CN104092397B - 一种光伏储能系统孤岛模式下的全桥逆变器的三闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光伏储能系统孤岛模式下的全桥逆变器的三闭环控制方法，本发明提出三个环路的闭环控制策略：内环为逆变器滤波电感电流环，提高系统的动态性能；中间环为逆变器输出瞬时电压环，改善输出电压波形，提高稳态精度；外环为逆变器输出电压有效值环，提高输出电压有效值的精度。整个三闭环控制可以有效地提高单项全桥逆变器电压电流输出质量。

Description

一种光伏储能系统孤岛模式下的全桥逆变器的三闭环控制方法

技术领域

本发明涉及光伏储能领域，尤其设有光伏储能全桥逆变器的控制方法。

背景技术

光伏储能系统中功率变换器包括光伏侧Boost逆变器、电池侧Buck-Boost逆变器以及负载侧全桥逆变器。三个变换器都跨接到公共直流母线上，从而组成一个直流微网。由于逆变器馈输出电压电流质量有严格的要求，逆变器的控制策略显得尤为重要。常用的单闭环反馈控制和双闭环电压电流控制策略的逆变器系统往往动态性能和稳定性能都较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种能够提高单项全桥逆变器电压电流输出质量的控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光伏储能系统孤岛模式下的全桥逆变器的三闭环控制方法，光伏储能系统光伏组件和电池组分别经光伏侧变换器和电池侧变换器接直流母线，本地负载经全桥逆变器接直流母线，公共电网接入到本地负载和全桥逆变器之间；所述全桥逆变器内环为逆变器滤波电感电流环，中间环为逆变器输出瞬时电压环，外环为逆变器输出电压有效值环。

本发明提出三个环路的闭环控制策略：内环为逆变器滤波电感电流环，提高系统的动态性能；中间环为逆变器输出瞬时电压环，改善输出电压波形，提高稳态精度；外环为逆变器输出电压有效值环，提高输出电压有效值的精度。整个三闭环控制可以有效地提高单项全桥逆变器电压电流输出质量。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1光伏储能系统拓扑；

图2为图1中全桥逆变器等效原理图；

图3全桥逆变器工作在孤岛模式下的控制框图；

图4全桥逆变器工作在孤岛模式下的电流环控制框图；

图5全桥逆变器工作在孤岛模式下电流环补偿后开环幅频特性图；

图6全桥逆变器工作在孤岛模式下的瞬时电压环控制框图；

图7全桥逆变器工作在孤岛模式下瞬时电压环补偿后开环幅频特性图；

图8全桥逆变器工作在孤岛模式下的有效值电压环控制框图；

图9简化的有效值电压环控制框图；

图10全桥逆变器工作在孤岛模式下有效值电压环补偿后开环幅频特性图。

具体实施方式

参见图1可知，光伏储能系统光伏组件和电池组分别经光伏侧变换器和电池侧变换器接直流母线，本地负载经全桥逆变器接直流母线，公共电网接入到本地负载和全桥逆变器之间，三个变换器都跨接到公共直流母线上，从而组成一个直流微网。参见图2、3可知，全桥逆变器内环为逆变器滤波电感电流环，中间环为逆变器输出瞬时电压环，外环为逆变器输出电压有效值环。

参见图2可知，逆变器滤波电感电流环控制参数设置如下，全桥逆变器输出端采集电流信号反馈至其输入的电流环PI调节器：

电流环在补偿前的开环传递函数为：

$G_i\left(s\right)=\frac{i_L}{{i_L}^{*}}=K_{\mathrm{PWM}}\·\frac{\mathrm{RCS}+1}{{\mathrm{LCRS}}^2+\mathrm{LS}+R}---\left(1\right)$

其中：K_PWM为调制器输入到逆变器输出的传递函数，此处为1，C为输出LC滤波器的滤波电容，L为输出LC滤波器的滤波电感，R为负载。

电流控制器采用P调节器，考虑将补偿后电流环的穿越频率f_ic设置在开关频率f_s的1/10，即有：

$f_{\mathrm{ic}}=\frac{f_s}{10}---\left(2\right)$

设电流环PI调节器参数为：

C_i(s)＝K_ip(3)

通过以下方程可求解得到电流环控制器参数：

${|K_{\mathrm{ip}}\·\frac{K_{\mathrm{PWM}}(\mathrm{RCS}+1)}{{\mathrm{LCRS}}^2+\mathrm{LS}+R}|}_{s=j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{ic}}}=1---\left(4\right)$

取逆变器输出滤波器参数取L＝2mH，C＝10uF，负载按照满载5kW设计取为R＝9.68Ω。将以上参数代入式(4)可解得电流环PI调节器参数。最终取参数为：

K_ip＝22(5)

