CN104104255B - 光伏逆变器电感的补偿控制方法 - Google Patents

光伏逆变器电感的补偿控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于光伏逆变器电感的补偿控制方法，通过硬件非线性电感与电流的变化，对其传递函进行相应调整，从而实现非线性特性电感补偿控制，采用当前非线性电感，降低了电感成本、压缩了体积、降低了系统噪音与功耗，提高光伏逆变器并网稳定性与可靠性，提高了系统发电效率。本发明解决了非线性特性电感在逆变器控制策略中的难点，技术方案可以应用到风电逆变器、UPS等电力电子拓扑电路中。

Description

光伏逆变器电感的补偿控制方法
技术领域
本发明涉及一种光伏逆变器的控制方法，具体地涉及一种光伏逆变器电感的补偿控制方法。
背景技术
人类正面临着能源和环境两大问题，发展可再生的、清洁无污染的替代能源成为当务之急。太阳能由于其本身的优点越来越受到人们的关注，成为世界各国研究的热点。
太阳能的优势在于：能量巨大，有很大的利用空间；环境不产生污染，是一种清洁能源；取用不竭，目前太阳还有40亿到50亿年的寿命，对于人类来说，不必顾虑太阳能源的枯竭；普遍存在且无需采掘和运输。
目前，太阳能发电系统的总体发电效率主要与太阳电池效率、逆变器效率和功率控制方式有关，在当前逆变拓扑电路中，主要分为DC/DC侧与DC/AC侧：
在DC/DC侧,采用Boost电路的光伏逆变器，其功率从1.5KW～30KW不等，一般覆盖了住宅用和商用中功率光伏逆变器的各个等级，该电感的效率的高低，直接决定了逆变器的整机的性能。这样的电感设计需要尽可能小地减小铁损和铜损。为了实现这一目标简单的方法就是使用非晶类磁性材料，在保持一定的电感量的情况下尽量降低铜线的内阻，其结果是因用铜量的增加，导致了昂贵的成本。
鉴于Boost升压电感的工作频率为16KHz～20KHz的特点，电感线圈中的损耗除了直流内阻损耗外，交流高频损耗占有很大的比例。
铁损则主要由磁性材质的特性所决定，为了减少铁损，须优化选取高频损耗特性好的材料(磁性材料的损耗优劣关系：铁氧体<非晶<铁硅铝<铁硅<纯铁粉芯)。
铜损包含下列四个方面：
(1)有效值电流流经直流内阻的低频直流损耗；
(2)高频交流分量引起的导线集肤效应产生的高频交流损耗；
(3)绕组层间由于高频电流集肤效应作用引起的接近效果高频损耗；
(4)气隙漏磁经过导体形成的涡流损耗。
铁非晶材料以其极高的抗饱和特性(Bs>1.5T)且高频损耗优于铁硅铝的特点，本应是最好的选择，但非晶磁致伸缩系数非常大，常常伴随较大的噪音；同时，虽然非晶采用厚度为20多μm的带材加工而成，带材的涡流损耗非常小，而作为电感磁材料使用时，由于需要开气隙而不得不切开端面，造成了端面层间的短路。当出现较高的ΔB变化(电感大纹波)时，磁芯被切开的端面会出现大的涡流损耗，造成其实际结果是在相同ΔB变化下，损耗磁芯损耗反而远远高于铁硅铝材料(由此可见，作为升压电感的磁性材料，非晶不一定是最好的选择)。
众所周知，开关电源高频化最重要的目的就是通过工作频率的高频化，使得电路中的储能和换能被动元件尽可能地被减小，以到达高效率、低成本、小体积、快响应等的目的。所以，在保证性能和不增加额外成本的情况下，最大限度地采用小电感量，是光伏逆变器对Boost电感设计的基本要求和技术发展趋势。
然而，在不改变频率的情况下，减小电感量，虽然可以大幅降低成本，但此时的纹波电流也随之加大，磁性材料内部的ΔB的增加，除了明显增加了非晶的磁芯损耗外，非晶气隙中的漏磁的成分的大幅增加，还直接导致周边铜绕线的涡流效应(感应加热原理)。因此，在使用非晶的设计时，为回避这一问题，不得不靠尽量提高电感量，减小电流纹波来减轻这一负担，其结果，为提高效率不得不增大电感同时使用大量铜材，这是非晶不利于小电感量应用的根本原因。
