文摘
重要的是改善动态性能和低压度过(LVRT)短光伏(PV)系统的能力。介绍了协同作用的控制短时间控制的光伏系统。短时间PV系统的建模,和微分代数方程。两种控制策略用于正常操作和在LVRT光伏系统。实用的协同作用的控制器有两个控制策略是合成的。数学表达式的推导计算控制变量。协同作用的控制器的设计不需要并网光伏系统的线性化。短时间PV系统协同控制器模拟仿真软件环境。控制在LVRT性能研究在正常操作。仿真结果表明,该协同作用的控制器是健壮的和不同运行状态下有良好的动态特性。
1。介绍
世界面临着能源枯竭和环境污染的严重问题。光伏(PV)技术的研究和开发已经成为一个热门话题在世界1]。太阳能光伏现在全世界作为一种重要的技术用于太阳能的转换,因为它的清洁和安全。太阳能光伏产能比2014年增加25%,达到创纪录的50千瓦,提升全球总数达到227兆瓦。太阳能光伏产业是发展最快的高新技术产业之一(2]。
光伏系统的控制是一个重要而艰巨的任务。短时间PV系统主要包括最大功率点跟踪翻译(MPPT)和直粱转换器的控制。翻译研究MPPT一直进行,翻译各种MPPT算法已经提出。最大功率点(MPP)可能位于扰动和观察(P&O)算法3),增量电导(InC)算法(4)和人工神经网络算法5]。
文献[6)提出了一种修改公司的算法。所涉及的算法消除了部门计算其结构和提高了可变步长,它只取决于光伏功率变化。文献[7)提高P&O算法。这种方法与传统P&O结合蚁群优化方法产生更快更有效的收敛。这个改进P&O算法可以识别全球MPP部分阴影条件下。翻译一个新的MPPT算法(8]。该方案使用灰狼优化技术来追踪全球局部阴影条件下光伏阵列的峰值。它可以解决问题,如降低跟踪效率,稳态振荡,瞬变P&O遇到。
一个两级三相短光伏系统9)包含一个电源提高转换器和一个直粱VSC转换器。脉冲宽度调制(PWM)信号的转换器。的直粱VSC控制系统具有外部电压控制回路和内部电流控制回路。外部控制回路调节直流环节电压,以及内部控制回路调节电网电流。电网的电流转换为d设在和问设在电流来实现矢量控制。两个控制回路采用比例积分(PI)算法。文献[10)提出了一种新型滑模(SM)控制的发电光伏系统。系统的自适应过程计算滞回比较器的乐队为改善SM控制器的性能。一个矢量控制器能保持最大的光伏系统的功率输出。文献[11)使用概率小波模糊神经网络(PWFNN)结构短PV系统的无功功率控制器。光伏阵列之间的有功功率的平衡和电网故障期间直粱转换器由直流环节电压控制。控制器可以提高在LVRT并网光伏系统的操作。文献[12]表明注入的最大额定电流逆变器功率最大化在LVRT能力。策略结合了一个适当的平衡正面和负电流序列。高和低能耗的生产场景限制逆变器输出电流的最大额定值,避免有功功率振荡。文献[13)提出了一种新的自适应PI控制器使用连续混合p-norm (CMPN)算法提高发电光伏系统的LVRT能力。自适应PI控制器是用来控制直粱转换器。的收益比例积分控制器由CMPN改变算法在线而不需要调整或优化。
文献[14)评论一般设计过程协同作用的控制。协同作用的控制应用于直流-直流转换器,推动中一个基本的控制律。一种自适应控制策略提供更好的大信号稳定性和负载阶跃响应时间之间的权衡。文献[15]介绍了一种实用的协同作用的控制器来调节巴克转换器,协调脉冲电流充电的电池。仿真和实验结果表明,这种非线性动态系统的协同作用的控制器是健壮的和实现更好的性能比标准的PI控制器。
本文提出一种设计的协同作用的控制器内部电流控制回路三相短时间的光伏系统。第一次描述了协同作用的控制理论。介绍了短PV系统的建模,和微分代数方程。协同作用的控制器详细推导LVRT期间正常运行和光伏系统。两个控制策略是在正常使用和LVRT PV系统的操作。一个协同作用的控制器的设计不需要线性化的光伏系统。的参数和两个协同作用的控制器都是一样的,=。协同作用的控制器的参数容易确定,和提出的控制方案是很容易实现的。Matlab中给出一个例子是根据评估的协同作用的控制器性能的协同作用的并网光伏系统的控制。chatter-free协同作用的控制,仿真结果证明了所提控制方案的有效性。
2。协同作用的控制理论
