CN104037802A - 一种基于lprc-nlpi复合控制器的光伏并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法。通过非线性PI控制器控制直流母线电压，从而得到控制环的输出信号作为光伏并网逆变器输出电流的参考值；然后从光伏并网逆变器的输出端提取输出电流的实际值，并将光伏并网逆变器输出电流的参考值和实际值相减，得到电流差值；将电流差值输入由线性相位重复控制器和非线性PI控制器相并联而成的复合控制器中，进行计算得到光伏并网逆变器的实际控制量，对光伏并网逆变器进行控制。本发明提高系统的运行稳定性，避免因系统相位滞后等因素导致的停机故障；提高光伏并网逆变器输出电能质量，有效降低光伏并网逆变器输出电能的谐波畸变。

Description

一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏并网逆变器控制方法，尤其是涉及一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法。

背景技术

光伏并网发电具有清洁环保、储量巨大、易于开发的优点，成为新能源分布式发电中最具前景的能源利用形式。并网逆变器作为光伏并网发电系统与电网的接口设备，承担着电能传递和转换的重要作用。然而，由于构成并网逆变器的器件存在不平衡、老化等特点，以及光伏发电系统易受外部环境的影响，导致光伏并网逆变器输出电流存在较大的谐波电流，电流波形质量变差；输出电流稳定性易受光照轻度和温度的影响，导致系统稳定性变差。

本发明针对小功率(10kW)三相光伏并网逆变器，基于三相桥式并网逆变器作为主电路拓扑结构，本发明方法应用于该逆变器的控制之中，见附图2。

光伏阵列作为输入直流电源接于并网逆变器正负极之间。电解电容Cdc作为输入的滤波电容并接于并网逆变器直流母线两端；逆变器每相桥臂分别由2个开关管S1-S2串联接于直流母线两端，每个开关管两端反并联一个二极管D1-D2，由每相桥臂的中点引出A、B、C三个相线，分别经由逆变器侧滤波电感Li和滤波电容C构成的LC滤波器接入三相电网。

根据如图3的并网逆变器单相等效电路，得到如图4所示的系统控制框图，分析现有如图4所示的控制结构，得到该主电路拓扑结构的传递函数模型，如下所示：

$i=\frac{{(z-1)}^2}{L_i{R}_g{\mathrm{Cf}}_s^2{(z+1)}^2+(R_i{R}_{g}C+L_i)f_s(z^2-1)+(R_i+R_g){(z-1)}^2}{u}_i$

$-\frac{L_i{\mathrm{Cf}}_s^2{(z+1)}^2+R_i{\mathrm{Cf}}_s(z^2-1)+(z^2-1)}{L_i{R}_g{\mathrm{Cf}}_s^2{(z+1)}^2+(R_i{R}_{g}C+L_i)f_s(z^2-1)+(R_i+R_g){(z-1)}^2}{u}_g$

如图4中，L_i、R_i为逆变器侧滤波电感及其等效电阻；C为滤波电容；R_g为电网侧等效电阻；u_i＝u为逆变器电压(与逆变器实际控制量相等)；u_g分电网侧电压。

上式为光伏并网逆变器在实际工况下的模型，该模型是实现逆变器控制的重要理论依据。

根据上节中得出的光伏并网逆变器模型可知，由于受到开关器件及LC滤波器组成元件的非线性特性的影响，模型中的L_i、R_i、C、R_g均为复杂的非线性时变函数，且系统受到电网电压u_g的影响，电网中的谐波也会引入光伏并网逆变器之中。这些因素导致光伏并网发电系统产生大量的谐波，且稳定性变差。设计一种可以提高输出电流波形质量，且能够提高系统稳定性的光伏并网逆变器控制方法，以代替现有的控制方法，实现逆变器的有效控制，便成为了目前亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法，以达到优化逆变器输出电流波形质量、提高系稳定性的目的。本发明是一种提高系统谐波抑制能力，提高系统稳定运行的光伏并网逆变器线性相位重复控制器控制方法，与传统重复控制器相比，可以有效改善光伏并网发电系统的非线性和易受环境等不确定性因素影响的缺点，并有效抑制输出电流中的谐波。为实现光伏并网逆变器输出电流直流分量的高效控制，提出电流差值非线性PI控制方法，实现直流分量的高效非线性控制，进一步改善系统的鲁棒稳定性。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)对光伏并网逆变器进行控制，通过非线性PI控制器控制直流母线电压，从而得到控制环的输出信号作为光伏并网逆变器输出电流的参考值；

