CN110138253A - 一种多谐振pr和pi联合控制的光伏并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，包括以下步骤：S01，在准PR控制器中加入高次谐波补偿环节，构成多谐振PR控制器；S02，将给定并网电流I_ref与实际并网电流I_L的差值作为多谐振PR控制器的输入；S03，将并网电流直流量参考值I_L‑dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入；S04，将多谐振PR控制器的输出与PI控制器的输出相加后作为逆变器开关管开通与关断的控制信号；S05，求取实际并网电流I_L的平均值对实际并网电流I_L的等效比例增益k_IL。本发明提供的一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，既抑制电网电压谐波与畸变对并网电流的影响，又消除并网电流的直流分量，实现非隔离型光伏并网逆变器的高质量控制。

Description

一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，属于新能源光伏发电技术领域。

背景技术

随着传统化石能源危机与环境污染问题的日益严重，具有节能环保特点的光伏发电技术已引起世界范围的高度重视。并网逆变器是光伏发电***的重要组成部分，其控制技术是获得高质量并网电能的关键。目前光伏并网逆变器控制技术有：重复控制、滞环控制、无差拍控制、PI控制、预测电流控制和PR控制。上述控制技术虽然在一定程度上能够满足控制要求，但都存在缺点。传统的单一重复控制动态性能较差；滞环控制会使开关频率不固定，导致不必要的损耗；无差拍控制对参数依赖性较强；PI控制对交流控制信号无法实现无静差控制，对各高次电流谐波缺乏足够的抑制能力；预测电流控制由于采样计算延时总是差一拍控制；PR控制虽然能实现对交流信号的无静差控制，却不能消除直流分量。为此需要考虑联合控制方案，实现取长补短，达到最优控制。

发明内容

本发明对单相非隔离型光伏并网逆变器提出一种多谐振PR和PI联合并网电流控制方法，可以在实现并网电流与参考电流零误差的同时，既抑制电网电压谐波与畸变对并网电流的影响，又消除并网电流的直流分量，实现非隔离型光伏并网逆变器的高质量控制，以解决现有光伏并网逆变器控制技术的缺陷。

一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，其包括以下步骤：

S01，在准PR控制器中加入高次谐波补偿环节，构成多谐振PR控制器；

S02，将给定并网电流I_ref与实际并网电流I_L的差值作为多谐振PR控制器的输入，得到多谐振PR控制器的输出；

S03，将并网电流直流量参考值I_L-dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入，得到PI控制器的输出；

S04，将S02中多谐振PR控制器的输出与S03中PI控制器的输出相加后作为逆变器开关管开通与关断的控制信号；

S05，求取实际并网电流I_L的平均值对实际并网电流I_L的等效比例增益k_IL；

S06，将逆变器输出电压与电网电压的差值经过LC滤波电路后得到并网电流I_L；

S07，得到多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器的传递函数。

S01中，多谐振PR控制器的传递函数为：

其中：G_PR(s)为为多谐振PR控制器的传递函数，s为复频域算子，ω₀为电网电压基波频率，ω_c为截止频率，k_p为比例系数，k_r为谐振系数，k为谐波次数。

S02中，直流母线电压U_bus与电压基准值U_ref的误差经过PI控制器调节得到并网电流的基准幅值I_r，经锁相环控制算法得到电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值I_r相乘得到电流内环参考信号I_ref。

S03中，PI控制器的传递函数为：

其中：s为复频域算子，k_p1为比例系数，k_i为积分系数。

k_p＝10，k_r＝100，ω_c＝4.396。

S07中，多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器的传递函数具体如下：

式中，I_L为实际并网电流，I_ref为给定并网电流，L为滤波电感值，K为逆变器的等效比例增益，k_IL为并网电流的直流量对实际并网电流I_L的等效比例增益。

L＝L₁+L₂，其中L₁和L₂为并网滤波电感。

本发明的有益效果：本发明提供一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，使用多谐振PR控制算法抑制了电网基波及各次谐波电压对并网电流的影响，消除了并网交流电流的幅值和相位误差，使用PI控制消除了并网电流直流分量，多谐振PR和PI的联合控制可获得高质量的并网电能。

