CN104201721A - 一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法，其采用模糊准PR和重复控制的复合控制方式来实现并网电流控制；通过引入重复控制能显著减小稳态误差；通过设计谐振频率处增益很高的准PR控制器，使得系统动态性能优良，对幅值能够实时跟踪；通过精心调节准PR控制器带宽与谐振的增益提高了频率控制的适应性；通过引入模糊控制方法使所设计的复合控制系统具有非线性控制能力，适用于光伏并网逆变器这种典型的非线性系统。

Description

一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电逆变器控制领域，具体涉及一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法。

背景技术

光伏发电是将太阳能电池板发出的直流电经过逆变器变为交流电后输出到电网的一种发电方式，是解决能源问题的一种有效途径。为保护电网和用电设备，对并网的电能质量要求很高。目前，保证并网的电能质量的主要方式是对并网电流进行控制，即逆变器输出电流不仅需要与电网电压同频、同相，总谐波失真(THD)尽可能低，且要求跟踪的精度高和速度快。然而，由于光伏并网系统是强非线性系统，存在不确定因素，因此在采用线性控制策略时，并网的电能质量不高，这就需要光伏并网控制系统具有非线性和自适应控制能力。而现有的并网电流控制策略中，多多少少地存在一些不足之处；如比例积分(PI)控制方式无法对交流信号无静差跟踪；如重复控制方式受限于其控制原理，动态响应不好；如比例谐振(PR)控制方式对器件参数精度要求高，参数是固定的，导致在电网电压幅值和频率波动剧烈时，控制效果变差；此外，上述现有的以上并网电流控制方式都是线性的，传统的线性控制方式影响了光伏并网同步跟踪效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法，以提高光伏并网电流的跟踪精度和速度，提升电网频率非工频时的控制效果，并具有非线性控制能力。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法，利用重复控制器和模糊准PR控制器构成复合控制，使光伏发电输出与主电网同步；引入重复控制能够显著减小稳态误差，使用准PR控制器，使系统动态性能优良；精心调节准PR控制器带宽与谐振的增益提高了频率控制的适应性；引入模糊控制方法使所设计的复合控制系统具有非线性控制能力，适用于光伏并网逆变器这种典型的非线性系统；对准PR控制器传递函数的谐振系数K_r和带宽系数ω_c进行模糊调节，实现了非线性控制方式的电流跟踪；K_r、ω_c模糊控制规则如下，

K_r的模糊控制规则如下：

ω_c的模糊控制规则如下：

上述单相并网逆变器控制方法，在获取电网角频率时，利用水平交法快速得到频率f₁，并把f₁应用在在离散傅里叶算法中从而计算得到精确的电网电压角频率ω，在离散傅里叶算法中，窗采样频率f_s＝N*f₁，N是一个窗的采样点数。

具体地说，上述基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法，包括如下步骤：

步骤1，采集电网输出的电网电压u_g，以及太阳能电池组电压U_PV和太阳能电池组电流I_PV相乘得到实时功率P_P，并根据下式计算参考电流i_ref，

i_ref＝P_P/u_g   ①

式中：i_ref为参考电流，P_P为实时功率，u_g为电网电压；

步骤2，采集电网的电网电流i_g，并将电网电流i_g与参考电流i_ref相减得到误差电流i_e后，分别送入重复控制器和模糊准PR控制器；

步骤3，采集到的电网电压u_g先利用水平交算法快速得到频率f₁，再对频率f₁利用离散傅里叶算法求得精确的电网电压角频率ω后，送入模糊准PR控制器；

步骤4，重复控制器对输入的误差电流i_e进行重复控制电流跟踪；

步骤5，模糊准PR控制器根据输入的误差电流i_e和电网电压角频率ω，并采用模糊自适应控制方法去对模糊准PR控制器传递函数的比例系数K_p，谐振系数K_r和带宽系数ω_c进行自适应调节，以实现非线性控制电流跟踪；

步骤6，将重复控制器输出的重复控制电流跟踪结果和模糊准PR控制器输出的非线性控制电流跟踪结果相加后得到电流控制信号，并将该电流控制信号送入逆变脉冲宽度调制发生器去控制光伏并网逆变器的开关管的通断。

所述步骤1中，还进一步包括，最大功率点跟踪过程，即采集太阳能电池组输出的太阳能电池组电压U_PV和太阳能电池组电流I_PV送至最大功率点跟踪控制模块，最大功率点跟踪控制模块利用变步长模糊控制算法调节开关管占空比，将控制信号输出到升压脉冲宽度调制发生器去控制光伏并网升压电路的开关管的通断。