协同作用的控制是一种基于现代数学的状态空间控制方法。协同作用的控制适用于非线性的控制,动态的,高维系统。它可以完全由数学表达式进行分析。
控制系统的非线性状态方程 在哪里控制系统的状态向量,是一个连续非线性函数,的控制向量。
每个输入通道的定义macrovariables作为状态变量的函数。协同作用的控制器将系统进入歧管从任何初始运动点 在哪里的macrovector。
的动态演化macrovariable向导管是定义如下14]: 在哪里定义了系统的收敛速度。
控制向量可以被替代收购(1)(4)。系统可以控制在所需的歧管。
3所示。并网光伏系统的建模
两级发电PV系统的主电路中所描述的人物1。一个光伏阵列被连接到一个通过直流电网提高转换器和一个三相电压源变换器(VSC) [9]。
微分方程(5),(6),(7)和(8根据图可以编写)1。 在哪里 是栅极电压,的输出电压是直粱VSC转换器,然后呢是交流电。
方程(8)是基于三相()参考系。,,参考帧图所示2(16]。
方程(8)转化为(10)参考帧旋转参考系变换使用sinus-based公园。 在哪里,是公园中给出变换矩阵(11)。考虑
方程(10)可能是写在(12)和(13)。考虑 在哪里 和在(12)和(13)是控制变量,控制直粱VSC转换器。
翻译的MPPT算法计算占空比控制直流提升转换器。输入和输出的关系(直流提升转换器被描述的16)和(17)。考虑 在哪里是直流提高变换器的工作周期。
上面的模型可以用来设计并网光伏系统的协同作用的控制。
4所示。协同作用的短时间的控制光伏系统在正常操作
直流提高变换器的控制策略和直粱VSC转换器必须在并网光伏系统。实现MPPT的直流提升转换器在正常操作。翻译有很多MPPT算法;然而,本文并不对它们进行分析。
直粱万顺昌转换器控制使用本文提出的协同作用的控制。控制变量和在(12)和(13)通过协同作用的控制理论推导。
的参考价值可能从外部获得电压控制回路。 在哪里也就是说, 在哪里获得的比例,获得的积分项,直流电压的参考价值吗,下标代表一个参考价值。
有两个控制变量,因此,必须选择2 macrovariables。第一个macrovariable是
用(12),(23)和(24)(25),第一个控制变量计算(26)如下:
第二个macrovariable被选中 在哪里是一个常数。
控制变量和计算(26)和(28),分别以保证系统稳定正常运行。并网光伏系统的协同作用的控制方案如图3。
5。在LVRT协同作用的控制
光伏系统应保持联系和支持与无功功率在电网电压下降。因此,参考价值是,这取决于电压大小。图4描述了在电网故障时电压支持的原则(17]。
图的横坐标4代表,纵坐标。和,在那里是目前电压在故障期间,是额定电压,是电压在故障之前,无功电流,是额定电流,是之前的无功电流的错。如果电压下降超过10%的额定电压、发电机应该提供一个无功电流达到至少2%的额定电流为每个电压下降的百分比在断层识别后20 ms (17]。如果电压下降超过50%的额定电压、发电机必须注入电网的无功功率额定电流的100%。
的局限性我d是聚氨酯,所以目前不会大于额定电流。
如果光伏阵列的最大功率在MPP小于电源,最大功率可注入到电网。翻译一个MPPT LVRT期间获得的最大使用权力和经济利益,和控制策略是一样的正常运行。
如果光伏阵列的最大功率在MPP比权力,设置和光伏阵列的输出功率等于权力的平衡。使用控制策略如下:
第一个macrovariable被选中
方程(28)也用于LVRT期间第二个控制变量。
不使用翻译一个MPPT和责任周期D是由一个比例积分控制器调节直流环节电压。 在哪里的初始值吗。
直流提高变换器的工作周期是由(31日)和(32LVRT期间)。直粱万顺昌转换器控制的基础上(28)和(30.)。
上述控制策略如图所示5。
方程(26)和(30.)根据协同作用的控制算法。是变量,计算(22)在正常操作。因此,(26)是获得控制光伏系统的正常运行。是一个常数,(30.)是在LVRT派生的第二控制策略。方程(26)和(30.)在不同的操作条件下使用的并网光伏系统。