附图说明

图1为本单相光伏并网发电***结构示意图；

图2为本发明的多谐振PR和PI联合控制的光伏并网电流控制框图；

图3是取不同ω_c时多谐振PR控制器波特图；

图4是取不同k_p时多谐振PR控制器波特图；

图5是取不同k_r时多谐振PR控制器波特图；

图6是多谐振PR控制器波特图；

图7是多谐振PR和PI联合控制算法下输出的电流和电网电压波形图；

图8是加入直流偏移量后多谐振PR与PI联合控制算法下输出的电流波形图。

图9是加入直流偏移量后多谐振PR与PI联合控制并网电流频谱图；

图10是基于多谐振PR和PI联合控制输出的并网电流图；

图11是基于多谐振PR和PI联合控制输出的并网电流频谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本单相光伏并网发电系包括光伏阵列、Boost电路、Heric全桥逆变器、LC滤波器与控制器。C₀为升压储能电容器，用于稳定光伏阵列输出电压；Boost升压电路将光伏阵列的电压升高到400V左右；Heric全桥逆变器将400V直流电压逆变为220V交流电压。控制器包括电压外环和并网电流内环，电压外环的作用为：将直流母线电压U_bus与电压基准值U_ref的误差经过PI调节得到并网电流的基准幅值I_r，经锁相环控制算法得到电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值I_r相乘得到电流内环参考信号I_ref。电流内环的作用为：参考信号I_ref与实际并网电流I_L的误差经过多谐振PR与PI联合控制器后输出SPWM信号，驱动Heric全桥逆变电路的功率开关管，实现逆变并网过程。电压外环主要实现功率平衡，当光伏电池的输入功率增加时，母线电压会瞬间抬升，电压外环通过增加基准电流的幅值从而实现网侧并入电网功率的增加。电流内环主要实现对参考电流的跟踪控制，使得并网电流可以与电网电压同频同相。

附图2是本发明的多谐振PR和PI联合控制的光伏并网电流控制框图。U_grid为电网电压，逆变器输出的并网电流I_L为控制对象。

步骤一，在准PR控制器中加入高次谐波补偿环节，构成多谐振PR控制器，多谐振PR控制器的传递函数为：

其中：G_PR(s)为多谐振PR控制器的传递函数，s为复频域算子，ω₀为电网电压基波频率，ω_c为截止频率，k_p为比例系数，k_r为谐振系数，k为谐波次数。

步骤二，将给定并网电流I_ref与实际并网电流I_L的差值作为多谐振PR控制器的输入，得到多谐振PR控制器的输出。

步骤三，将并网电流直流量参考值I_L-dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入，得到PI控制器的输出，PI控制器的传递函数为：

其中：s为复频域算子，k_p1为比例系数，k_i为积分系数。

步骤四，将步骤二中多谐振PR控制器的输出与步骤三中PI控制器的输出相加后作为逆变器开关管开通与关断的控制信号。

步骤五，求取实际并网电流I_L的平均值对实际并网电流I_L的等效比例增益k_IL。

步骤六，将逆变器输出电压与电网电压的差值经过LC滤波电路后得到并网电流。

步骤七，得到多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器的传递函数，具体如下：

式中，I_L为实际并网电流，I_ref为给定并网电流，L为滤波电感值，L＝L₁+L₂，其中L₁和L₂为电感，K为逆变器的等效比例增益，K的大小为直流侧电压同三角载波幅值的比值，k_IL为并网电流的直流量对实际并网电流I_L的等效比例增益。

在本实施例中，并网电流内环的结构已经确定，仅需对电流控制内环中的传递函数进行确定，即可实现其功能。下面详细说明如何确定多谐振PR控制器和PI控制器传递函数的各个参数。

(1)多谐振PR控制器参数确定

在多谐振PR控制器的传递函数的参数中，k是要补偿的谐波次数，由于k值是固定的，故其主要设计参数为k_p、k_r及ω_c，再设计兼顾抑制基波及谐波电压影响的参数。

1)在基波频率下多谐振PR控制器的参数设计

基频时，k＝1，截止频率ω_c取不同值时的波特图如图3所示。由图3可知，随着ω_c值的增大，基频处的带宽随之增大，只要取合适的ω_c值，便能消除电网频率波动对并网电流的影响，电网***正常运行情况下频率波动在±0.2Hz内，考虑电网频率波动在最恶劣的情况，并留取一定的裕量，频率波动范围在±0.7Hz内，由带宽公式ω_c/π＝1.4Hz，算得ω_c最大值可取4.396rad/s。

确定了ω_c值，再确定k_p、k_r。取k_r＝10，取不同k_p值，得到图4所示波特图，可见随着k_p值增大，***对电网频率波动的抗干扰性下降，谐振作用减小，故k_p不能取得过大。取ω_c＝4.396rad/s，k_p＝3，再取不同的k_r值，得到图5所示波特图，可见k_r值取得越大，在基频处的增益也会随之增大，对于电网频率的波动容忍度也随之增大。

2)在谐波频率下控制器的参数设计

随着多谐振PR控制器补偿次数的增加，即k大于1次时，***容易在谐振频率处发生相位穿越，导致***稳定性下降，相位裕度随补偿次数的增加而恶化，在多个高频谐振并联使用的场合，需要适当补偿，考虑到单相电网主要谐波次数为3次、5次和7次，所以多谐振PR控制器可只补偿到7次。

利用频域分析法对多谐振控制器参数进行设计，设计遵循两个原则：①在谐振频率处要取得很大增益，同时确保在谐振频率处的带宽要合适，从而降低频率波动带来的影响。②避免多个谐振器的带宽相互重叠。取k_p＝10，k_r＝100，ω_c＝4.396，得图6所示的波特图。从图6可见，相应补偿的谐波次数在其谐振频率处取得较理想的增益，说明多谐振PR控制器能够对3次、5次、7次电网谐波电压的影响进行消除。从图6可见基频处的增益也很大，即取k_p＝10，k_r＝100，ω_c＝4.396，基波电压对并网电流的影响也得到消除，多谐振控制器参数设计合理。

