CN104104254A - 基于svpwm的光伏逆变器电感的补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于SVPWM的光伏逆变器电感的补偿控制方法,通过测量***的DC/AC侧电感随并网电流变化值，进行拟合，建立电感随并网电流变化曲线，根据实际的电流与通过拟合曲线获得的电感的感值，调节逆变器相应控制传递函数关系，进而通过逆变控制调整输出量，从而实现非理想特性电感补偿。完成逆变器高效、稳定且最具经济型控制***；本发明对逆变控制策略导致无法对相进行单独控制的非理想特性电感控制策略进行相应改进，实现SVPWM控制策略下，非理想特性电感逆变控制。

Description

基于SVPWM的光伏逆变器电感的补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏逆变器的电感补偿控制方法，具体的涉及一种基于SVPWM的光伏逆变器电感的电感补偿控制方法。

背景技术

光伏发电技术是光伏应用领域一项非常重要的技术，具有清洁、安全、寿命长以及维护量小等诸多优点，被认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己经超过离网应用，近几年的增长速度都在40％以上，成为世界光伏工业的最主要发动机。光伏并网发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。

太阳能光伏发电技术是将太阳辐射能转变为电能的一项非常重要的技术。而在光伏发电***的研究中以光伏并网发电***的研究成为最新亮点。光伏并网发电是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向，是世界各发达国家在光伏应用领域发展的热点和重点，也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。

随着光伏并网发电***的研究不断增多，并网逆变器的研究也随之增加。无论是家庭式的小型发电***，还是大的局部电网馈能***都需要可靠、高效和廉价的并网逆变器。逆变技术，是电力电子技术中的一个重要组成部分。逆变器的设计要满足***稳态特性、动态特性、可靠性和效率四个方面的指标要求。要达到这些指标，一方面要合理设计主电路，在考虑成本的同时，对器件的容量留有一定的裕量，另一方面合理设计控制***。控制***是逆变器功能实现的核心，大部分性能指标的实现依赖控制***。

目前，光伏逆变器在硬件逆变拓扑电路中，在DC/AC侧的光伏逆变器的滤波电感的根本作用，在于通过电感的储能和续流，即通过LC网络，将输入端的正弦波脉宽调制方波进行平滑，使电路的输出端滤波电容器两侧得到标准平滑的正弦电压波形。由于逆变器并网采用电流型控制模式，客观上逆变器必须向电网输出符合高次谐波法规的电流波形。逆变器的载波频率为16KHz～20KHz左右，即便是大型发电站式光伏逆变器的载波频率，也远远高于50Hz的39次谐波(1950Hz)，因此，实质上载波频率的纹波并不会明显影响高次谐波分量。以就是说，即便输出滤波器中的滤波电感量很小，只要控制得当，调节好闭环电流控制参数，并网时电流的高次谐波分量是不会太差的。然而实际情况视乎并不是如此，大多数情况下，在滤波电感量比较小时，往往会发现高次谐波分量也比较高。其主要原因是，当输出滤波器的感量偏低时，特别是当电感量随着电流的增长，出现感量大幅下降时，由于感量不是固定的常数，闭环传递函数也不同；不注意的话小电感值有时还会导致***采样误差、交流过零判别的不准确。控制***的闭环参数不匹配时，容易发生***的振荡，从而出现了较差的高次谐波。此时，电流波形的失真，常常还会伴随出现比较大的音频噪音。

解决这一问题有2种方法：

方法1：尽量提高滤波电感量，并尽量使电感保持一个固定值，使之不随电流大小改变而改变。这种办法的缺点是大幅增大了电感的成本。目前中小功率光伏逆变器中广泛采用的大容量非晶电感以及大型发电站用逆变器中的硅钢片类的电感均为这样的考虑；

方法2：采用高性能低损耗、具有较大斜降特性的新型电感，通过调整闭环控制模型，优化控制参量，使***适应高频化、小感量的设计。通过提高***的软件控制水平，来取得更好的产品性价比，以提高产品技术核心竞争力。

对于这种新型高效电感的设计，和Boost电感设计要求一样，要求该电感在大纹波电流工作时，保持极佳的效率。由于其电感量可以设计成比较小的感值，即使要求直流内阻较低，用铜量也能得到大幅的控制。对于磁性材料中的ΔB磁场变化率大的问题，同样地采用Hybrid Magnetics技术，可以控制磁性的损耗、减少漏磁的存在，达到很少的用铜量也能保持很低的内阻的目的。

鉴于单相、3相交流线路上分别需要2个和3个相同感量的滤波电感，为了进一步减小体积，提高磁性材料的利用率，还可以采用单相耦合式和3相耦合式电感设计的方案。

此外，对于大功率应用，无论是Boost电感还是滤波电感，因其电感量偏小，电流纹波大的特点，绕线的高频集肤效应和层间的接近效应也会比较明显，为此可采用长宽比大的方形扁铜线进行立式绕制，最大限度改善其高频损耗。

