不能获得两个或两个以上的周期。尽管单步预测的计算较低,结构简单,最优情况在时间戳k+ 2,k+ 3是不考虑。这种方法忽略了最优控制开关不佳可能包含的信息;即理想开关目前可能是有益的选择最优向量在下次。在测量误差或参数不匹配的情况下,一步预测的保守主义会影响控制效果。在随后的几个周期,八个开关向量不能选择适当的状态。这个问题会使逆变器输出无法跟随参考价值,从而使控制结果更多的错误25]。

为了解决保守主义的一步预测问题,本文提出了一种多步预测方法。逆变器输出还预测在接下来的周期。多步FCS-MPC结合了最优状态和理想状态在当前时刻作为候选向量来获取最优状态下一时刻需要采取行动来确定开关组合逆变器。差额持续向前欧拉方程(10),可以获得以下方程:

在方程(16),我_α(k+ 1)和我_β(k+ 1)的预测电流α-β坐标系统在时间k+ 1;e_α(k+ 1)和e_β(k+ 1)电网电流在时间k+ 1,e(k+ 1)=e(k)在一个非常小的采样周期;u_α(k+ 1)和u_β(k+ 1)逆变器的输出,通过自行车所有开关向量在多步预测方法。

节4.2最优向量和非最优向量可以获得。代入到方程(9),相应的最优预测电流(k+ 1)和非最优预测电流(k可以获得+ 1)。代入到方程(16),所有的开关矢量再次骑和开关矢量的第一步是选择在第二步的最小目标函数来控制逆变器通过目标函数如下方程: 在哪里

在每个采样周期的控制算法多步FCS-MPC图所示7。

原则如下:(一)在时间k根据当前值,参考目前在下次通过拉格朗日插值获得。(b)目标函数构造,八组开关组合是骑车,和开关组合使目标函数最小值和第二个最小的选择。两组开关状态使目标函数最小值计算。当前最优值的预测(k+ 1)和(k+ 1)获得,相应的开关状态记录。(c)使用预测的两组对应的目标函数值k+ 1获得的第二部分,8组向量是回收再次显示开关状态对应于最小目标函数k+ 2。同样的方法也适用于当前预测方程(16)获得两个目标函数k+ 2。(d)目标函数在时间k+ 1,较小的一个时间k+ 2是选为最终的预测结果,在时间和相应的开关状态k+ 1是作为应用程序状态的时间k+ 1,应用于APF。

从上面的分析,利用多步FCS-MPC提出了在传统的模型预测算法是寻求最优解在当前时间和随后的多个周期通过求解目标函数通过多个滚动优化算法来解决传统算法的保守的问题。由于计算的增加,处理器的性能是牺牲以换取最优开关组合。处理器性能越好,越明显的控制性能。

5。仿真和结果分析

验证谐波补偿效果的多步FCS-MPC光伏+ APF系统控制,仿真模型如图1在MATLAB / Simulink工具箱构建,本文的参数见表1。摘要光伏发电模块和逆变器网格和谐波补偿需要控制,和非线性负载需要被设定为一个不可控二极管整流桥。来验证控制方法的动态性能,光照强度的变化从700 W / m²1000 W / m²在1.5秒;参考电压的变化从550 V到800 V 0.25年代;设置负载波动在0.35秒;和负载变化从5Ω2.5Ω。

在本文中,使用多步FCS-MPC比较传统PV和光伏+ APF系统的性能在谐波的存在。仿真结果如下。图8显示了三相瞬时无功功率谐波检测的方法。当负载变化时,谐波含量也发生了改变。

如图9光和负载波动的情况下,两个系统的性能是相同的,和当前的电网是扭曲,从而影响电网的安全运行。后0.35秒负载波动、负载电流的值也变化。

如图10,当光强度变化时,栅极电流略有变化;当直流侧电压变化从550 V到800 V,栅极电流增加;当负载值变化,栅极电流波动。在电网谐波污染的情况下,并网逆变器的电流波形扭曲的力量注入后,和当前光伏+ APF系统的波形谐波控制接近正弦波。它可以得出结论:本文提出的方法有效地提高了电能质量。

如图11总谐波失真(THD)并网电流的动态变化关系图显示了网格系统的失真率在不同参数的变化。(一)光伏发电系统没有APF:当THD 0.61%在整个生产过程中,它不高。由于非线性负载的特征选择,5日、7日,11日和13日在电网谐波是显性的。(b)光伏+ APF系统性能:它发现THD低于(a),治疗后,4.8%在0.2 S、和谐波的分布数量是分散的。它也可以从图中找到11官,当光强度变化波动和直流侧参考电流的变化。官达到稳定后,也将稳定。

图12显示了两个系统的直流侧电压的变化。(一)光伏发电系统没有APF:由于FCS-MPC的优点,直流侧电压值可以快速跟随参考价值和波动后的恢复。(b)光伏+ APF系统:谐波控制网格连接时进行。当负载波动在3.5年代,谐波参考也波动,使直流侧电压波动。

图13显示了光伏系统的输出功率。照明和直流侧参考变化时,输出功率会相应地改变(图(13日))。当负载发生变化时,其输出功率将不会受到影响。当负载发生变化时,需要补偿,谐波含量和输出功率需要消耗来实现双端功率平衡(图13 (b))。因此,波动发生在0.35 s,但FCS-MPC下的平衡是快速实现算法。

6。结论

在这篇文章中,一个多步FCS-MPC光伏控制系统结合提出了APF。系统利用太阳能资源,同时提高电能质量,解决问题引起的电能质量下降并网系统和负载。它有广阔的应用前景在未来微型智能电网"系统。本文提出的方案具有以下优点:(一)从实验结果,结合系统对整个电网光伏功率注入电网(b)使用多步FCS-MPC,系统具有良好的动态性能和稳态性能(c)APF的组合与光伏系统有效地降低了电网的THD和提高电网的电能质量(d)整个系统不需要额外的设备,因为它的角色两个设备,有效降低了投入成本。(e)它在清洁能源的应用前景广阔

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

R.Z.导致概念化和形式分析,负责资源和监督;萨达姆政权调查研究,验证数据,准备最初的草案,审查和编辑的手稿。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

确认

这个项目是由西藏自治区自然科学基金(XZ202001ZR0093G)和西藏自治区高等教育重点实验室:电气工程实验室支持项目(2020 d-zn-01)。