CN102832840A - 光伏并网逆变器复合控制方法 - Google Patents

Abstract

光伏并网逆变器复合控制方法，涉及一种光伏并网逆变器。传统逆变器控制方法，逆变器输出电流总谐波畸变较大、波形质量差。本发明特征在于它包括以下步骤：检测直流母线电压和逆变器输出三相电流；根据直流母线电压计算d轴电流参考值；将逆变器输出的三相电流做变换得到d轴和q轴的电流实测值；得到电流差值；PI控制模块、谐振控制模块、重复控制模块根据电流差值分别计算得到PI控制电压补偿值、谐振控制电压补偿值、重复控制电压补偿值；PWM控制模块根据PI控制电压补偿值、谐振控制电压补偿值、重复控制电压补偿值三者的叠加结果生成PWM调制波。本技术方案抑制特定次谐波、周期性扰动，保证系统的稳定性，改善系统动态性能。

Description

光伏并网逆变器复合控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏并网逆变器。

背景技术

随着社会的发展和技术的进步，能源问题已日益突出。煤、石油等非可再生能源的大量使用，不仅无法满足可持续发展的目标，而且会对环境造成巨大的污染。以太阳能、风能、潮汐能等为代表的可再生能源，已成为未来发展新能源的重要方向。其中，太阳能光伏发电以其环保、高效、易于大规模利用等特点，受到了各国能源专家的高度重视。

作为产业化发展的重要组成部分，光伏并网发电系统得到了快速发展。并网逆变器作为发电系统与市电网络的接口，承担着传递和转换电能、提高输出电能质量的重要作用。因而，其控制技术也日渐成为各国研发人员关注的焦点。然而，传统的基于电压电流双闭环PI控制的逆变器控制方法虽然能够在一定程度上满足系统对控制性能的要求，但是由于电网扰动及开关器件非理想因素的影响，逆变器输出电流总谐波畸变（THD）较大、波形质量变差。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供光伏并网逆变器复合控制方法，以达到优化逆变器输出电波、保证系统动态性能的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）检测直流母线电压和逆变器输出三相电流；

2）根据直流母线电压计算d轴电

，式中i^* _d为d轴电流参考值，U^* _dc、U_dc分别为直流母线电压参考值和实测值；k_pv、k_iv分别为电压调节器比例系数和积分系数；

3)将逆变器输出的三相电流做三相旋转变换得到d轴和q轴的电流实测值；

4）d轴和q轴的电流实测值与d轴和q轴的电流参考值作差，得到电流差值；

5）PI控制模块、谐振控制模块、重复控制模块根据电流差值分别计算得到PI控制电压补偿值、用于抑制谐波的谐振控制电压补偿值、用于抑制重复性扰动的重复控制电压补偿值；

6）PWM控制模块根据PI控制电压补偿值、谐振控制电压补偿值、重复控制电压补偿值三者的叠加结果生成PWM调制波以控制功率开关器件动作。

采用PI控制、重复控制及谐振控制相结合的复合控制器，该控制器不仅能够实现对特定次谐波的抑制，还能够实现对光伏发电系统中所存在的周期性扰动的抑制；同时，借助重复控制器中的相位超前环节，可以补偿谐振控制器的相位滞后，保证系统的稳定性；此外，通过合理选用重复控制器，可以实现系统动态性能的改善。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

直流母线电压参考值为640V，q轴的电流参考值为零。

逆变器主电路包括升压电路、三电平逆变电路、滤波电路。

所述的升压电路包括滤波电容、电感、开关管、第一二极管及第二二极管，滤波电容的两端分别与输入源正、负极连接，所述的电感一端与正极连接，另一端与第一二极管的正极连接，开关管的源极与第一二极管正极相连，漏极与输入源负极连接，第二二极管的正极与开关管的漏极相连，其负极与开关管的源极相连，第一二极管的负极连接三电平逆变电路的输入端。

所述的三电平逆变电路包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第三二极管、第四二极管，第一电容、第二电容串联后跨接在直流母线两端，三电平逆变电路包括三桥臂，每相桥臂设第一、第二、第三、第四开关管，四开关管依次串联后跨接在直流母线两端，每一开关管的源极和漏极之间并联一正极与漏极相连的二极管；每相桥臂均设有两串联的第三、第四二极管，第三二极管的负极与第一开关管的漏极相连，第四二极管的正极与第三开关管的漏极相连，每相桥臂中点引出相线形成A、B、C三相线，相线串联滤波电感后接入三相电网。

PI控制模块、谐振控制模块、重复控制模块、PWM控制模块均设于一控制器中，控制器根据检测输入源两端电压、输出电流，电网三相电压及逆变器输出三相电流，生成升压电路和三电平逆变电路的驱动脉冲分别送至开关管，同时判断逆变器是否存在故障以保证电路的正常工作。