2)然后从光伏并网逆变器的输出端提取输出电流的实际值，并将光伏并网逆变器输出电流的参考值和实际值相减，得到电流差值；

3)将电流差值输入由线性相位重复控制器和非线性PI控制器相并联而成的复合控制器中，进行计算得到光伏并网逆变器的实际控制量，对光伏并网逆变器进行控制。

所述的步骤1)中的光伏并网逆变器输出电流的参考值i^*采用以下公式通过非线性PI控制器控制直流母线电压得到：

$i^{*}=K_p{(u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}}^{*})}^{\frac{1}{3}}+K_i\∫(u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}}^{*})\mathrm{dt}$

其中，K_p为非线性PI控制器的比例系数，Ki为非线性PI控制器的积分系数，u_dc为直流母线电压实际值，为直流母线电压参考值，t为时间。

所述的步骤3)中的光伏并网逆变器的实际控制量u采用以下公式进行计算得到：

$u={\mathrm{\β}}_1\mathrm{\Δi}+{\mathrm{\β}}_2\mathrm{fal}(\mathrm{\Σ\Δi},0.6,\frac{1}{f_s})+\frac{\mathrm{\Δi}\·z^{-\frac{f_s}{f_0}}\·z^{k+\frac{N}{2}}\·H\left(z\right)}{1-H\left(z\right)\·z^{-\frac{f_s}{f_0}+\frac{N}{2}}}$

其中，Δi为输出电流的参考值和实际值的电流差值，β₁、β₂分别为第一、第二待调参数，f_s为采样频率，f₀为电网电压频率，fal(·)为参考文献“韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报,1994,20(4),487-490”中定义的函数，z为复数平面的变换算子，k为相位补偿环节的系数，H(z)为线性相位低通滤波器的脉冲传递函数，N为相位滞后数。

所述的线性相位低通滤波器的脉冲传递函数H(z)为：

H(z)＝0.0019-0.0012z^-1-0.0101z^-2+0.0395z^-3+0.1353z^-4

+0.0395z^-5-0.0101z^-6-0.0012z^-8+0.0019z^-9

其中，z为复数平面的变换算子。

所述的直流母线电压参考值取640V。

所述的采样频率f_s取20000Hz，网电压频率f₀取50Hz。

所述的相位滞后数N取10。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在直流母线电压外环施加非线性PI控制器，即可获得逆变器输出电流的参考值，有效降低了电压控制器设计的难度。

2、本发明通过高效非线性PI控制器不仅能够实现三相光伏并网逆变器输出电流直流分量的高效控制，还可以提高系统鲁棒性，有效抑制光伏并网逆变器固有的非线性特性对输出电流稳定性的不利影响。

3、本发明通过设计具有线性相位的重复控制器，不仅可以有效抑制光伏并网逆变器输出电流中所含有的谐波电流，提高输出电流波形质量，还可以避免传统的重复控制器所具有的相位滞后缺点，保证光伏并网发电系统的稳定性和鲁棒性。

附图说明

图1为本发明方法的控制流程逻辑图。

图2为本发明背景技术的系统结构拓扑结构图。

图3为本发明并网逆变器单相等效电路图。

图4为本发明并网逆变器的控制结构框图。

图5为实施例满载(10kW)下输出电流波形实验截图。

图6为实施例轻载(1kW)下输出电流波形实验截图。

图7为实施例输入功率突增时并网逆变器动态波形的实验截图。

图8为实施例输入功率突减时并网逆变器动态波形的实验截图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

1)对并网逆变器进行控制，通过非线性PI控制器控制直流母线电压，从而得到控制环的输出信号作为光伏并网逆变器输出电流的参考值；

2)然后从光伏并网逆变器的输出端提取输出电流的实际值，并将光伏并网逆变器输出电流的参考值和实际值相减，得到电流差值；

3)将电流差值输入由线性相位重复控制器(LPRC)和非线性PI控制器(NLPI)相并联而成的复合控制器中，进行计算得到光伏并网逆变器的实际控制量，对光伏并网逆变器进行控制。

