CN102857133B - 单相单级光伏逆变器的电流控制方法及电流控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相单级光伏逆变器的电流控制方法，该方法包括：将光伏逆变器输出电流的参考电流信号和交流侧输出电流采样信号输入至电流控制系统的第一加法器中进行相减运算，得到误差信号；将误差信号输入至电流控制系统的准谐振控制器中，基于准谐振控制器的传递函数得到第一输出信号；将交流侧输出电流采样信号直接输入至电流控制系统的比例控制器中，基于比例控制器中确定的比例系数得到第二输出信号；将第一输出信号和第二输出信号输入至电流控制系统的第二加法器中进行运算以得到控制信号。本发明方法仅对参考电流的基波信号进行放大和跟踪，对参考电流的三次谐波信号进行了大幅度的衰减，因此在抗谐波扰动方面具有更好的性能。

Description

单相单级光伏逆变器的电流控制方法及电流控制系统

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及一种单相单级光伏逆变器的电流控制方法及电流控制系统。

背景技术

目前，光伏产业是世界上增长速度最快最稳定的领域之一，近几年平均每年的增速都达到了50%以上。单相单级光伏发电系统因具有成本低、配置灵活等特点，在小容量光伏系统中具有良好的应用前景。

图1是单相单级光伏发电系统拓扑结构示意图，为快速稳定地跟踪到光伏电池的最大功率点，单相单级光伏逆变器通过电压外环控制逆变器直流侧电压，使其直流电压实际值等于最大功率点跟踪算法所确定的参考给定值。然而，单相单级光伏逆变器发出单相功率时，直流侧电容电压上会叠加一个近似二次谐波成分，该直流侧二次谐波成分经过电压外环和电流内环控制器的调节后，会在逆变器输出电流的参考电流幅值叠加一个三次谐波成分。由于电流内环的参考给定信号含有大量的三次谐波成分，如果不采取有效的抑制措施，输出电流的谐波畸变率将不能满足电能质量标准的要求。

在现有技术中，通过采用比例-谐振控制的电流控制方法可以跟踪到频率相对固定的参考电流信号。但是，比例-谐振控制器在实际应用中有以下缺点：1）比例-谐振控制器在谐振频率处实现增益无穷大，由于受数字控制器（特别是定点数字处理器）精度的影响，所以实现上比较困难；2）当电网频率偏移时，增益大幅降低，控制器将会失效；3）现有控制器结构中，控制器输出的参考电流仍然包含有谐波信号，无法完全消除逆变器输出电流中的谐波成分。

基于上述问题，又提出了一种基于准比例谐振控制器的电流控制器，如图2所示，其传递函数为： $G_{\mathrm{PR}}=k_P+\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\left({\mathrm{\ω}}_n\right)}^2},$ v_c为控制信号，H₁为针对基波电流设计的准谐振控制器，H₂为针对谐波抑制要求设置的谐波补偿器且n为谐波补偿次数，h为最高谐波补偿次数，i_ref为电流控制内环的参考电流，i_ab为光伏系统交流侧实际输出电流，即流过电感L₁的电流。该控制器能够克服比例-准谐振控制器在数字实现和频率偏移方面的问题，但仍然无法从根本上消除谐波电流，特别是单相单级逆变器的低频谐波电流成分（以三次谐波为主）。

综上所述，单相单级光伏逆变器MPPT控制的输出直流参考信号包含有二次谐波成分，该二次谐波导致电流内环的参考信号含有大量的三次谐波成分。若采用常规控制器结构，参考电流中的三次谐波电流将被跟踪，这种低频谐波分量是输出滤波器无法滤除的，因此将使得光伏逆变器的交流侧输出电流存在较大的谐波畸变。