直流环节电压应保持稳定,保持良好的光伏系统的操作。这需要在光伏系统功率平衡。如果直粱变换器功率注入电网的光伏阵列的输出功率,将会增加。如果转换器的输出功率是一样的光伏阵列的输出功率,不会改变。这两种控制策略能满足功率平衡的光伏系统在正常操作和LVRT期间。
光伏阵列工作在MPP,因为翻译的MPPT在正常操作。如果转换器的输出功率小于光伏阵列的输出功率增加时,直流电压调节器将产生更大的的基础上(22)。协同作用的控制将导致更多的输出功率转换器后,实现光伏系统功率平衡调节过程。
协同作用的控制保持输出功率第二个转换器的LVRT期间控制策略。如果光伏阵列的输出功率大于和增加时,直流电压调节器将更小D根据(31日)和(32)。光伏阵列的电压将会增加根据(17),其输出功率将减少由于光伏阵列的电压特性。光伏系统的功率平衡,将再一次完成将返回其参考价值。
直粱转换器可能损坏由于大电流通过。这两种控制策略可以在正常运行和防止变频器过流LVRT。
6。案例研究
《Matlab软件提供了一个例子详细的100千瓦的发电光伏阵列模型(9]。控制器的例子是适应评估性能的协同作用的并网光伏系统的控制。
例子包括一个光伏阵列的开路电压321 V。500 V,额定交流电压是260 V。配电变压器的电压比25 kV / 260 V。
6.1。正常运行仿真
MPPT用于案例研究是基于增量电导与积分控制器,可以保证系统运行在MPP辐射强度和温度变化迅速。
直粱转换器控制使用一个协同作用的控制方案。方程(26)和(28根据符号)重写在Matlab的例子(9]:
图6显示了VSC主控制器包含协同作用的控制。
全称为监管机构图6构造的基础上(22)。锁相环的输入和测量块初级电压和电流配电变压器。物体跟踪的频率和相位正弦三相信号并执行公园从三相转换(美国广播公司)参考系dq0参考系。图中的协同作用的控制块6是一个Matlab函数块。它包括Matlab代码。代码计算2控制变量,和,(33)和(34)。控制变量转换为三相电压的参考价值生成PWM和控制VSC转换器。
的参数 和选择和应用(22),(33)和(34)。的设置是和在正常运行仿真。标准测试条件是1000 W / m2辐照度和25°C的温度。太阳辐照度的变化如图7。图8描述了模拟温度的变化。
翻译的MPPT调节器改变占空比调节光伏电压跟踪最大功率。在启用了翻译证交会,MPPT和图9显示了光伏阵列输出功率。最高功率为100.4千瓦的标准测试条件。VSC转换器提供网格通过协同作用的控制。
均方根(RMS)的初级电压配电变压器是恒定的。电流的均方根成正比的权力。图10显示了一次电流配电变压器。
数据9和10表明,并网光伏系统可以跟踪最大功率和交付能力迅速辐射和温度变化时的网格。系统运行稳定。
公共汽车在正常运行电压可能会改变。模拟电压波动是在标准的测试条件来执行。图11描绘了一个25 kV母线电压。RMS的减少了10%秒。
当前的如图12。增加当总线电压降低。
最大功率不会改变,因为太阳辐照度和温度恒定在标准测试条件。图13表明功率注入电网在电网电压波动几乎是常数。这意味着协同作用的控制执行在正常操作。
6.2。LVRT模拟
LVRT是发电机的能力在短时间内保持连接到电网电压下降。LVRT发电机控制系统的一个重要特性。有几个标准(LVRT需求17,18]。图14显示了LVRT要求(19]。这些需求可以用于大型太阳能装置。
三个用例是用来测试在LVRT性能协同作用的控制。仿真软件的三相断块连接在网格工具来模拟三相短路电弧电阻。
光伏系统的特点是测试第一当总线电压由于电网故障减少30%。无功电流的参考价值是聚氨酯的基础上4。的局限性是和力量聚氨酯。光伏阵列的最大功率在MPP 0.48 pu模拟时在500 W / m的辐照度2和温度25°C。第一个控制策略是使用,因为光伏阵列的最大功率在MPP小于。设置;另一个设置是相当于正常运行仿真中使用的那些。方程(22),(33)和(34使用翻译)和MPPT。电压的均方根减少了30%年代,仿真结果如图15- - - - - -17。
图15描绘了注入电网的无功功率。光伏系统提供了电网的无功功率在LVRT 42千乏。
有功功率注入到电网图所示16。注入的有功功率为47.2千瓦,当无功功率注入电网42千乏在栅极电压的下降30%。在MPP光伏阵列的最大功率是交付给网格,并充分利用太阳能。