就像上述所说，当前很多逆变器产品，尽量提高滤波电感量，并尽量使电感保持一个固定值，使之不随电流大小改变而改变的方法来解决控制***的闭环参数不匹配时，容易发生***的振荡，出现了较差的高次谐波，以及电流波形的失真，常常还会伴随出现比较大的音频噪音，其缺点是大幅增大了电感的成本，由于非晶特性，将带来噪音与功率损耗等问题，同时增加***体积，与当前高效、最优设计不符合。

另一方面，采用SVPWM(即空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation))控制***而言，将采集到的三相电流转换为DQ旋转坐标系中的量，对于控制，采用SVPWM控制无法实现每一相单独控制，因此，无法采用电流瞬时值换算为电感值来调节***传递函数，实现***稳定控制。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种基于SVPWM的光伏逆变器电感的电感补偿控制方法：

通过测量***的DC/AC侧电感随并网电流变化值，进行拟合，建立电感随并网电流变化曲线，根据实际的电流与通过拟合曲线来获得的电感的感值，调节逆变器相应控制传递函数关系，进而通过逆变控制调整输出量，从而实现电感的补偿。

为实现上述的目的，本发明采样如下的技术方案：

一种基于SVPWM的光伏逆变器电感的电感补偿控制方法，

所述方法包括如下步骤：

步骤1：通过测量***的DC/AC侧电感随并网电流变化值，获得拟合模型，并将该模型存储于DSP中，

步骤2：DSP根据获得的DC/AC侧的电流，通过所述拟合模型获得电感的感值，来调整DC/AC侧***传递函数；

调整***相应控制逻辑。

优选的，所述步骤1中还包含：所述DSP根据DC/AC侧DQ旋转坐标系下的电流通过拟合的模型获取当前电感值。

进一步的，所述DQ旋转坐标系下电流与实际电流存在1.414倍的关系。

优选的，所述步骤2中，通过根据DC/AC侧传递函数修改指令，调整DC/AC侧的相应参数来调整***DC/AC侧闭环传递函数。

优选的，所述步骤2中还包含：根据步骤1中实际的电流范围，设定最大电流值。

优选的，本发明的一个实施例还提供一种搭载基于SVPWM的光伏逆变器电感的补偿控制方法的光伏逆变器。

有益效果：

本发明基于光伏逆变器的非理想特性电感补偿控制方法，通过硬件非理想电感与电流的变化，对其传递函进行相应调整，从而实现非理想特性电感补偿控制，采用当前非理想电感，降低了电感成本、压缩了体积、降低了***噪音与功耗，提高光伏逆变器并网稳定性与可靠性，提高了***发电效率。本发明解决了非理想特性电感在逆变器控制策略中的难点，本发明可以利用到风电逆变器、UPS等所有电力电子拓扑电路中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将实施例的所包含技术描述中需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图都在本发明的保护范围之内。

图1为光伏发电***的结构***示意图，

图2为DC/AC侧电感随电流变化曲线，

图3为未采用本发明控制策略并网电流波形，

图4为采用本发明控制策略并网电流波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清查、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为光伏发电***的机构***示意图，该***包含，光伏电池模块1，主要由DC/DC 2及DC/AC3组成的逆变模块，控制器5，以及电网4。光伏电池模块1产生的直流电经过逆变模块逆变后生成符合要求的交流电并入电网4，控制器5包含有DSP(图未示)通过采集到的DC/AC3侧的信息(DC/AC侧电感随并网电流变化实时曲线)情况来控制逆变模块。

本技术方案中的控制单元由数字信号处理器(Digital Signal Processor简称DSP)组成。

对于图2中横轴表示电流，纵轴表示非线性电感的感值，该图表示非线性电感的感值随电流变化情况。

如图3所示，在图3中，两条曲线表示为逆变器并网输出电流，由图可以看出，出现了较差的高次谐波。此时，电流波形的失真，常常还会伴随出现比较大的音频噪音。

如图4所示，在图4中，两条曲线表示同相位的电压电流信号，在采用本方案的控制策略后，并网电流波形无振荡，实现非理想特性电感补偿控制。

本技术方案的基本原理是：

通过测量***DC/AC侧电感随并网电流变化值，进行拟合建立电感随并网电流变化，并将该值存储于DSP中，在运行过程时，根据实际电流或者指令电流通过拟合的模型获取当前电感的感值,实际电流由通过安装在DC/AC3与电网4之间的并网接线电的电流传感器测量给出。

由本技术方案可知，电感L值减小，电流环极点逐渐往零方向移动，这可使电流环的动态响应速度变快。

本技术方案还可知，电感L值的减小，将使维持电流环稳定的Kpi(DC/AC环路中电流内环控制参数)选择范围减小。

故电感L值的这种非理想特性对***的影响是：若控制参数Kpi选择不合理，将出现电流环在小电流下稳定.而在大电流峰值处不稳定的现象。或者，Kpi为了满足大电流下的稳定性，却牺牲了小电流下的动态特性，为更好满足不同电流、不同感值情况下的稳态与动态特性，本技术方案采用根据实际或者指令电流通过拟合的模型来确定当前非理想感值量，根据感值量调节***控制参数，当电流较大，感值较小，***控制快速性加强，采用降低Kpi参数来实现***快速性、***稳定性在不同调节下处于相对一致性，从而实现非理想感值补偿控制。