图5给出了补偿前后电流环开环传递函数的伯特图。从图中可以看出，补偿后电流环开环传递函数幅频特性曲线以-20dB/dec的斜率穿过零点。系统穿越频率为1.32e+4rad/sec，相角裕度为99.6deg。

参见图6可知，中间环为逆变器输出瞬时电压环设置如下，全桥逆变器输出端采集电压信号反馈至其输入的瞬时电压环PI调节器。

在设计瞬时电压环补偿网络参数时，把电流环闭环传递函数作为被控对象的一部分。其中：电压环闭环传递函数为：

${\mathrm{\Φ}}_i\left(s\right)=\frac{G_i\left(s\right)}{1+G_i\left(s\right)}=\frac{K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}(\mathrm{RCS}+1)}{{\mathrm{LCRS}}^2+(L+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}\mathrm{RS})S+R+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}}---\left(6\right)$

根据图6以及式(6)，可以得到瞬时电压环补偿前的开环传递函数为：

$G_v\left(s\right)=\frac{R\·{\mathrm{\Φ}}_i\left(S\right)}{\mathrm{RCS}+1}=\frac{K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}R}{{\mathrm{LCRS}}^2+(L+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}\mathrm{RC})S+R+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}}---\left(7\right)$

从上式可以看出，被控对象是一个二阶系统，其转折角频率为：

${\mathrm{\ω}}_c=\sqrt{\frac{R+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}}{\mathrm{LCR}}}---\left(8\right)$

设瞬时电压环PI调节器的转折频率fvn在上述震荡环节的转折频率处，将补偿后瞬时电压环的的穿越频率fvc设置在PI调节器转折频率的1/5，即有：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{vn}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{2\mathrm{\π}}\\ f_{\mathrm{vc}}=\frac{f_{\mathrm{vn}}}{5}\end{array}\right.---\left(9\right)$

设瞬时电压环PI调节器参数为：

$C_v\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{vp}}S+K_{\mathrm{vi}}}{S}---\left(10\right)$

通过以下方程组可求解得到瞬时电压环控制器参数：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{K_{\mathrm{vi}}}{K_{\mathrm{vp}}}={\mathrm{\ω}}_c\\ {|\frac{K_{\mathrm{vp}}S+K_{\mathrm{vi}}}{S}\·\frac{K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}R}{{\mathrm{LCRS}}^2+(L+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}\mathrm{RC})S+R+K_{\mathrm{ip}}{k}_{\mathrm{PWM}}}|}_{S=J2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{vc}}}\end{array}=1\right.---\left(11\right)$

将相关参数代入上式，即可求得瞬时电压环PI调节器参数，最终取参数为：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{vp}}=0.025\\ K_{\mathrm{vi}}=325\end{array}\right.$

图7给出了补偿前后瞬时电压环开环传递函数的伯特图。从图中可以看出，补偿后瞬时电压环开环传递函数幅频特性曲线以-20dB/dec的斜率穿过零点。系统穿越频率为2.19e+3rad/sec，相角裕度为83.2deg，可以获得较好的动态特性和稳态特性。

参见图8可知，外环为逆变器输出电压有效值环参数设置如下，全桥逆变器输出端采集电压信号反馈至其输入的效值电压环PI调节器。

有效值电压控制框图，补偿后有效电压环的开环传递函数为：

$G_v\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{vp}}S+K_{\mathrm{vi}}}{S}\·\frac{K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}R}{{\mathrm{LCRS}}^2+(L+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}\mathrm{RC})S+R+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}}---\left(13\right)$

故补偿后有效电压环的闭环传递函数为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_v\left(s\right)=\frac{G_v\left(s\right)}{1+G_v\left(s\right)}\\ =\frac{(K_{\mathrm{vp}}S+K_{\mathrm{vi}})K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}R}{{\mathrm{LCRS}}^3+(L+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}\mathrm{RC})S^2+(R+K_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}+K_{\mathrm{vp}}{K}_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}R)S+K_{\mathrm{vi}}{K}_{\mathrm{ip}}{K}_{\mathrm{PWM}}R}\end{array}---\left(14\right)$

在设计有效值电压环补偿网络参数时，将瞬时电压环作为被控对象，控制框图如图8所示。给定是输出电压的有效值参考值，反馈是输出电压的实际有效值，这两个都是直流量。从控制的角度上来说，被控对象的输入是50Hz正弦波的幅值，输出也是50Hz正弦波的幅值，实际上被控对象的传递函数就是瞬时电压环闭环传递函数幅频特性曲线上50Hz频率对应的增益。所以可以将图8简化为图9。其中：