额定一次电流3.3 A。图17显示,初级电流小于其额定价值。因此,光伏系统可能保持连接到电网,为电网提供47.2千瓦和42千乏栅极电压由于减少了30%的电网故障。
然后,模拟时将测试表现协同作用的控制栅极电压降低到0.2聚氨酯。第二,因为使用控制策略根据图4和。责任周期D根据计算(31日)和(32)。方程(30.使用符号()是重写9]:
方程(31日),(32),(34)和(35)用于计算控制直流提高变换器的控制变量和在LVRT VSC转换器。的参数是 和。的设置是 和聚氨酯。
配电系统发生三相短路sec的LVRT模拟。总线电压降低到0.2短路期间聚氨酯。和如数据所示18和19,分别。在图25 kV母线电压18降低到0.2后聚氨酯秒。
小波动电压下降后的一次电流出现。的峰值在LVRT小于两倍的正常运行。
电流和描绘在图20.。和0−1聚氨酯监管,分别下降。光伏系统保持联系和支持电网的无功功率。
直流环节电压如图21。它略有波动,然后蘸后仍然保持在500 V。
另一个模拟是为测试性能的协同作用的控制总线电压为0.05 pu。第二个控制策略是使用。在公共汽车上应用三相短路秒,和总线电压降低到0.05 pu模拟故障电弧的电压。当前的设置和聚氨酯,以避免大电流。当前的参考价值是聚氨酯,向电网提供无功功率秒。图22显示了抑制三相中的电流。电流的最大值小于2.0 pu。协同作用的控制可以限制在LVRT峰值电流。
的例子9)与PI电流调节器控制和模拟光伏系统的正常运行。监管机构(31日)和(32)添加到示例模拟的LVRT光伏系统。和聚氨酯是固定的。两个参数PI电流调节器的控制从0.3和20(正常运行)0.03和0.002,分别LVRT。因此,电流调节器的参数调优与PI控制是很困难的。喋喋不休的主要障碍了滑模控制系统(10]。概率小波模糊神经网络(PWFNNs)包含一个成员层,概率层、小波层、规则层(11]。PWFNNs非常复杂,很难确定PWFNN参数。的收益比例积分控制器(13)必须改变在线使用CMPN算法改进的LVRT能力发电的光伏系统。
本文中描述的协同作用的控制器的参数在正常操作期间不变在LVRT,和参数=。没有需要更改的参数协同作用的控制器与一个复杂的算法。因此,协同作用的控制器的参数优化是容易的,足够强大的控制器是用于光伏系统。协同作用的控制器的设计很简单,不需要线性化的光伏系统。此外,提出的控制方案是很容易实现的。协同作用的控制是chatter-free并显示良好的静态和动态性能。
不对称短路故障可能发生在电力系统。不平衡电网电压是由积极的、消极的,零序电压分量。这里不考虑零序,因为三线系统。不平衡电网电压跌落会造成性能恶化的转换器。负序列导致直流环节电压波动、谐波功率。正面和负序电流同时应控制来改善控制性能。文献[20.)独立的电流控制器用于正面和负面的序列。协同作用的控制可用于两个电流控制器分别控制正面和负序电流。可以使用协同作用的控制对提高光伏系统的性能在不平衡电压凹陷。
7所示。结论
太阳能是一种重要的可再生能源技术,不产生污染。光伏系统发展迅速,大多数光伏系统的发电。短时间的控制研究光伏系统有助于提高配电网的运行和光伏系统。
协同作用的控制可用于短时间控制的光伏系统。一个协同作用的控制器的设计不需要线性化的光伏系统。计算控制变量的数学表达式可以推导出根据协同作用的控制算法和短时间PV系统的数学模型。两种控制策略LVRT期间正常运行和使用。的参数和的两个协同作用的控制器都是相同的。协同作用的控制器的参数容易确定,和结果表明,协同作用的控制器是健壮的。并网光伏系统可以获得最大功率点和注入的力量迅速辐射和温度变化时的网格。直流环节电压和交流电流是有限的,和直粱VSC转换器LVRT期间不损坏。光伏系统可以运行聚氨酯不断向电网提供无功功率,当电网电压降低到0.05聚氨酯。
协同作用的控制具有良好的动态特性在正常操作和LVRT发电光伏系统的替代解决方案。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(51177074,51177074)和江苏省自然科学基金(BK20151548)。