谐振控制模块传递函数为：

式中，h为谐波阶次，K_ih为谐振增益，ω₀为工频角频率。

重复控制模块传递函数为：

$R\left(z\right)=\frac{z^{-400}}{1-0.95z^{-400}}\·z^7\·\frac{0.2789z+0.1775}{z^2-0.8073z+0.2638}$

有益效果：本技术方案采用PI控制、重复控制及谐振控制相结合的复合控制器，该控制器不仅能够实现对特定次谐波的抑制，还能够实现对光伏发电系统中所存在的周期性扰动的抑制；同时，借助重复控制器中的相位超前环节，可以补偿谐振控制器的相位滞后，保证系统的稳定性；此外，通过合理选用重复控制器，可以实现系统动态性能的改善。

附图说明

图1为三相三线制三电平光伏并网逆变器拓扑结构图。

图2为逆变器单相等效电路图。

图3为d轴电流双闭环控制程序流程图。

图4为光伏电池并网发电电压电流波形。

图5为逆变器输出电流震荡。

图6为d轴电流复合控制控制程序流程图。

图7为控制器优化前逆变器输出电流波形。

图8为控制器优化后逆变器输出电流波形。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，逆变器主电路包括升压电路、三电平逆变电路、滤波电路。升压电路包括滤波电容C_b、电感L_b、开关管T_b、第一二极管D_b及第二二极管D_b0，滤波电容C_b的两端分别与输入源正、负极连接，所述的电感L_b一端与正极连接，另一端与第一二极管D_b的正极连接，开关管T_b的源极与第一二极管D_b正极相连，漏极与输入源负极连接，第二二极管D_b0的正极与开关管T_b的漏极相连，其负极与开关管T_b的源极相连，第一二极管D_b的负极连接三电平逆变电路的输入端。三电平逆变电路包括第一电容C₁、第二电容C₂、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第三二极管D₅、第四二极管D₆，第一电容C₁、第二电容C₂串联后跨接在直流母线两端，三电平逆变电路包括三桥臂，每相桥臂设第一、第二、第三、第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄，四开关管依次串联后跨接在直流母线两端，每一开关管的源极和漏极之间并联一正极与漏极相连的二极管；每相桥臂均设有两串联的第三、第四二极管D₁、D₆，第三二极管D₅的负极与第一开关管S₁的漏极相连，第四二极管D₆的正极与第三开关管S₃的漏极相连，每相桥臂中点引出相线形成A、B、C三相线，相线串联滤波电感后接入三相电网。

图1中，假设u_abc、i_abc、e_abc分别为逆变器输出相电压、相电流以及电网相电压；L为滤波电感，R为滤波电感与线路等效电阻之和。逆变器单相等效电路如图2所示，设电流方向为从逆变器流入电网为正方向，根据基尔霍夫电路理论，可得三相并网逆变器在两相旋转坐标系dq下的控制方程为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\\ u_0\end{array}\right]=(R+L\·\frac{d}{\mathrm{dt}})\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& -\mathrm{\ωL}& 0\\ \mathrm{\ωL}& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\\ e_0\end{array}\right]---\left(1\right)$

对（1）式进行Laplace变换，可得：

$\left.\begin{array}{c}{i}_d\left(s\right)=\frac{1}{R+\mathrm{sL}}[u_d\left(s\right)-e_d\left(s\right)+\mathrm{\ωL}{i}_q\left(s\right)],\\ i_q\left(s\right)=\frac{1}{R+\mathrm{sL}}[u_q\left(s\right)-e_q\left(s\right)-\mathrm{\ωL}{i}_d\left(s\right)].\end{array}\right\}---\left(2\right)$

在逆变器直流侧，设i为Boost输出电流，i_in为逆变器输入电流，V_dc为直流侧母线电压，i_dc为流入母线电容的电流，C₁=C₂=C/2，则有：

$i=i_{\mathrm{in}}+C\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

i_in=S_ai_a+S_bi_b+S_ci_c    （4）

$C\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=i-(S_a{i}_a+S_b{i}_b+S_c{i}_c)---\left(5\right)$

对（5）式进行Laplace变换，可得：

$V_{\mathrm{dc}}\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{sC}}\{i\left(s\right)-\frac{3}{2}[i_d\left(s\right)S_d\left(s\right)+i_q\left(s\right)S_q\left(s\right)\left]\right\}---\left(6\right)$

式（2）、（6）所示即为逆变器在dq坐标系统下的数学模型，该模型是实现逆变器控制的重要理论根据。由该模型表达式，即可得出附图3所示的d轴电流双闭环控制程序流程图，它包括以下步骤：