因此，亟需一种解决单相单级光伏发电系统存在交流输出电流中低次谐波含量高的问题的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种能够有效抑制低次谐波的单相单级光伏逆变器的电流控制方法及电流控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单相单级光伏逆变器的电流控制方法，该方法包括：将光伏逆变器输出电流的参考电流信号和交流侧输出电流采样信号输入至电流控制系统的第一加法器中进行相减运算，得到误差信号；将所述误差信号输入至所述电流控制系统的准谐振控制器中，基于所述准谐振控制器中确定的准谐振控制器的传递函数得到第一输出信号；将所述交流侧输出电流采样信号直接输入至所述电流控制系统的比例控制器中，基于所述比例控制器中确定的比例系数得到第二输出信号；将所述第一输出信号和所述第二输出信号输入至所述电流控制系统的第二加法器中进行运算以得到控制信号。

根据本发明的另一方面的电流控制方法，利用以下公式来确定所述准谐振控制器中的准谐振控制器的传递函数H₁：

$H_1=\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

其中，k_I表示积分系数，ω_n表示准谐振控制器的谐振角频率，ξ表示阻尼系数。

根据本发明的另一方面的电流控制方法，通过以下步骤来确定所述准谐振控制器的传递函数的阻尼系数和积分系数：基于所述准谐振控制器的谐振带宽来确定阻尼系数；根据积分系数对所述电流控制系统的影响、所述准谐振控制器对谐波的抑制能力和所述准谐振控制器对所述误差信号的控制速度来确定所述积分系数。

根据本发明的另一方面的电流控制方法，所述比例控制器中的比例系数通过以下步骤来确定：根据确定的所述电流控制系统的相角裕度来得到所述电流控制系统的最大截止频率；基于所述最大截止频率来确定所述比例控制器的比例系数。

根据本发明的另一方面的电流控制方法，根据确定的所述电流控制系统的相角裕度，利用以下公式来得到所述电流控制系统的最大截止频率ω_cmax：

其中，γ表示确定的相角裕度，40°≤γ≤60°，T_d表示所述电流控制系统的延时时间。

根据本发明的另一方面的电流控制方法，利用以下公式来确定所述比例控制器的比例系数k_p:

$k_p=\frac{V_m}{V_{\mathrm{dc}}\left|G_{\mathrm{vi}}\left({\mathrm{\ω}}_{c\max }j\right)\right|}$

其中，V_m表示光伏发电系统的电网电压峰值；V_dc表示直流侧的电压值；G_vi表示光伏发电系统中逆变器输出电流到逆变器输出电压之间的传递函数，其中，

$G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)=\frac{L_2{\mathrm{Cs}}^2+(R+R_2)\mathrm{Cs}+1}{d_3{s}^3+d_2{s}^2+d_{1}s+d_0}$

式中，d₃＝L₁L₂C，d₂＝[L₂(R+R₁)+L₁(R+R₂)]C，d₀＝R₁+R₂，d₁＝(RR₁+RR₂+R₁R₂)C+L₁+L₂，L₁、L₂表示光伏发电系统中的电感，C表示光伏发电系统中的电容，R、R₁和R₂表示光伏发电系统中的电阻。

根据本发明的另一方面的电流控制方法，所述积分系数对所述电流控制系统的影响包括所述电流控制系统的相对稳定性与所述积分系数的关系、所述积分系数与所述电流控制系统的截止频率和相角的关系；所述准谐振控制器对谐波的抑制能力包括对所述参考电流信号的前向通道的三次谐波的抑制能力。

根据本发明的另一方面，还包括一种单相单级光伏逆变器的电流控制系统，该系统包括：第一加法器，其将光伏逆变器输出电流的参考电流信号和交流侧输出电流采样信号进行相减运算，得到误差信号；准谐振控制器，其与所述第一加法器连接，将所述误差信号基于所述准谐振控制器中确定的准谐振控制器的传递函数得到第一输出信号；比例控制器，其将所述交流侧输出电流采样信号基于所述比例控制器中确定的比例系数得到第二输出信号；第二加法器，其与所述准谐振控制器和所述比例控制器连接，将所述第一输出信号和所述第二输出信号进行运算以得到控制信号。