步骤1)中的光伏并网逆变器输出电流的参考值i^*采用以下公式通过非线性PI控制器控制直流母线电压得到：

$i^{*}=K_p{(u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}}^{*})}^{\frac{1}{3}}+K_i\∫(u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}}^{*})\mathrm{dt}$

其中，K_p为非线性PI控制器的比例系数，K_i为非线性PI控制器的积分系数，u_dc为直流母线电压实际值，为直流母线电压参考值，t为时间。

步骤2)中的光伏并网逆变器输出电流的参考值和实际值的电流差值Δi采用以下公式计算得到：

Δi＝i^*-i

其中，i为光伏并网逆变器输出电流实际值。

步骤3)中的光伏并网逆变器的实际控制量u采用以下公式进行计算得到：

$u={\mathrm{\β}}_1\mathrm{\Δi}+{\mathrm{\β}}_2\mathrm{fal}(\mathrm{\Σ\Δi},0.6,\frac{1}{f_s})+\frac{\mathrm{\Δi}\·z^{-\frac{f_s}{f_0}}\·z^{k+\frac{N}{2}}\·H\left(z\right)}{1-H\left(z\right)\·z^{-\frac{f_s}{f_0}+\frac{N}{2}}}$

其中，Δi为输出电流的参考值和实际值的电流差值，β₁、β₂分别为第一、第二待调参数，f_s为采样频率，f₀为电网电压频率，fal(·)为参考文献“韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报,1994,20(4),487-490”中定义的函数，z为复数平面的变换算子，k为相位补偿环节的系数，H(z)为线性相位低通滤波器的脉冲传递函数，N为相位滞后数。

上述的线性相位低通滤波器的脉冲传递函数H(z)为以下公式：

H(z)＝0.0019-0.0012z^-1-0.0101z^-2+0.0395z^-3+0.1353z^-4

+0.0395z^-5-0.0101z^-6-0.0012z^-8+0.0019z^-9

其中，z为复数平面的变换算子。

优选的实际控制过程中，直流母线电压参考值取640V，采样频率f_s取20000Hz，网电压频率f₀取50Hz，相位滞后数N可取10。

本发明的步骤1)提取并网逆变器输出电流的参考值。本发明通过在直流母线电压外环施加工程中常用的PI控制器，即可获得逆变器输出电流的参考值，有效降低了电压控制器设计的难度。

本发明的步骤2)和步骤3)得到光伏并网逆变器输出电流参考值和实际值的差值，利用非线性PI控制器实现三相光伏并网逆变器输出电流直流分量的高效控制。本发明通过高效非线性PI控制器不仅能够实现三相光伏并网逆变器输出电流直流分量的高效控制，还可以提高系统鲁棒性，有效抑制光伏并网逆变器固有的非线性特性对输出电流稳定性的不利影响。

本发明的步骤3)提出具有线性相位的重复控制器控制光伏并网逆变器输出电流，得到逆变器实际控制量。本发明通过设计具有线性相位的重复控制器，不仅可以有效抑制光伏并网逆变器输出电流中所含有的谐波电流，提高输出电流波形质量，还可以避免传统的重复控制器所具有的相位滞后缺点，保证光伏并网发电系统的稳定性和鲁棒性。

本发明提出的SSR-KDF控制方法的控制流程逻辑图，见附图1。图1中，为LC滤波器滤波电感L_i的脉冲传递函数，为LC滤波器滤波电容C的脉冲传递函数，为电网侧等效电阻R_g的脉冲传递函数。