1）检测直流母线电压和逆变器输出三相电流；

2）根据直流母线电压计算d轴电流参考值，

式中i^* _d为d轴电流参考值，U^* _dc、U_dc分别为直流母线电压参考值和实测值；k_pv、k_iv分别为电压调节器比例系数和积分系数；

3）将逆变器输出的三相电流做三相旋转变换得到d轴和q轴的电流实测值；

4）d轴和q轴的电流实测值与d轴和q轴的电流参考值作差，得到电流差值；

5）PI控制模块、谐振控制模块、重复控制模块根据电流差值分别计算得到PI控制电压补偿值、用于抑制谐波的谐振控制电压补偿值、用于抑制重复性扰动的重复控制电压补偿值；

6）PWM控制模块根据PI控制电压补偿值、谐振控制电压补偿值、重复控制电压补偿值三者的叠加结果生成PWM调制波以控制功率开关器件动作；

7）逆变器逆变器输出并网电流；

其中，直流母线电压参考值为640V，q轴的电流参考值为零。PI控制模块、谐振控制模块、重复控制模块、PWM控制模块均设于一控制器中，控制器根据检测输入源两端电压、输出电流，电网三相电压及逆变器输出三相电流，生成升压电路和三电平逆变电路的驱动脉冲分别送至开关管，同时判断逆变器是否存在故障以保证电路的正常工作。控制器可采用TI公司的TMS320F2812DSP芯片，控制器根据采样获得电压、电流值，在计算电压补偿值的同时，监视电路的工作情况，在发生故障时能及时保护电路，使电路正常工作。由该控制程序配合锁相环，即可实现光伏电池并网发电的目的，如图4所示。

为便于有功、无功功率的解耦控制，实现锁相环对电网电压的精确锁相，三相并网逆变器一般均采用dq坐标系下的电压电流双闭环控制策略。虽然该控制方法能够满足光伏发电系统的控制功能，然而由于开关器件的不平衡及电网干扰的影响，逆变器输出电流存在大量的谐波，而单纯的PI控制已无法满足谐波抑制的需求，系统的电能质量较差。

基于内模原理的谐振控制器常用于谐波补偿，以提高输出电流波形质量，其传递函数如下：

$R_h\left(s\right)=\underset{h=\mathrm{1,2,3}...}{\mathrm{\Σ}}\frac{K_{\mathrm{ih}}s}{s^2+{\left(h{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}---\left(7\right)$

（7）式中，h为谐波阶次，K_ih为谐振增益，ω₀=2π×50rad/s为工频角频率。

本发明对逆变器采用空间矢量脉冲调制策略，在设计谐振控制器以减少直流分量时，需要在旋转坐标系dq下进行。在dq坐标系下，h^th谐振控制器可以补偿静止坐标系abc下的(n-h)^th和(n+h)^th谐波。由于三相电流dq轴分量以ω₀逆时针旋转，故n=1。考虑到在实际逆变系统中，2、5、7、9、11、13次谐波含量比重较大。因此，取h=1、6、12，谐振控制器可以补偿三相输出电流中的2、7、13次谐波的正序分量和5、9、11次谐波的负序分量。此外，在系统稳定范围内，K_ih应尽量取较大值以较小稳态误差，此处，为实现谐振控制对各次谐波跟踪的统一性，K_ih均取作1000。将特定次谐波补偿器与重复控制器相结合，可以达到优化点能波形质量的目的，见图7、8。

然而，由于dq坐标系下的谐振控制器只能补偿特定次谐波的正序或负序分量，不能实现对谐波的完全补偿；同时，在补偿频率处，谐振控制器会出现180°的相位滞后，由自动控制原理可知，相位的滞后会对系统的稳定性产生影响，严重时会导致系统发生震荡，如图5所示，逆变器输出电流过零点会产生震荡。为解决上述问题，本发明提出采用重复控制与谐振控制相结合的复合控制器。该控制器不仅能够实现对特定次谐波的抑制，还能够实现对光伏发电系统中所存在的周期性扰动的抑制；同时，借助重复控制器中的相位超前环节，可以补偿谐振控制器的相位滞后，保证系统的稳定性；此外，通过合理选用重复控制器，可以实现系统动态性能的改善。重复控制也是基于内模原理而提出的，与谐振控制不同的是，重复控制可以实现对重复性扰动的抑制，提高电能质量。重复控制器主要由改进型内模Q(z)·z^-N、周期延时环节z^-N、相位补偿环节z^k、幅值补偿环节k_r、二阶滤波器器S(z)及被控对象P(z)组成，采用“嵌入式结构”的重复控制器，以保证当系统指令突加（比如逆变器开机）时，输出量能够对指令进行实时跟踪，其算法实现的程序流程图，如图6所示，i^* _d、i^* _q分别为d、q轴电流参考值；U^* _dc、U_dc分别为直流母线电压参考值和实测值；k_p、k_i分别为电压调节器比例系数和积分系数。其意义是把被控对象P(z)看作原有的一个稳定系统，指令为r输出为y，则重复控制可以看成是一个嵌入部件，它检测原系统的跟踪误差，然后通过在原有指令上叠加修正量u_r来减少这个误差。