为应对这一问题，一个好的方法就是采用铁氧体+铁硅铝(或高性能铁硅NPF材料)等方法，通过混合磁路(Hybrid Magnetics)，根据光伏逆变器的Boost电流的工作特点，可以做到既降低了电感量(小体积、低成本要求)，又显著改善电感的损耗的目的。
面向欧美的光伏逆变器，必须最大限度地改善欧洲效率ηEURO和加州能源效率ηCEC，欧洲效率和CEC综合效率均为电源在不同负荷情况下的综合效率，它们的换算方法如下：
欧洲效率：
ηEURO＝0.03×η5％+0.06×η10％+0.13×η20％+0.1×η30％+0.48×η50％+0.2×η100％
加州能源效率：
ηCEC＝0.04×η10％+0.05×η20％+0.12×η30％+0.21×η50％+0.53×η75％+0.05×η100％
从换算式中可看出，要显著提高其综合效率，就须最大限度地控制好较轻负荷时的功率损耗。利用混合磁路中不同磁材的特性，通过对其磁路长度、磁阻及绕线匝数等影响电感特性的诸要素进行优化调节，使之符合L-I直流电感偏置特性，从而可实现欧效改善与低成本设计的兼顾。
展示出了这种Hybrid Magnetics新型电感的L-I特性，其突出的特点就是在额定负载时，通过降低额定电感量，人为加大电路中的电流纹波(利用光伏逆变器输入端的大容量电容“过剩”的高频大纹波能力资源)，来完成低内阻且少用铜的设计。另外，当负载逐渐减轻时，电感量会随之大幅提升，使得此时的磁芯内部的ΔB明显下降。这样，一方面减少了铁损，另一方面局部部位的微小气隙处的漏磁也会大幅减轻，使涡流影响极小。另外，随着电感量的迅速提升，电感中的高频电流纹波大幅下降，进一步降低了电感电流的有效值和电流的高频分量，从而使得线圈的直流损耗、集肤效应、接近效应等明显改善。实践证明，这样的设计可以使逆变器的整机效率，从极轻负载开始就处于高效，直至满载，个别情况下，较轻负荷的效率还可能在很宽的一个范围内高于满载效率。负载下降时，电感的纹波电流也明显下降。
Hybrid Magnetics技术的一个基本手法，就是在绕组内部使用有利于产生电感量和直流偏置特性的高性能铁硅或铁硅铝材料，而在绕组之外，则尽量使用20KHz频率下磁芯损耗几乎可以忽略不计的高性能铁氧体材料，来尽可能地缩短非绕线部的磁路长度和减小磁阻，同时避免因空气气隙处的漏磁而产生的导线的涡流损耗。通过这一手法，可以在比原来非晶型电感量小30～50％的条件下，使得一台5KW的光伏逆变器整机效率提高0.5～0.7％以上(即满功率时减少30W左右的电感发热)。
对于功率大的光伏逆变器，因其常常采用双Boost的结构，为此若进一步引入2合一式的磁集成(Integrated Magnetics)技术，还可以进一步提高效率，降低成本。
磁集成电抗器是由两个独立的电感线圈，分别绕制在磁芯的两个臂上，再通过其中公用的中间磁路形成磁集成的工作原理。两线圈中流过图示方向的电流时，两线圈所产生的磁束，会在中间公共部分磁芯里进行磁通量抵消，甚至为零。如果在同一时刻流过线圈的电流值相接近时，磁芯公共部分的磁通可互相抵消，即便磁芯的有效截面积小，因其总磁通量很小，此处的磁场强度B也会很低。由于两臂的有效截面和中心柱的有效截面积之比被设计在1：0.9，中心柱磁芯也远不会饱和。
纯铁氧体双Boost磁集成电感在上述条件下，让左边线圈电流最大，使磁芯接近饱和的仿真结果。从图中可以明显看出，即便两边的磁芯接近饱和，中间公共部分磁芯的截面虽小，却仍远离饱和。此时磁芯即便是处于高频工作状态，中间磁芯柱上的ΔB非常小，这部分磁芯的损耗自然也很低。