(2)PI控制器的参数设计

PI环节的比例系数k_p1取值过大会导致***不稳定，而取值过小又影响抑制直流分量的响应时间；PI环节的积分系数k_i取值过小时将影响***抑制直流分量的响应时间，而取值过大会导致整个***出现明显的欠阻尼振荡，因此必须合理设定PI控制器的参数，使***同时具有较好的稳定性和动态性能。本发明中PI控制器参数取k_p1＝1，k_i＝10。

下面通过一个仿真来说明本发明对逆变器并网电流控制的效果，仿真电路如图1所示，主电路参数如下：主电路直流母线电压U_bus＝380V，电网电压U_grid为交流220V，并网电流20A，电网频率50Hz，逆变器开关频率16kHz，输出电感L₁＝L₂＝1mH，滤波电容C₂＝3.3μF。多谐振PR控制器和PI控制器传递函数的各个参数根据上述步骤确定，取k_p＝10，k_r＝100，ω_c＝4.396rad/s。PI控制器参数取为：k_p1＝1，k_i＝10。

图7是多谐振PR与PI联合控制时并网电流和电网电压波形，可见并网电流能够很好的跟踪电网电压，相位稳态误差被消除。

若给并网参考电流加入直流偏移量，取i_ref＝20sin(ω₀t)+2，图8为使用多谐振PR和PI联合控制下输出的并网电流，在ω₀＝0处增益为零，使得2A的直流分量变为0A，达到了消除直流分量的效果，图9为多谐振PR与PI联合控制下的并网电流频谱图，可以看出多谐振PR与PI联合控制的电流畸变率几乎消除，且在0Hz处的幅值为零，说明直流分量被消除。

进一步对本发明实施例的逆变器并网电流控制效果进行实验验证，采用TI公司的32位定点DSP芯片TMS320F28335作为控制核心，逆变器开关频率16kHz，主电路直流母线电压U_bus＝380V，输出滤波电感L₁＝L₂＝1mH，滤波电容C₂＝3.3μF，输出交流电压210V～264V，频率50Hz，实际输出电流取3A，电网电压为交流220V，频率为50Hz。

图10为采用多谐振PR和PI联合控制输出的并网电流，可以看出多谐振PR和PI联合控制可以使并网电流i_L能够很好的跟踪电网电压U_grid，无相位稳态误差；通过PA3000功率分析仪测得多谐振PR和PI联合控制时并网电流总谐波含量为2.61％，并网电流谐波频谱图如图11所示，并网电流3、5、7次谐波分量基本趋于零，小于国际标准规定的5％，表明光伏并网逆变器中采用多谐振PR和PI联合控制的可靠性和优越性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01，在准PR控制器中加入高次谐波补偿环节，构成多谐振PR控制器；

S02，将给定并网电流I_ref与实际并网电流I_L的差值作为多谐振PR控制器的输入，得到多谐振PR控制器的输出；

S03，将并网电流直流量参考值I_L-dc与并网电流直流量的差值作为PI控制器的输入，得到PI控制器的输出；

S04，将S02中多谐振PR控制器的输出与S03中PI控制器的输出相加后作为逆变器开关管开通与关断的控制信号；

S05，求取实际并网电流I_L的平均值对实际并网电流I_L的等效比例增益k_IL；

S06，将逆变器输出电压与电网电压的差值经过LC滤波电路后得到并网电流I_L；

S07，得到多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器的传递函数。

2.根据权利要求1所述的一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：S01中，多谐振PR控制器的传递函数为：

其中：G_PR(s)为多谐振PR控制器的传递函数，s为复频域算子，ω₀为电网电压基波频率，ω_c为截止频率，k_p为比例系数，k_r为谐振系数，k为谐波次数。

3.根据权利要求1所述的一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：S02中，直流母线电压U_bus与电压基准值U_ref的误差经过PI控制器调节得到并网电流的基准幅值I_r，经锁相环控制算法得到电网电压相位正弦值sin(ωt+θ)，sin(ωt+θ)与并网电流的基准幅值I_r相乘得到电流内环参考信号I_ref。

4.根据权利要求1所述的一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：S03中，PI控制器的传递函数为：

其中：s为复频域算子，k_p1为比例系数，k_i为积分系数。

5.根据权利要求2所述的一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：k_p＝10，k_r＝100，ω_c＝4.396。

6.根据权利要求1所述的一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：S07中，多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器的传递函数具体如下：

式中，I_L为实际并网电流，I_ref为给定并网电流，L为滤波电感值，K为逆变器的等效比例增益，k_IL为并网电流的直流量对实际并网电流I_L的等效比例增益。

7.根据权利要求6所述的一种多谐振PR和PI联合控制的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：L＝L₁+L₂，其中L₁和L₂为并网滤波电感。