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能源的急速消耗和环境的日益污染严重限制了人类进一步的发展,而光伏发电因其安全性能好、运行与维护成本低、易于普及与发展范围广等优点被广泛应用,最影响新能源发电系统的因素是系统控制性能的优劣[1]。新能源并网发电系统一般采用两级式的功率变换拓扑形式[2-3]。常规的两级式光伏发电系统,前级是升压功能的Boost模块,可实现光伏发电系统的最大功率点追踪功能;后级是逆变功能的DC/AC模块,对逆变器进行优化控制,实现电网的并网逆变[4-6]。
目前,由于光伏并网逆变器中谐波的存在使并网电流发生畸变,造成并网控制器的设计困难。国内外学者在改善并网电流及其相关并网指标这一领域进行大量研究:文献[7]将自适应谐波补偿应用在逆变器中,对特征谐波进行检测并滤除进而消除谐波的影响。但该方法的基础不适用于两级式单相并网系统,提出的控制系统模型有待改良。文献[8]在推导出稳态时直流母线电压纹波与电压控制器的数学关系基础上,设计了一种2次谐波发生器补偿母线电压纹波,消除了母线电压纹波对逆变器的影响。然而该方法只对2次谐波进行了补偿,无法对其他低次谐波进行补偿。文献[9-10]运用神经网络对控制器进行优化,减小了谐波的影响。由于补偿增益难以精确整定,因此存在补偿精度不高,抗畸变能力弱等缺陷。文献[11-12]先通过单相d-q坐标变换将单相交流量转换为直流量,再通过PI控制实现无静差并网电流调节,但无法较好适应直流侧波动、电网电压谐波等原因造成的影响,使并网电流发生畸变。
本文针对以上方法的不足,构造了同步坐标系下附带谐波补偿环节的双环比例积分控制,根据LM-BP神经网络自适应调节谐波的补偿增益,使并网电流的波形更加优化,降低了系统中谐波造成的影响,利用MATLAB仿真研究以及实验验证,证明了该方法的可行性。
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利用仿真软件MATLAB/Simulink搭建两级式单相并网逆变系统仿真模型,验证本文提出的自适应特征谐波补偿优化并网电流的方法,所用参数如表 1所示。
元件 参数 网侧电压${U_s}/{\rm{V}}$ 220 系统频率$f/{\rm{HZ}}$ 50 滤波电感${L_f}/{\rm{ \mathsf{ μ} H}}$ 800 滤波电容${C_f}/{\rm{ \mathsf{ μ} F}}$ 50 直流侧电容${C_{{\rm{dc}}}}/{\rm{ \mathsf{ μ} F}}$ 1 000 直流母线电压参考${U_{{\rm{dc}}}}/{\rm{V}}$ 400 -
在前级直流侧电压波动为6 V条件下,将牛顿法得出的结果与本文改进方法结果进行比较,得到如图 6所示的结果。
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为了进一步验证本文电流跟踪优化方法的有效性,搭建了一套额定功率为2 kW的两级式单相光伏并网逆变器实验平台,波形采集装置为含数据采集卡的LABWINDOWS/CVI实验平台,逆变装置采用INF-50组件,DSP选用工作频率为2.5 ${\rm{GHZ}}$,芯片为AMD OPERATOR的DS1006,光伏发电装置采用BK_PVS60085MR组件,日照强度设置为1 000 W/m2,温度为25 ℃,实验参数与仿真一致,得到结果如图 7所示。
图 7中,由于死区时间、前级直流电压波动等造成的影响,在传统的双环PI控制方法中,单相光伏并网逆变系统的并网电流总畸变率(THD)达到3.52%,主要由3次、5次、7次、9次等谐波组合而成;而应用本文提出的基于LM-BP神经网络,将特征谐波消除策略应用于优化并网电流,选择性补偿了对电流畸变影响最大的3次、5次、7次、9次低频谐波,优化了电流波形,使THD降为1.32%。
比较图 7改进特征谐波消除法仿真与图 8实验图形,忽略实验平台由于死区时间、带宽限制、采样率低对波形造成的影响,观察并网电流波形,在并网电流波峰与波谷处有明显的畸变现象,仿真结果与实验结果一致。