K_W＝|Φ_v(s)|_s＝j2π·50(15)

将有效值电压环PI调节器的转折频率f_wn设置在瞬时电压环穿越频率f_vc的1/5，将补偿后有效值电压环的穿越频率f_wc设置在转折频率f_wn的1/5，即有：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{wn}}=\frac{f_{\mathrm{vc}}}{5}\\ f_{\mathrm{wc}}=\frac{f_{\mathrm{wn}}}{5}\end{array}\right.---\left(16\right)$

设有效值电压环PI调节器参数为：

$C_w\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{wp}}S+K_{\mathrm{wi}}}{S}---\left(17\right)$

通过以下方程组可求解得到有效值电压环控制器参数：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{K_{\mathrm{wi}}}{K_{\mathrm{wp}}}=2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{wn}}\\ {\left|\frac{(K_{\mathrm{wp}}S+K_{\mathrm{wi}})K_W}{S}\right|}_{s=j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{wc}}}=1\end{array}\right.---\left(18\right)$

将相关参数代入上式，即可求得有效值电压环PI调节器参数。最终取参数为：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{wp}}=0.16\\ K_{\mathrm{wi}}=70\end{array}\right.---\left(19\right)$

图10给出了补偿后有效值电压环开环传递函数的伯特图。从图中可以看出，补偿后有效值电压环开环传递函数幅频特性曲线以-20dB/dec的斜率穿过零点。系统穿越频率为71rad/sec，相角裕度为99.2deg。

Claims (1)

1.一种光伏储能系统孤岛模式下的全桥逆变器的三闭环控制方法，其特征在于：光伏储能系统光伏组件和电池组分别经光伏侧变换器和电池侧变换器接直流母线，本地负载经全桥逆变器接直流母线，公共电网接入到本地负载和全桥逆变器之间；所述全桥逆变器采用三环控制方法，内环为逆变器滤波电感电流环，中间环为逆变器输出瞬时电压环，外环为逆变器输出电压有效值环；

所述全桥逆变器输出端采集电流信号反馈至其输入的电流环P调节器；

所述电流环在补偿前的开环传递函数为：

$G_i\left(s\right)=\frac{i_L}{{i_L}^{*}}=K_{PWM}\·\frac{RCS+1}{{\mathrm{LCRS}}^2+LS+R}$

其中：K_PWM为调制器输入到逆变器输出的传递函数，C为输出LC滤波器的滤波电容，L为输出LC滤波器的滤波电感，R为负载；

将补偿后电流环的穿越频率fic设置在开关频率fs的1/10，即有：

$f_{ic}=\frac{f_s}{10}$

设电流环PI调节器参数为：

C_i(s)＝K_ip

则电流环控制器参数：

$|K_{ip}\·\frac{K_{PWM}(RCS+1)}{{\mathrm{LCRS}}^2+LS+R}{|}_{s=j2{\mathrm{\πf}}_{ic}}=1;$

所述全桥逆变器输出端采集电压信号反馈至其输入的瞬时电压环PI调节器；

所述瞬时电压环将电流环闭环传递函数作为被控对象的一部分，其中：电压环闭环传递函数为：

${\mathrm{\Φ}}_i\left(s\right)=\frac{G_i\left(s\right)}{1+G_i\left(s\right)}=\frac{K_{ip}{K}_{PWM}(RCS+1)}{{\mathrm{LCRS}}^2+(L+K_{ip}{K}_{PWM}RC)S+R+K_{ip}{K}_{PWM}}$

则瞬时电压环补偿前的开环传递函数为：

$G_v\left(s\right)=\frac{R\·{\mathrm{\Φ}}_i\left(S\right)}{RCS+1}=\frac{K_{ip}{K}_{PWM}R}{{\mathrm{LCRS}}^2+(L+K_{ip}{K}_{PWM}RC)S+R+K_{ip}{K}_{PWM}}$

则其转折角频率为：

${\mathrm{\ω}}_c=\sqrt{\frac{R+K_{ip}{K}_{PWM}}{LCR}}$

设瞬时电压环PI调节器的转折频率f_vn在震荡环节的转折频率处，将补偿后瞬时电压环的的穿越频率f_vc设置在PI调节器转折频率的1/5，即有：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{vn}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{2\mathrm{\π}}\\ f_{vc}=\frac{f_{vn}}{5}\end{array}\right.$

设瞬时电压环PI调节器参数为：

$C_v\left(s\right)=\frac{K_{vp}S+K_{vi}}{S}$

则瞬时电压环PI调节器参数：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{vp}=0.025\\ K_{vi}=325\end{array}\right..$