在DC/AC侧,光伏逆变器的滤波电感的根本作用在于通过电感的储能和续流，通过LC网络，将输入端的正弦波脉宽调制方波进行平滑，使电路的输出端滤波电容器两侧得到标准平滑的正弦电压波形。由于逆变器并网采用电流型控制模式，客观上逆变器必须向电网输出符合高次谐波法规的电流波形。逆变器的载波频率为16KHz～20KHz左右，即便是大型发电站式光伏逆变器的载波频率，也远远高于50Hz的39次谐波(1950Hz)，因此，实质上载波频率的纹波并不会明显影响高次谐波分量。以就是说，即便输出滤波器中的滤波电感量很小，只要控制得当，调节好闭环电流控制参数，并网时电流的高次谐波分量是不会太差的。然而实际情况视乎并不是如此，大多数情况下，在滤波电感量比较小时，往往会发现高次谐波分量也比较高。其主要原因是，当输出滤波器的感量偏低时，特别是当电感量随着电流的增长，出现感量大幅下降时，由于感量不是固定的常数，闭环传递函数也不同；不注意的话小电感值有时还会导致系统采样误差、交流过零判别的不准确。控制系统的闭环参数不匹配时，容易发生系统的振荡，从而出现了较差的高次谐波。此时，电流波形的失真，常常还会伴随出现比较大的音频噪音。
解决这一问题有2种方法：
方法1：尽量提高滤波电感量，并尽量使电感保持一个固定值，使之不随电流大小改变而改变。这种办法的缺点是大幅增大了电感的成本。目前中小功率光伏逆变器中广泛采用的大容量非晶电感以及大型发电站用逆变器中的硅钢片类的电感均为这样的考虑；
方法2：采用高性能低损耗、具有较大斜降特性的新型电感，通过调整闭环控制模型，优化控制参量，使系统适应高频化、小感量的设计。通过提高系统的软件控制水平，来取得更好的产品性价比，以提高产品技术核心竞争力。
对于这种新型高效电感的设计，和Boost电感设计要求一样，要求该电感在大纹波电流工作时，保持极佳的效率。由于其电感量可以设计成比较小的感值，即使要求直流内阻较低，用铜量也能得到大幅的控制。对于磁性材料中的ΔB磁场变化率大的问题，同样地采用Hybrid Magnetics技术，可以控制磁性的损耗、减少漏磁的存在，达到很少的用铜量也能保持很低的内阻的目的。
鉴于单相、3相交流线路上分别需要2个和3个相同感量的滤波电感，为了进一步减小体积，提高磁性材料的利用率，还可以采用单相耦合式和3相耦合式电感设计的方案。
此外，对于大功率应用，无论是Boost电感还是滤波电感，因其电感量偏小，电流纹波大的特点，绕线的高频集肤效应和层间的接近效应也会比较明显，为此可采用长宽比大的方形扁铜线进行立式绕制，最大限度改善其高频损耗。
就像上述所说，当前很多逆变器产品，尽量提高滤波电感量，并尽量使电感保持一个固定值，使之不随电流大小改变而改变的方法来解决控制系统的闭环参数不匹配时，容易发生系统的振荡，出现了较差的高次谐波，以及电流波形的失真，常常还会伴随出现比较大的音频噪音，其缺点是大幅增大了电感的成本，由于非晶特性，将带来噪音与功率损耗等问题，同时增加系统体积，与当前高效、最优设计不符合。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种光伏逆变器电感的补偿控制方法：通过分别测量系统的DC/DC侧及DC/AC侧电感随并网电流变化值，进行拟合，获得拟合模型函数，建立电感随并网电流变化曲线，根据实际的电流与通过拟合曲线获得当前的电感的感值，调节逆变器相应控制传递函数关系，进而通过逆变控制调整输出量，从而实现非线性特性电感补偿。
为实现上述目的，本发明采样如下技术方案：
一种光伏逆变器电感的补偿控制方法，其方法包括如下步骤：
步骤1：分别通过测量系统的DC/DC侧及DC/AC侧电感随并网电流变化值，进行拟合建立电感随并网电流变化曲线，并将该模型存储于DSP中；
步骤2：DSP根据获得的DC/DC侧的电流，通过所述拟合模型获得电感的感值；来调整DC/DC侧系统传递函数；
步骤3：DSP根据获得的DC/AC侧的电流，通过所述拟合模型获得电感的感值，来调整DC/AC侧系统传递函数。
优选的，在上述步骤2后，
还设有步骤2-1，
根据调整后系统DC/DC侧闭环传递函数，调整系统相应控制逻辑。
优选的，在上述步骤3后，
还设有步骤3-1，
根据调整后系统DC/AC侧闭环传递函数，调整系统相应控制逻辑；
优选的，根据步骤1中测量的电流范围，设定最大电流值。
