CN103972922A - 基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法。将给定并网电流与逆变器实际输出并网电流的差值作为准谐振控制器、重复控制器的输入，将给定零直流电流与实际并网电流的差值作为积分控制器的输入，将准谐振控制器、重复控制器和积分控制器三者的输出相加后作为逆变环节中逆变桥开关管开通关断的控制信号。该控制方法结合了谐振控制、重复控制和积分控制的优点，能有效减小电网电压、频率波动产生的影响，具备较好的动态稳态跟踪性能，有助于并网控制的优化设计。

Description

基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，特别涉及一种基于改进型准谐振控制（QPRI）加重复控制（RC）的光伏并网混合控制方法。

背景技术

随着光伏发电装机容量的增长，行业对太阳能光伏发电的并网电能质量提出了越来越高的要求，研究高性能、高效率的光伏并网逆变器对光伏发电产业的发展意义重大。

目前工程上应用比较广泛的单相光伏并网逆变器的并网电流控制方法主要有比例积分（PI）控制、无差拍控制、重复控制和比例谐振控制等。比例积分（PI）控制是工程上应用最为广泛也最为成熟的一种控制方法，其方法简单、易于实现且具有良好的动态性能，但其不能实现对正弦电流参考信号的无静差跟踪；无差拍控制比PI控制有更好的动态性能与更小的相位稳态误差，但其建立在精确电路模型的基础上，所以其控制效果决定于建模的精度，且当采样频率不高时其误差较大；重复控制可以消除比例积分（PI）控制中周期性存在的误差，并且改善稳态控制能力，但其对频率的变化很敏感且动态性能较差；比例谐振控制比PI控制和重复控制有更好的无静差跟踪的稳态性能与更快的动态响应速度，但控制效果其会受电网频率波动的影响，当电网频率发生偏移时，其控制效果就会明显变差。

经对现有技术文献的检索发现，A proportional+multiresonant controller for three-phasefour-wire high-frequency link inverter（D.De and V.Ramanarayanan,“A proportional+multiresonant controller for three-phase four-wire high-frequency link inverter,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.25,no.4,pp.899–906,Apr.2010.）提出了一种基于ProportionalMulti-resonant的控制策略，该算法可以有选择性的消除特定频率的谐波，但离散化控制以及电网频率的微小变化会很大程度的影响该算法的控制效果。Proportional-resonantcontrollers and filters for grid-connected voltage-source converters（R.Teodorescu,F.Blaabjerg,M.Liserre,and P.C.Loh,"Proportional-resonant controllers and filters for grid-connectedvoltage-source converters"IEE Proc.-Electr.Power Appl,vol.153,no.5,pp.750-762,Sept.2006.）提出了将比例谐振控制（PR）与多谐振控制（MRC）相结合的控制策略，其控制效果优于PR和PI控制，但系统在滤除高频谐波时会引入庞大的计算量，降低控制速度。光伏发电系统并网逆变器控制策略研究（陈瑞睿,陈辉明,王正仕.光伏发电系统并网逆变器控制策略研究[J].机电工程,2013,30(5):619-622）提出一种基于DSP数字控制的分段PI+准比例谐振控制器的改进算法，该算法可以达到减少并网电流谐波以及降低电网电压波动对系统干扰的作用，但其谐波抑制能力还不够强。Harmonics Suppression for Single-Phase Grid-ConnectedPV Systems in Different Operation Modes（Yongheng Yang,Keliang Zhou,FredeBlaabjerg."Harmonics Suppression for Single-Phase Grid-Connected PV Systems in Different OperationModes,"2013Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),2013,pp,889-896.）提出了基于谐振、重复混合控制策略，其利用谐振控制来实现对指令信号的无静差跟踪，而重复控制则用来去除谐波干扰，该算法可以高效的滤除高次谐波干扰，但对3th、5th、7th等低次谐波的干扰抑制能力不强。

针对以上不足，本发明提出一种基于改进型准谐振控制加重复控制策略，该算法具有更好的无静差跟踪控制性能，良好的动态控制效果，且该算法易于在工程上应用与推广。

发明内容

本发明的目的是为了改进上述控制方法存在的不足，提供一种兼顾无静差跟踪性能、动态控制效果以及抑制电网干扰能力的基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法，对光伏并网控制的设计优化具有指导意义，具体技术方案如下。

基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法，其包括：

将给定并网电流与实际并网电流I_INV(s)的差值作为准谐振控制器的输入；

将给定并网电流与实际并网电流I_INV(s)的差值作为重复控制器的输入；

将给定零直流电流与实际并网电流I_INV(s)的误差作为积分控制器的输入；

将准谐振控制器、重复控制器和积分控制器三者的输出相加后作为逆变环节中逆变桥开关管开通关断的控制信号。

进一步地，所述准谐振控制器的传递函数为：

其中：s为复频域算子，ω_g为电网电压的角频率，ω_c为与高增益区带宽相关的一个角频率，K_P与K_R为准谐振控制系数。

进一步地，所述重复控制器的传递函数为：

其中：z为变换算子，N为载波比，z^-N为周期延迟环节，Q(z)z^-N为正反馈环节的系数，Q(z)为小于1的正数，C(z)为补偿器。

进一步地，所述补偿器C(z)的传递函数为：C(z)＝k_rz^k·G_g(z)·S(z)