根据本发明的另一方面的电流控制系统，通过以下步骤来确定所述准谐振控制器的阻尼系数和积分系数：基于所述准谐振控制器的谐振带宽来确定阻尼系数；根据积分系数对所述电流控制系统的影响、所述准谐振控制器对谐波的抑制能力和所述准谐振控制器对所述误差信号的控制速度来确定所述积分系数。

根据本发明的另一方面的电流控制系统，利用以下公式来确定所述准谐振控制器中的准谐振控制器的传递函数H₁：

$H_1=\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

其中，K_I表示积分系数，ω_n表示准谐振控制器的谐振角频率，ξ表示阻尼系数。

根据本发明的另一方面的电流控制系统，所述比例控制器中的比例系数通过以下步骤来确定：确定的所述电流控制系统的相角裕度来得到所述电流控制系统的最大截止频率；基于所述最大截止频率来确定所述比例控制器的比例系数。

根据本发明的另一方面的电流控制系统，根据确定的所述电流控制系统的相角裕度，利用以下公式来得到所述电流控制系统的最大截止频率ω_cmax：

其中，γ表示确定的相角裕度，40°≤γ≤60°，T_d表示所述电流控制系统的延时时间；利用以下公式来确定所述比例控制器的比例系数k_p:

$k_p=\frac{V_m}{V_{\mathrm{dc}}\left|G_{\mathrm{vi}}\left({\mathrm{\ω}}_{c\max }j\right)\right|}$

其中，V_m表示光伏发电系统的电网电压峰值；V_dc表示直流侧的电压值；G_vi表示光伏发电系统中逆变器输出电流到逆变器输出电压之间的传递函数，其中，

$G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)=\frac{L_2{\mathrm{Cs}}^2+(R+R_2)\mathrm{Cs}+1}{d_3{s}^3+d_2{s}^2+d_{1}s+d_0}$

式中，d₃＝L₁L₂C，d₂＝[L₂(R+R₁)+L₁(R+R₂)]C，d₀＝R₁+R₂，d₁＝(RR₁+RR₂+R₁R₂)C+L₁+L₂，L₁、L₂表示光伏发电系统中的电感，C表示光伏发电系统中的电容，R、R₁和R₂表示光伏发电系统中的电阻。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明针对单相单级光伏逆变器输出电流的低频谐波问题，提出了一种能够避免放大低频谐波信号的电流控制系统，并对该电流控制系统的控制参数进行了确定，即从系统的相角裕度出发确定电流控制系统的比例系数，从电流控制系统的谐振带宽出发确定准谐振控制器的阻尼系数，从电流控制系统对三次谐波的抑制能力出发确定了积分系数。从而使光伏发电系统中的电流控制系统，在抗谐波扰动方面具有更好的性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是单相单级光伏系统拓扑结构；

图2是现有技术中电流控制方法的模型结构示意图；

图3是根据本发明实施例的电流控制系统的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的电流控制系统应用在光伏发电系统中的模型结构示意图；

图5是根据本发明实施例的积分系数与系统相对稳定性的关系（积分系数按箭头方向逐渐增大）的示意图；

图6是根据本发明实施例的积分系数对三次谐波幅值增益的影响的示意图；

图7是根据本发明实施例的并网电流仿真波形（k_p=0.1，k_i=1.4）示意图；

图8是根据本发明实施例的并网电流谐波畸变分析示意图；

图9是根据本发明实施例的电压外环控制输出参考电流幅值的示意图；

图10是根据本发明实施例的误差电流变化趋势示意图；

图11是根据本发明实施例的控制系统实验框图；

图12是根据本发明实施例的光伏发电系统电网电压与电流的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图示出的步骤可以在诸如一组单片机或数字信号处理芯片可执行指令的数字信号处理系统中执行，并且，虽然在图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图3是根据本发明实施例的电流控制系统的结构示意图，下面参考图3，来详细说明本实施例中的电流控制系统的组成以及各组成的功能。

本实施例提出一种基于准比例谐振控制的电流控制系统结构。图3所示，该电流控制系统包括准谐振控制器、比例控制器和第一加法器和第二加法器。准谐振控制器和比例控制器均与第一加法器和第二加法器连接。其中，准谐振控制器对光伏逆变器输出电流的参考电流的基波成分进行精确跟踪，并对参考电流的低频谐波成分进行衰减；比例控制器能够对参考电流的高频谐波成分进行有效抑制。