重复控制器的设计：

（1）周期延迟系数N：N＝T/T_s=400，其中T=20ms为电网电压周期，T_s=50us为采样周期。

（2）积分系数Q(z)：Q(z)=0.95，实验中可以通过程序随时改变此系数，来减少各种杂散参数影响。

（3）补偿器C(z)=k_rz^kS(z)：重复控制增益k_r=1，相位补偿环节z^k中的k=7，二阶低通滤波器S(z)取为标准形式：

$S\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

由自动控制相关知识可取阻尼比ζ=0.707（此时滤波器的稳态性能与动态性能均达到最佳），取截止频率f_n=3kHz，此时截止角频率ω_n=2πf_n=1.885×10⁴rad/s。可得二阶滤波器传递函数为：

$S\left(s\right)=\frac{3.441\×{10}^8}{s^2+2.623\×{10}^{4}s+3.441\×{10}^8}$

通过零阶保持法对上式进行离散化，得：

$S\left(z\right)=\frac{0.2789z+0.1775}{z^2-0.8073z+0.2638}$

通过后向差分方程实现上述公式即可得到DSP内的可执行程序。通过提出的复合控制器，可以实现逆变器输出电流的优化，提高电能质量。优化前后，逆变器输出的电流波形如图7、8所示。

Claims (8)

1.光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

1）检测直流母线电压和逆变器输出三相电流；

2）根据直流母线电压计算d轴电流参考值，

式中i^* _d为d轴电流参考值，U^* _dc、U_dc分别为直流母线电压参考值和实测值；k_pv、k_iv分别为电压调节器比例系数和积分系数；

3)将逆变器输出的三相电流做三相旋转变换得到d轴和q轴的电流实测值；

4）d轴和q轴的电流实测值与d轴和q轴的电流参考值作差，得到电流差值；

5）PI控制模块、谐振控制模块、重复控制模块根据电流差值分别计算得到PI控制电压补偿值、用于抑制特定次谐波的谐振控制电压补偿值、用于抑制重复性扰动的重复控制电压补偿值；

6）PWM控制模块根据PI控制电压补偿值、谐振控制电压补偿值、重复控制电压补偿值三者的叠加结果生成PWM调制波以控制功率开关器件动作。

2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于：直流母线电压参考值为640V，q轴的电流参考值为零。

3.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于：逆变器主电路包括升压电路、三电平逆变电路、滤波电路。

4.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于：所述的升压电路包括滤波电容(C_b)、电感(L_b)、开关管(T_b)、第一二极管(D_b)及第二二极管(D_b0)，滤波电容(C_b)的两端分别与输入源正、负极连接，所述的电感(L_b)一端与正极连接，另一端与第一二极管(D_b)的正极连接，开关管(T_b)的源极与第一二极管(D_b)正极相连，漏极与输入源负极连接，第二二极管(D_b0)的正极与开关管(T_b)的漏极相连，其负极与开关管(T_b)的源极相连，第一二极管(D_b)的负极连接三电平逆变电路的输入端。

5.根据权利要求4所述的光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于：所述的三电平逆变电路包括第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第三二极管(D₅)、第四二极管(D₆)，第一电容(C₁)、第二电容(C₂)串联后跨接在直流母线两端，三电平逆变电路包括三桥臂，每相桥臂设第一、第二、第三、第四开关管(S₁、S₂、S₃、S₄)，四开关管依次串联后跨接在直流母线两端，每一开关管的源极和漏极之间并联一正极与漏极相连的二极管；每相桥臂均设有两串联的第三、第四二极管(D₁、D₆)，第三二极管(D₅)的负极与第一开关管(S₁)的漏极相连，第四二极管(D₆)的正极与第三开关管(S₃)的漏极相连，每相桥臂中点引出相线形成A、B、C三相线，相线串联滤波电感后接入三相电网。

6.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于：PI控制模块、谐振控制模块、重复控制模块、PWM控制模块均设于一控制器中，控制器根据检测输入源两端电压、输出电流，电网三相电压及逆变器输出三相电流，生成升压电路和三电平逆变电路的驱动脉冲分别送至开关管，同时判断逆变器是否存在故障以保证电路的正常工作。

7.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于：谐振控制模块传递函数为：式中，h为谐波阶次，K_ih为谐振增益，ω₀为工频角频率。

8.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器复合控制方法，其特征在于：重复控制模块传递函数为：

$R\left(z\right)=\frac{z^{-400}}{1-0.95z^{-400}}\·z^7\·\frac{0.2789z+0.1775}{z^2-0.8073z+0.2638}$

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