本发明基于工程中应用最为广泛的三相桥式并网逆变器作为主电路拓扑结构，见附图2。

本发明的具体实施例如下：

在10kW三相并网逆变器样机上对本发明提出的控制方法进行了实验。试验参数如下表1所示。

表1

通过示波器检测实验波形，通过精确功率分析仪分析实验数据，采用本发明提出的控制方法，所得实验数据：THD<0.55％(满载，10kW)，故障概率(测试时逆变器不间断运行30天，停机时间与总时间之比)小于1.2％。

实验截图如下：

(1)逆变器稳定运行时，分别在满载(10kW)和轻载(1kW)下检测逆变器输出电流波形，满载(10kW)如下图5所示，轻载(1kW)如图6所示。由图5、图6可以看出：本发明方法可以提高输出电流波形质量，减小电流波形畸变。

(2)逆变器输入功率突变时，检测逆变器输出电流动态波形，如图7、8所示。由图7、8可以看出：本发明方法在输入功率突变时，可以快速的过渡至新的稳态，过渡过程较快且无明显冲击或畸变，可以提高光伏并网逆变器运行的可靠性，避免因人为或环境因素导致的停机故障。

本发明是一种利用数字信号处理技术，并结合大量的仿真分析而得到的，可抑制光伏并网逆变器输出电流谐波，并提高并网发电系统稳定性的新型复合控制器。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对光伏并网逆变器进行控制，通过非线性PI控制器控制直流母线电压，从而得到控制环的输出信号作为光伏并网逆变器输出电流的参考值；

2)然后从光伏并网逆变器的输出端提取输出电流的实际值，并将光伏并网逆变器输出电流的参考值和实际值相减，得到电流差值；

3)将电流差值输入由线性相位重复控制器和非线性PI控制器相并联而成的复合控制器中，进行计算得到光伏并网逆变器的实际控制量，对光伏并网逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中的光伏并网逆变器输出电流的参考值i^*采用以下公式通过非线性PI控制器控制直流母线电压得到：

$i^{*}=K_p{(u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}}^{*})}^{\frac{1}{3}}+K_i\&Integral;(u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{dc}}^{*})\mathrm{dt}$

其中，Kp为非线性PI控制器的比例系数，K_i为非线性PI控制器的积分系数，u_dc为直流母线电压实际值，为直流母线电压参考值，t为时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的步骤3)中的光伏并网逆变器的实际控制量u采用以下公式进行计算得到：

$u={\mathrm{\&beta;}}_1\mathrm{\&Delta;i}+{\mathrm{\&beta;}}_2\mathrm{fal}(\mathrm{\&Sigma;\&Delta;i},0.6,\frac{1}{f_s})+\frac{\mathrm{\&Delta;i}\&CenterDot;z^{-\frac{f_s}{f_0}}\&CenterDot;z^{k+\frac{N}{2}}\&CenterDot;H\left(z\right)}{1-H\left(z\right)\&CenterDot;z^{-\frac{f_s}{f_0}+\frac{N}{2}}}$

其中，Δi为输出电流的参考值和实际值的电流差值，β₁、β₂分别为第一、第二待调参数，f_s为采样频率，f₀为电网电压频率，fal(·)为参考文献“韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报,1994,20(4),487-490”中定义的函数，z为复数平面的变换算子，k为相位补偿环节的系数，H(z)为线性相位低通滤波器的脉冲传递函数，N为相位滞后数。

4.根据权利要求1所述的一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的线性相位低通滤波器的脉冲传递函数H(z)为：

H(z)＝0.0019-0.0012z^-1-0.0101z^-2+0.0395z^-3+0.1353z^-4

+0.0395z^-5-0.0101z^-6-0.0012z^-8+0.0019z^-9

其中，z为复数平面的变换算子。

5.根据权利要求2所述的一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的直流母线电压参考值取640V。

6.根据权利要求3所述的一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的采样频率_fs取20000Hz，网电压频率f₀取50Hz。

7.根据权利要求3所述的一种基于LPRC-NLPI复合控制器的光伏并网逆变器控制方法，其特征在于：所述的相位滞后数N取10。