下面详细说明本实施例的电流控制系统是如何对电流进行控制的，具体包括以下步骤：

步骤1，将光伏逆变器输出电流的参考电流信号i_ref和实际交流侧输出电流采样信号i_ab输入至电流控制系统的第一加法器中进行相减运算，得到误差信号；

步骤2，将误差信号输入至准谐振控制器中，基于准谐振控制器中确定的准谐振控制器的传递函数得到第一输出信号，将交流侧输出电流采样信号i_ab直接输入至比例控制器中，基于比例控制器中确定的比例系数得到第二输出信号；

步骤3，将第一输出信号与第二输出信号输入至第二加法器中，该加法器的输出信号即为本电流控制系统的控制信号v_c。

需要说明的是，在现有技术中的电流控制器会对参考电流中的三次谐波电流进行跟踪，并且这种低频谐波分量无法滤除，而本发明的电流控制系统中，由于比例控制器仅对交流侧输出电流采样信号进行放大，而未对参考电流进行放大，因此，本发明可以有效地抑制谐波分量。

图4是根据本发明实施例的电流控制系统应用在光伏发电系统中的示意图，在电流控制系统中，参考电流到电网输出电流（流过电感L₂的电流）之间的传递函数为：

$G_r\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{PR}}\mathrm{PW}\left(s\right)G_d\left(s\right)G_{\mathrm{vg}}\left(s\right)}{1+H_s\left(s\right)}---\left(1\right)$

其中，H_s(s)=G_PRPW(s)G_d(s)G_vi(s)；

G_PR为准比例谐振控制器（本实施例中的电流控制系统）的传递函数，其中，G_PR＝k_P+H₁，k_p为比例控制器的比例系数；为准谐振控制器的传递函数，k_I为积分系数，ω_n为谐振角频率，ξ为阻尼系数；

G_vg(s)为逆变器输出电压到电网输出电流之间的传递函数；PW(s)=V_dc/V_m为脉冲调制（简称PWM）放大倍数，V_m为三角载波幅值，为PWM控制延时，ω_c表示截止角频率，T_d表示延时时间。

在本实施例中，电流控制系统的结构已经确定，仅需对电流控制系统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准比例谐振控制器（电流控制系统）的传递函数的各个参数。

（1）比例控制器中比例系数的确定

具体地，首先需要考虑控制延时对系统相角裕度的影响，在满足相角裕度的前提下，确定系统的最大截止角频率，然后基于最大截止角频率来确定比例控制器的比例系数。

需要说明的是，在电流控制系统中，反馈控制的比例系数越大则系统的稳态误差越小，同时系统的带宽也越大。因此，通常要求在满足系统稳定的条件下比例系数越大越好。

光伏逆变器的电流控制系统为一个PWM控制系统中，在该系统中，一个基本的限制条件是参考电压的变化率应小于三角载波的变化率，则有：

$\frac{k_p{V}_{\mathrm{dc}}}{L}\≤\frac{V_m}{\frac{T_n}{2}}\⇒k_p\≤\frac{2f_{n}L{V}_m}{V_{\mathrm{dc}}}---\left(2\right)$

式中，V_dc为直流侧电压，f_n为三角载波频率，L为输出滤波器等效电感，且L=L₁+L₂，V_m为电网电压峰值。

但是，由于没有考虑系统相角裕度，按照式（2）设置的比例系数k_p还不够。因此，需要进一步考虑相角裕度来设置比例系数。

如图4，单相单级光伏逆变器的开环传递函数为(H₁+k_p)PW(s)G_d(s)G_vi(s)。其中，G_vi(s)为逆变器输出电流到逆变器输出电压之间的传递函数，并考虑到滤波器电感上串联一个电阻，如图1所示，则G_vi(s)的传递函数为,