但是对于SVPWM控制***而言，将采集到的三相电流转换为DQ旋转坐标系中的量，对于控制，采用SVPWM控制无法实现每一相单独控制，因此，无法采用电流瞬时值换算为电感值来调节***传递函数，实现***稳定控制，本技术方案提出了一种渐进方式来实现三线瞬时值控制策略，具体控制策略为：

由于SVPWM控制中，在某功率段，三相瞬时值矢量和为恒定值，也就是说三相电流分解到DQ旋转坐标系中的矢量关系幅值为恒定，该矢量关系幅值包括电流的正序、负序与零序，根据能量守恒定律，三相将动态调节，因此，可以采用DQ旋转坐标系中的矢量关系幅值来调整***传递函数，实现***稳定控制，对于DQ旋转坐标系中的矢量关系幅值为实际电流的峰值，由于逆变器的输出特性，该峰值电流的正序电流峰值。

本技术方案的基于SVPWM的光伏逆变器电感的补偿控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：通过测量***的DC/AC侧电感随并网电流变化值，进行拟合，建立电感随并网电流变化模型函数，并将该模型函数存储于DSP中，

步骤2：DSP根据DC/AC侧DQ旋转坐标系下电流通过拟合的模型获取当前电感值；

步骤3：DSP根据DC/AC侧传递函数修改指令，调节DC/AC侧KPI相应参数，进行控制。

条件说明：

本技术方案SVPWM的光伏逆变器电感的补偿控制方法中：

上述技术方案中，图2的说明：电感随电流变化的数据先实施测量，根据采样的电感随电流变化的值，进行拟合，建立数据模型函数，勾画出电感随电流变化曲线。

在实施时，电网母线侧输出电压为交流，采样单元使用电压传感器检测出电网母线侧的电压。由于控制单元使用的是DSP芯片，其片上自带的A/D转换器是单极性的，只能接收0-3.3V的电压信号，因此采集电压需要进行转换，这样才能和控制单元的DSP相连接。在DSP中实现光伏逆变器的逆变器非理想特性电感补偿控制方法，同与光伏逆变算法相结合来控制逆变器输出，实现光伏逆变器的非理想特性电感补偿控制。

传递函数的调整策略

输出信号的拉氏变换Y(s)与输入信号的拉氏变换U(s)比为:

传递函数的多项式形式：

$G\left(s\right)=\frac{C\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{b_0{s}^m+b_1{s}^{m-1}+......+b_{m-1}s+b_m}{a_0{s}^n+a_1{s}^{n-1}+......+a_{n-1}s+a_n},n>m$

对传递很是的多样式整理为传递函数的零极点形式：

$G\left(s\right)=\frac{C\left(s\right)}{R\left(s\right)}=K^{*}\frac{(s-z_1)(s-z_2)......(s-z_m)}{(s-p_1)(s-p_2)......(s-p_n)},n>m,K^{*}=\frac{b_0}{a_0}$

通过分析，电感的改变将影响***的零极点形式，为方便说明，假定影响***zk与zl其中K与l为***任何可能，同时本方案对参数不局限于***的一个零点或者极点。

由本技术方案可以知道，

Z_k∝L,P_l∝L

电流环稳定条件是|z|＜1，则K_P应符合：

0＜K≤2L/T

其中Z_k，P_L表示逆变器传递函数，L表示实际电感。

本技术方案中，通过实际电流值，修改传递函数。

技术效果：

本技术方案的SVPWM的光伏逆变器电感的补偿控制方法，通过硬件非理想电感与电流的变化，对其传递函进行相应调整，从而实现非理想特性电感补偿控制，降低了电感成本、压缩了体积、降低了***噪音与功耗。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于SVPWM的光伏逆变器的电感补偿控制方法，其特征在于：

所述方法包括如下步骤：

步骤1：通过测量***DC/AC侧电感随并网电流变化值，获得拟合模型，并将该模型存储于DSP中，

步骤2：DSP根据获得的DC/AC侧的电流，通过所述拟合模型获得电感的感值，来调整DC/AC侧***传递函数；

调整***相应控制逻辑。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤1中还包含：

所述DSP根据DC/AC侧DQ旋转坐标系下的电流通过拟合的模型，获取当前电感值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述DQ旋转坐标系下电流与实际电流存在1.414倍的关系。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述步骤2中，通过根据DC/AC侧传递函数修改指令，调整DC/AC侧的相应参数来调整***DC/AC侧闭环传递函数。

5.如权利要求1所述的方法，

其特征在于：

所述步骤2中还包含：

根据所述步骤1中的电流范围，设定最大电流值。

6.一种搭载如权利要求1-5中任一项所述方法的光伏逆变器。