其中：k_r为补偿器的增益，取值在0～1之间；z^k为相位超前环节，k为超前拍数，G_g(z)为低频增益矫正环节，S(z)为补偿器滤波环节。

进一步地，所述积分控制器传递函数为：

其中：s为复频域算子，K_I为积分控制系数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：准谐振控制相比于谐振控制策略，多了一个阻尼环节，既能保持传统谐振控制方式在电网频率处增益高的优点，还能拓宽其高增益区的带宽，使得系统在电网频率发生波动的时候仍能实现良好的跟踪控制效果。加入重复控制使控制器具有很强稳态控制性能，稳态误差接近零。积分控制器对直流量控制具有良好的动态性能，能增强系统对低频谐波抑制能力，提高控制策略的整体性能。

总体上，所提出的改进型准谐振控制加重复控制具有较强的抗谐波干扰能力，良好的无静差跟踪控制性能以及动态控制效果。

附图说明

图1是基于改进型准谐振控制加重复控制的控制结构图。

图2是基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制系统结构图。

图3是基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏逆变并网电流波形图。

图4是基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏逆变并网电流的傅利叶分析图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1是一种基于改进型准谐振控制加重复控制的控制结构图。

将给定并网电流与实际并网电流I_INV(s)的差值作为准谐振控制器的输入，准谐振控制器的传递函数为：其中：s为复频域算子，ω_g为电网电压的角频率，ω_c为与高增益区带宽相关的一个角频率，K_P与K_R为准谐振控制系数。

将给定并网电流与实际并网电流I_INV(s)的差值作为重复控制器的输入，重复控制器的传递函数为：其中：z为变换算子，N为载波比，z^-N为周期延迟环节，C(z)为补偿器，Q(z)通常为略小于1的常数，Q(z)z^-N为正反馈环节的系数，其相当于一个积分器，对误差信号进行周期性累加。周期延迟环节z^-N的加入会使检测到的误差信号在下一周期到来时才起作用，因此会降低系统的跟踪控制速度，使得控制系统具有较大的滞后性。

补偿器C(z)则起到增加控制系统开环传递函数的高频衰减能力，提高系统控制性能的作用。补偿器C(z)传递函数可表示为：C(z)＝k_rz^k·G_g(z)·S(z)。其中k_r为补偿器的增益，其大小与收敛速度成正比，与系统的稳定裕度成反比，一般取值在0～1之间。z^k为相位超前环节，用来补偿系统的相位滞后，k为超前拍数。G_g(z)为低频增益矫正环节，用于矫正低频增益不为0dB的问题。S(z)为补偿器滤波环节，用来提高系统在高频段的衰减速度，使得系统在高频段的增益远小于0，提高系统对高频干扰的抑制能力。

将给定零直流电流与实际并网电流I_INV(s)的误差作为积分控制器的输入，积分控制器传递函数为：其中：s为复频域算子，K_I为积分控制系数；

将准谐振控制器、重复控制器和积分控制器三者的输出相加后作为逆变环节中逆变桥开关管开通关断的控制信号。

图2是基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制系统结构图。

图中，u_dc为主回路直流侧电压，电容C起稳压作用。直流电经全桥逆变器转化成交流电再通过L滤波器连接到主电网。控制回路采用带电网电压V_g(s)前馈的改进型准谐振控制加重复控制策略。SPWM为正弦调制，产生序列脉冲控制全桥逆变器开关管开通与关断。

采用以下参数对系统进行仿真分析：

主回路直流侧电压u_dc＝400V，交流侧L滤波器电感为5mH，用电阻R表示线路阻抗，取值0.1Ω。改进型准谐振控制器参数：ω_g＝314rad/sec、K_P=20、K_R＝400、ω_c＝3.14、K_I=100。

重复控制器参数：Q(z)＝0.96、N＝400、k_r＝1、k＝20，

$G_g\left(z\right)=\frac{0.1389z-0.1388}{z-0.9512},S\left(z\right)=\frac{(1.248z+1.246)\×{10}^{-5}}{z^2-1.995z+0.995}.$

SPWM正弦调制的载波频率f＝19.2kHz。

图3是基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏逆变并网电流波形。图4是基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏逆变并网电流的傅利叶分析，由图中可知采用基于改进型准谐振控制加重复控制策略后，仅为1.61%。

Claims (5)

1.基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法，其特征在于，包括：

将给定并网电流与实际并网电流I_INV(s)的差值作为准谐振控制器的输入；

将给定并网电流与实际并网电流I_INV(s)的差值作为重复控制器的输入；

将给定零直流电流与实际并网电流I_INV(s)的误差作为积分控制器的输入；

将准谐振控制器、重复控制器和积分控制器三者的输出相加后作为逆变环节中逆变桥开关管开通关断的控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法，其特征在于：

准谐振控制器的传递函数为： $G_{\mathrm{QPR}}\left(s\right)=K_P+\frac{2K_R{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_g^2}$

其中：s为复频域算子，ω_g为电网电压的角频率，ω_c为与高增益区带宽相关的一个角频率，K_P与K_R为准谐振控制系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进型谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法，其特征在于：

重复控制器的传递函数为： $G_{\mathrm{RC}}\left(z\right)=\frac{1}{1-Q\left(z\right)z^{-N}}\·z^{-N}\·C\left(z\right)$

其中：z为变换算子，N为载波比，z^-N为周期延迟环节，Q(z)z^-N为正反馈环节的系数，Q(z)为小于1的正数，C(z)为补偿器。

4.根据权利要求3所述的基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法，其特征在于：

补偿器C(z)的传递函数为：C(z)＝k_rz^k·G_g(z)·S(z)

其中：k_r为补偿器的增益，取值在0～1之间；z^k为相位超前环节，k为超前拍数，G_g(z)为低频增益矫正环节，S(z)为补偿器滤波环节。

5.根据权利要求1所述的基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法，其特征在于：

积分控制器传递函数为：

其中：s为复频域算子，K_I为积分控制系数。