$G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)=\frac{L_2{\mathrm{Cs}}^2+(R+R_2)\mathrm{Cs}+1}{d_3{s}^3+d_2{s}^2+d_{1}s+d_0}---\left(3\right)$

式（3）中，d₃＝L₁L₂C；d₂＝[L₂(R+R₁)+L₁(R+R₂)]C；d₀＝R₁+R₂d₁＝(RR₁+RR₂+R₁R₂)C+L₁+L₂。L₁、L₂表示光伏发电系统中的电感，C表示光伏发电系统中的电容，R、R₁和R₂表示光伏发电系统中的电阻，取R₁=0.1欧；R₂=0.1欧。

设ω_c为系统的截止频率，根据相角裕度γ的定义，将s＝jω_c带入开环传递函数，可以得到电流控制系统的相角为

$\∠(H_1+k_p)\mathrm{PW}\left(s\right)G_d\left(s\right)G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)---\left(4\right)$

$=\∠(\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\ω}}_{c}j}{{{\mathrm{\ω}}_n}^2-{{\mathrm{\ω}}_c}^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\ω}}_{c}j}+k_p)e^{-j{\mathrm{\ω}}_c{T}_d}+\∠G_{\mathrm{vi}}=-{\mathrm{\ω}}_c{T}_d+\∠(\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\ω}}_{c}j}{{{\mathrm{\ω}}_n}^2-{{\mathrm{\ω}}_c}^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\ω}}_{c}j}+k_p)+\∠G_{\mathrm{vi}}$

由于∠G_vi≈-90°，ω_c>>ω_n，因而 $\∠(\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\ω}}_{c}j}{{{\mathrm{\ω}}_n}^2-{{\mathrm{\ω}}_c}^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\ω}}_{c}j}+1)\≈0.$

所以，系统的相角裕度可以如下式所示：

γ＝180+∠(H₁+k_p)PW(s)G_d(s)G_vi(s)≈90°-ω_cT_d           （5）

从式（5）可以看出，相角裕度只与截止频率ω_c及延时时间T_d有关。截止频率ω_c越大则相角裕度越小，反之，截止频率ω_c越小则相角裕度越大。由于ω_c远大于比例准谐振控制器的谐振频率ω_n，因此在截止频率ω_c处的幅值增益约为k_p，因此系统的截止频率由G_vi（s）及比例系数k_p来决定，在输出滤波器确定的情况下，截止频率由k_p决定，k_p越大则截止频率越高，反之则截止频率越低。同时相角裕度受系统延时的影响，延时越大则相角裕度越小，延时越小则相角裕度越大。

 一般，一个良好的控制系统要求开环相角裕度γ在40°～60°之间，由（4）式可以得到系统的最大角频率ω_cmax为：

由截止频率处的幅值增益得到：

$k_p\frac{V_{\mathrm{dc}}}{V_m}\left|G_{\mathrm{vi}}\left({\mathrm{\ω}}_{c\max }j\right)\right|=1---\left(7\right)$

所以有：

$k_p=\frac{V_m}{V_{\mathrm{dc}}\left|G_{\mathrm{vi}}\left({\mathrm{\ω}}_{c\max }j\right)\right|}---\left(8\right)$

其中，||为函数的模，这里指传递函数G_vi(s)的增益。

根据式（6）先算出系统满足相角裕度的最大截止频率，然后根据式（8）就可以得出最佳的比例系数。

（2）阻尼系数ξ的确定

具体地，根据准谐振控制器谐振带宽的要求来确定阻尼系数。

考虑到电网频率会发生偏移，当电网频率f满足49.3≤f≤50.5，属于正常的频率变动范围，如果超出了此范围要求，则分布式发电系统立即停止供电。

设电网频率漂移±0.5Hz时，f_min=49.5，f_max=50.5，因此，准谐振控制器的谐振带宽为[2πf_min,2πf_max]，则可以得到下式：

$\left|H_1({\mathrm{\ω}}_n\±\mathrm{n\π})\right|=\frac{k_I}{\sqrt{2}}---\left(9\right)$