优选的，上述步骤2中还包含：通过根据DC/DC侧传递函数修改指令，调整DC/DC侧的相应参数来调整系统DC/DC侧闭环传递函数；
上述步骤3中还包含：通过根据DC/AC侧传递函数修改指令，调整DC/AC侧的相应参数来调整系统DC/AC侧闭环传递函数。
优选的，本发明的一个实施例还提供一种搭载上述的任一种方法的光伏逆变器。
有益效果：
本发明基于光伏逆变器电感的补偿控制方法，通过硬件非线性电感与电流的变化，对其传递函进行相应调整，从而实现非线性特性电感补偿控制，采用当前非线性电感，降低了电感成本、压缩了体积、降低了系统噪音与功耗，提高光伏逆变器并网稳定性与可靠性，提高了系统发电效率。本发明解决了非线性特性电感在逆变器控制策略中的难点，技术方案可以应用到风电逆变器、UPS等电力电子拓扑电路中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将实施例的所包含技术描述中需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图都在本发明的保护范围之内。
图1为光伏发电系统的结构系统示意图，
图2为DC/DC侧电感随电流变化曲线图，
图3为DC/AC侧电感随电流变化曲线图，
图4为未采用本发明控制策略并网电流波形，
图5为采用本发明控制策略并网电流波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清查、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，为光伏发电系统的机构系统示意图，该系统包含，光伏电池模块1，主要由DC/DC2及DC/AC3组成的逆变模块，控制器5，以及电网4。光伏电池模块1产生的直流电经过逆变模块逆变后生成符合要求的交流电并入电网4，控制器5包含有DSP(图未示)通过采集到的DC/AC3侧的信息(DC/AC侧电感随并网电流变化实时曲线)情况来控制逆变模块。
本技术方案中的控制单元由数字信号处理器(Digital Signal Processor简称DSP)组成。
如图2，3所示，图2为DC/DC侧电感随电流变化曲线图，图3为DC/AC侧电感随电流变化曲线图：图2、3中横轴表示电流，纵轴表示非线性电感的感值，该图表示非线性电感的感值随电流变化情况。
如图4所示，在图4中，两条曲线表示为逆变器并网输出电流，由图可以看出，出现了较差的高次谐波。此时，电流波形的失真，常常还会伴随出现比较大的音频噪音。
如图5所示，在图5中，两条曲线表示同相位的电压电流信号，在采用本方案的控制策略后，并网电流波形无振荡，实现非线性特性电感补偿控制。
本发明的基本原理是：
通过测量系统DC/DC侧及DC/AC侧电感随并网电流变化值，进行拟合，建立电感随并网电流变化曲线，将该数据存储于DSP中，
在实际运行过程中，根据实际电流或者指令电流通过拟合模型方式获取当前电感的感值，
DC/DC侧实际电流由通过安装在光伏电池模块1与DC/DC2之间的电流传感器测量给出，
DC/AC侧实际电流由通过安装在DC/AC3与电网4之间的并网接线电的电流传感器测量给出。
而由本方案可知，电感L值减小，电流环极点逐渐往零方向移动，这可使电流环的动态响应速度变快，
由本发明可知，电感L值的减小，将使维持电流环稳定的Kpi(DC/DC、DC/AC环路中电流内环控制参数)选择范围减小。
故电感L值的这种非线性特性对系统的影响是：若控制参数Kpi选择不合理，将出现电流环在小电流下稳定.而在大电流峰值处不稳定的现象。或者，Kpi为了满足大电流下的稳定性，却牺牲了小电流下的动态特性，为更好满足不同电流、不同感值情况下的稳态与动态特性，本方案采用根据实际或者指令电流通过查表方式来确定当前非线性感值量，根据感值量调节系统控制参数，当电流较大，感值较小，系统控制快速性加强，采用降低Kpi参数来实现系统快速性、系统稳定性在不同调节下处于相对一致性，从而实现非线性感值补偿控制。
为实现本方案的技术效果，本方案包含如下步骤：
步骤1：通过测量系统DC/DC侧及DC/AC侧电感随并网电流变化值，获得拟合函数模型，建立电感随并网电流变化曲线，将该数据存储于DSP中；
步骤2：DSP根据DC/DC侧电流通过拟合模型获取当前感值；
步骤3：DSP根据DC/AC侧电流通过拟合模型取当前感值；
步骤4：DSP根据DC/DC侧电感的感值调整DC/DC侧系统传递函数；
步骤5：DSP根据DC/AC侧电感的感值调整DC/DC侧系统传递函数；
实现控制。
上述步骤4，步骤5中调整传递函数具体的是通过调整其参数来实现。
条件说明：
在实施时，电网母线侧输出电压为交流，采样单元使用电压传感器检测出电网母线侧的电压。由于控制单元使用的是DSP芯片，其片上自带的A/D转换器是单极性的，只能接收0～3V的电压信号，因此采集电压需要进行转换，这样才能和控制单元的DSP相连接。在DSP中实现光伏逆变器的逆变器非线性特性电感补偿控制方法，同与光伏逆变算法相结合来控制逆变器输出，实现光伏逆变器的非线性特性电感补偿控制。
传递函数的调整策略
输出信号的拉氏变换Y(s)与输入信号的拉氏变换U(s)比为:
传递函数的多项式形式：
对传递很是的多样式整理为传递函数的零极点形式：
通过分析，电感的改变将影响系统的零极点形式，为方便说明，假定影响系统zk与zl其中K与l为系统任何可能，同时本方案对参数不局限于系统的一个零点或者极点。
由本技术方案可以知道，
Zk∝L,Pl∝L
电流环稳定条件是|z|＜1，则Kpi应符合：
0＜Kpi＜2L/T
其中Zk,PL表示逆变器传递函数，L表示实际电感。
本技术方案中，通过实际电流值，修改传递函数。
技术效果
本方案的基于光伏逆变器电感的补偿控制方法，通过硬件测量非线性电感与电流的变化，对其传递函进行相应调整，从而实现非线性特性电感补偿控制，降低了电感成本、压缩了体积、降低了系统噪音与功耗，提高光伏逆变器并网稳定性与可靠性，提高了系统发电效率。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光伏逆变器电感的补偿控制方法，其特征在于：
所述方法包括如下步骤：
步骤1：分别通过测量系统的DC/DC侧及DC/AC侧电感随并网电流变化值，进行拟合建立电感随并网电流变化曲线，获得拟合模型；
步骤2：DSP根据获得的DC/DC侧的电流，所述DC/DC侧的电流由通过安装在光伏电池模块与DC/DC之间的电流传感器测量得到，通过所述拟合模型获得电感的感值；来调整DC/DC侧系统传递函数，所述调整DC/DC侧系统传递函数是通过调整其参数来实现的；根据调整后系统DC/DC侧闭环传递函数，调整系统相应控制逻辑；
步骤3：DSP根据获得的DC/AC侧的电流，所述DC/AC侧的电流由通过安装在DC/AC与电网之间的并网接线点的电流传感器测量得到，通过所述拟合模型获得电感的感值，来调整DC/AC侧系统传递函数，所述调整DC/AC侧系统传递函数是通过调整其参数来实现的，根据调整后系统DC/AC侧闭环传递函数，调整系统相应控制逻辑；
所述调整系统相应控制逻辑包括：根据电感的感值调节系统控制参数，当电流较大，感值较小，则采用降低Kpi参数来实现系统快速性、系统稳定性在不同调节下处于相对一致性，从而实现非线性感值补偿控制，所述Kpi为DC/DC、DC/AC环路中电流内环控制参数，电流环稳定条件是|Z|＜1，则Kpi应符合：0＜Kpi＜2L/T，其中Z表示逆变器传递函数，L表示实际电感。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
根据所述步骤1中的电流范围，设定最大电流值。
3.一种搭载如权利要求1或2所述方法的光伏逆变器。
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