式中，n为谐波次数，则阻尼系数ξ可以如下式表示：

$\mathrm{\ξ}=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0\±{\mathrm{\π}}^2}{2{\mathrm{\ω}}_0({\mathrm{\ω}}_0\±\mathrm{\π})}---\left(10\right)$

式中，w₀为电网电压基波角频率，由于π相对于w₀很小，因此可以舍去。

根据电网基波周期T₀，可以得到

ξ＝0.5T₀＝0.01                       （11）

（3）积分系数k_I的确定

具体地，根据积分系数对电流控制系统稳定性的影响、准谐振控制器对低次谐波的抑制能力和准谐振控制器对误差电流（误差信号）的控制速度来确定积分系数的大小。

比例准谐振控制器的积分系数会对系统的截止频率和相角产生一定的影响，但影响不是很大。

系统的相对稳定性与积分系数的关系如图5所示。可以看出，积分系数越大则系统的截止频率越高，同时相角裕度也越小，当k_i=175时，相角裕度为零，可见积分系数不能超过一定的范围，否则会引起系统不稳定。从图5中还可以看出，尽管积分系数会影响系统的稳定，但是系数的可调节范围比较宽。

同时，由于系统含有大量的低次谐波，因此在确定积分系数时，应考虑参考信号的前向通道能否有效抑制低次谐波。

参考信号前向通道的传递函数，可以如下式所示：

G_f(s)＝H₁(s)PW(s)G_d(s)G_vi(s)                     （12）

传递函数G_f(s)对三次谐波的抑制能力如图6所示。从图6可以看出前向通道的三次谐波增益随着积分系数的增大而增大，为了能够有效抑制参考信号的三次谐波，三次谐波的幅值增益应小于-3dB，从图6中可以得知积分系数应满足k_I＜1.6。在满足有效抑制三次谐波的前提下，积分系数应越大越好，因为积分系数越小，则误差电流下降速度越慢，有可能引起电压外环振荡。

基于确定的所述阻尼系数和所述积分系数，利用以下公式来确定准谐振控制器中的准谐振控制器的传递函数H₁：

$H_1=\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

其中，k_I表示积分系数，ω_n表示准谐振控制器的谐振角频率，谐振角频率ω_n由逆变器发出的交流电频率决定，ξ表示阻尼系数。

由上述准谐振控制器的传递函数的确定步骤，可以看出本发明的准谐振控制器仅对ω_n频率的信号，即参考电流信号的基波进行放大，对参考电流信号的谐波进行大幅度衰减，因此，本发明的电流控制系统能够有效地抑制参考电流的谐波信号。

最后，可以基于上述确定的比例系数、阻尼系数和积分系数来确定电流控制系统的传递函数，也就是将比例系数、阻尼系数和积分系数代入以下公式以得到电流控制系统的传递函数：

$G_{\mathrm{PR}}=k_P+\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\left({\mathrm{\ω}}_n\right)}^2}.$

仿真实验效果

下面通过一个仿真实验来说明将该电流控制系统应用在光伏系统中的效果，其中，电流控制系统的传递函数为根据上面的步骤所确定的传递函数。

令本仿真实验的单相单级光伏系统为160W、直流侧工作电压约为30V、输出为12V，LCL滤波器的参数选择如表1所示。

表1

图7为并网电流输出波形，可以看出在电压外环调节的作用下，输出电流的幅值发生了变化。从图8仿真图上可以看出，系统输出电流谐波畸变率小于5%，三次谐波含量只有0.8A，满足并网标准的要求。图9为电压外环控制输出，可以看出电压外环含有大量二次谐波成分。图10为误差电流变化趋势图，从图中可以看出在稳态条件下，误差电流小于1A，并且具有良好的动态效果。

进一步对本发明实施例的电流控制系统的传递函数的确定的准确性进行仿真实验，控制系统采用DSP+FPGA结构，DSP芯片采用TI公司的32位定点TMS320F28335，FPGA采用ALTERA公司的可编程器件EP2C8T144C8N；光伏系统的控制频率为10kHz。单相单级光伏系统拓扑结构如图1所示，控制系统框图如图11所示。

该试验平台的光伏电池部分由两块100W的光伏电池并联组成，光伏电池的开路电压在天气晴好的情况下在36-38V之间，短路电流在4-6A之间，最大功率输出点电压大致在29-30V之间，并且会随温度的变化而变化，在阳光很强烈的情况，实际最大输出功率在140-150W之间。实现结果如图12所示，结果发现电网电压与电网电流的功率因素为1，符合设计的最终要求。

本发明提出了一种基于准比例谐振控制的新型电流控制系统，并对该电流控制系统的传递函数的参数进行了确定，即从系统的相角裕度出发确定电流控制系统的比例系数，从电流控制系统的谐振带宽出发确定准谐振控制器的阻尼系数，从电流控制系统对三次谐波的抑制能力出发确定了积分系数。最后，仿真和实验均验证了本发明的电流控制系统的正确性，其可以有效抑制单相光伏并网逆变器中的低频谐波成分。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种单相单级光伏逆变器的电流控制方法，其特征在于，包括：

将光伏逆变器输出电流的参考电流信号和交流侧输出电流采样信号输入至电流控制系统的第一加法器中进行相减运算，得到误差信号；

将所述误差信号输入至所述电流控制系统的准谐振控制器中，基于所述准谐振控制器中确定的准谐振控制器的传递函数H₁得到第一输出信号；

将所述交流侧输出电流采样信号直接输入至所述电流控制系统的比例控制器中，基于所述比例控制器中确定的比例系数k_p得到第二输出信号，所述比例控制器中的比例系数k_p通过以下步骤来确定：

根据确定的所述电流控制系统的相角裕度来得到所述电流控制系统的最大截止频率ω_cmax；基于所述最大截止频率ω_cmax来确定所述比例控制器的比例系数k_p；

将所述第一输出信号和所述第二输出信号输入至所述电流控制系统的第二加法器中进行运算以得到控制信号。

2.根据权利要求1所述的电流控制方法，其特征在于，利用以下公式来确定所述准谐振控制器中的准谐振控制器的传递函数H₁：

$H_1=\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

其中，k_I表示积分系数，ω_n表示准谐振控制器的谐振角频率，ξ表示阻尼系数。

3.根据权利要求2所述的电流控制方法，其特征在于，通过以下步骤来确定所述准谐振控制器的传递函数H₁的阻尼系数ξ和积分系数k_I：

基于所述准谐振控制器的谐振带宽来确定阻尼系数ξ；

根据积分系数k_I对所述电流控制系统的影响、所述准谐振控制器对谐波的抑制能力和所述准谐振控制器对所述误差信号的控制速度来确定所述积分系数k_I。

4.根据权利要求1所述的电流控制方法，其特征在于，根据确定的所述电流控制系统的相角裕度，利用以下公式来得到所述电流控制系统的最大截止频率ω_cmax：

其中，γ表示确定的相角裕度，40°≤γ≤60°，T_d表示所述电流控制系统的延时时间。

5.根据权利要求4所述的电流控制方法，其特征在于，利用以下公式来确定所述比例控制器的比例系数k_p:

$k_p=\frac{V_m}{V_{\mathrm{dc}}\left|G_{\mathrm{vi}}\left({\mathrm{\ω}}_{c\max }j\right)\right|}$

其中，V_m表示光伏发电系统的电网电压峰值；V_dc表示直流侧的电压值；G_vi表示光伏发电系统中逆变器输出电流到逆变器输出电压之间的传递函数，其中，

$G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)=\frac{L_{2}C{s}^2+(R+R_2)\mathrm{Cs}+1}{d_3{s}^3+d_2{s}^2+d_{1}s+d_0}$

式中，d₃＝L₁L₂C，d₂＝[L₂(R+R₁)+L₁(R+R₂)]C，d₀＝R₁+R₂，d₁＝(RR₁+RR₂+R₁R₂)C+L₁+L₂，L₁、L₂、C、R构成了光伏逆变器的输出滤波器，L₁、L₂表示光伏发电系统中的相互串联的逆变器侧电感和电网侧电感，C表示光伏发电系统中的滤波电容，R为阻尼电阻、C与R串联后并联在L₁、L₂之间，R₁和R₂表示光伏发电系统中分别与L₁串联的第一电阻以及与L₂串联的第二电阻。

6.根据权利要求3所述的电流控制方法，其特征在于，

所述积分系数k_I对所述电流控制系统的影响包括所述电流控制系统的相对稳定性与所述积分系数k_I的关系、所述积分系数k_I与所述电流控制系统的截止频率和相角的关系；

所述准谐振控制器对谐波的抑制能力包括对所述参考电流信号的前向通道的三次谐波的抑制能力。

7.一种单相单级光伏逆变器的电流控制系统，其特征在于，包括：

第一加法器，其将光伏逆变器输出电流的参考电流信号和交流侧输出电流采样信号进行相减运算，得到误差信号；

准谐振控制器，其与所述第一加法器连接，将所述误差信号基于所述准谐振控制器中确定的准谐振控制器的传递函数H₁得到第一输出信号；

比例控制器，其将所述交流侧输出电流采样信号基于所述比例控制器中确定的比例系数k_p得到第二输出信号，所述比例控制器中的比例系数k_p通过以下步骤来确定：

根据确定的所述电流控制系统的相角裕度来得到所述电流控制系统的最大截止频率ω_cmax；基于所述最大截止频率ω_cmax来确定所述比例控制器的比例系数k_p；

第二加法器，其与所述准谐振控制器和所述比例控制器连接，将所述第一输出信号和所述第二输出信号进行运算以得到控制信号。

8.根据权利要求7所述的电流控制系统，其特征在于，所述准谐振控制器中的准谐振控制器的传递函数H₁：

$H_1=\frac{2k_I\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}$

其中，k_I表示积分系数，ω_n表示准谐振控制器的谐振角频率，ξ表示阻尼系数，

通过以下步骤来确定所述准谐振控制器的传递函数H₁的阻尼系数ξ和积分系数k_I：

基于所述准谐振控制器的谐振带宽来确定阻尼系数ξ；

根据积分系数k_I对所述电流控制系统的影响、所述准谐振控制器对谐波的抑制能力和所述准谐振控制器对所述误差信号的控制速度来确定所述积分系数k_I。

9.根据权利要求7所述的电流控制系统，其特征在于，根据确定的所述电流控制系统的相角裕度，利用以下公式来得到所述电流控制系统的最大截止频率ω_cmax：

其中，γ表示确定的相角裕度，40°≤γ≤60°，T_d表示所述电流控制系统的延时时间；

利用以下公式来确定所述比例控制器的比例系数k_p:

$k_p=\frac{V_m}{V_{\mathrm{dc}}\left|G_{\mathrm{vi}}\left({\mathrm{\ω}}_{c\max }j\right)\right|}$

其中，V_m表示光伏发电系统的电网电压峰值；V_dc表示直流侧的电压值；G_vi表示光伏发电系统中逆变器输出电流到逆变器输出电压之间的传递函数，其中，

$G_{\mathrm{vi}}\left(s\right)=\frac{L_{2}C{s}^2+(R+R_2)\mathrm{Cs}+1}{d_3{s}^3+d_2{s}^2+d_{1}s+d_0}$

式中，d₃＝L₁L₂C，d₂＝[L₂(R+R1)+L₁(R+R₂)]C，d₀＝R₁+R₂，d₁＝(RR₁+RR₂+R₁R₂)C+L₁+L₂，L₁、L₂、C、R构成了光伏逆变器的输出滤波器，L₁、L₂表示光伏发电系统中的相互串联的逆变器侧电感和电网侧电感，C表示光伏发电系统中的滤波电容，R为阻尼电阻、C与R串联后并联在L₁、L₂之间，R₁和R₂表示光伏发电系统中分别与L₁串联的第一电阻以及与L₂串联的第二电阻。