所述步骤1中，还进一步包括，让电网的输出的电压u_g经一增益η的电阻后变为ηu_g，并将实时功率P_P乘以增益η得ηP_P，此时，参考电流i_ref＝ηP_P/ηu_g；上述0<η<1。

所述步骤6中，还进一步包括，电网电压前馈校正控制过程，即将电网电压u_g乘以增益K后,与模糊准PR和重复控制复合控制的输出的电流控制信号相加，其结果作为逆变脉冲宽度调制发生器的输入信号。

所述步骤5中，将电网电压角频率ω在送入模糊准PR控制器，并对谐振系数K_r和带宽系数ω_c进行自适应调节之前，需要将电网电压角频率ω转换为电网电压误差角频率Δω，其中

Δω＝ω-2πf_H   ②

式中，ω为电网电压角频率，Δω为电网电压误差角频率，f_H为电网工频。

所述步骤5中，模糊自适应控制方法的模糊控制规则具体如下，

Kp的模糊控制规则如下：

Kr的模糊控制规则如下：

ω_c的模糊控制规则如下：

与现有技术相比，本发明采用模糊准PR和重复控制的复合控制方式来实现并网电流控制；通过引入重复控制能显著减小稳态误差；通过设计谐振频率处增益很高的准PR控制器，使得系统动态性能优良，对幅值能够实时跟踪；通过精心调节准PR控制器带宽与谐振的增益提高了频率控制的适应性；通过引入模糊控制方法使所设计的复合控制系统具有非线性控制能力，适用于光伏并网逆变器这种典型的非线性系统。

附图说明

图1是一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制装置的原理图；

图2是本发明所使用的level-crossing算法图；

图3是图1中模糊准PR和重复控制复合控制器的原理框图；

图4是图3中模糊准PR控制器框图；

图5是K_p、i_g、Δω的隶属度函数曲线；

图6是K_r的隶属度函数曲线；

图7是ω_c的隶属度函数曲线；

图8是K_r不同时，准PR控制器bode图对比图；

图9是ω_c不同时，准PR控制器bode图对比图；

图10a和b分别是传统PI和重复控制方法与本发明模糊准PR和重复控制复合控制方法的并网电流跟踪参考电流的整体图；

图11a和b分别是传统PI和重复控制方法与本发明模糊准PR和重复控制复合控制方法的并网电流跟踪参考电流的放大图；

图12a和b分别是传统PI和重复控制方法与本发明模糊准PR和重复控制复合控制方法的并网电流跟踪参考电流误差图；

图13a和b分别是传统PI和重复控制方法与本发明模糊准PR和重复控制复合控制方法的THD图。

具体实施方式

本发明所应用的一种光伏并网逆变器系统中，如图1所示，太阳能电池组(PV)输出经过BOOST升压电路的升压后作为单相全桥逆变器的直流端电压，逆变器输出的交流电经滤波器和电网(u_g)相连。BOOST升压电路由电感L₁，开关管M₅，二极管D₁，有极性电容C₂组成，完成最大功率点跟踪(MPPT)。逆变器由M₁～M₄四个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组成，负责把直流电转换成交流电。滤波器由电感L₂，电感L₃，电感L_f，电容C_f组成。电流控制由模糊准PR和重复控制器完成，提高跟踪精度和速度，使并网电流(i_g)和电网电压(u_g)同频同相。滤波器部分采用了LLCL形式的滤波器，由逆变器侧电感L₂，网侧电感L₃，谐振电感L_f和滤波器电容C_f组成。并网逆变器需要通过滤波器和电网相连，来阻止电流谐波进入电网，提高电能质量；LLCL型滤波器在传统的LCL滤波器电容支路串联谐振电感来构成串联谐振电路，且串联谐振频率在开关频率处，从而可以对开关频率出的电流谐波进行衰减。

应用于上述光伏并网逆变器系统的一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法，包括如下步骤：

步骤1.PV输出的直流电经BOOST升压电路升至合适电压。本发明为400V，同时完成MPPT控制，采集PV输出电压U_PV和输出电流I_PV，送至MPPT控制模块，利用变步长模糊控制算法进行最大功率点跟踪，输出到PWM发生器来控制开关管M₅通断。

步骤2.本发明参考电流i_ref的获取方式是：从电网采集的电压是ηu_g(0<η<1)，U_PV和I_PV相乘得到实时功率P_P，P_P乘以增益η得ηP_P，由功率P＝电压U*电流I，知I＝P/U，参考电流i_ref＝P_P/u_g。

而通常参考电流获取方式是：直流端电压经过电压外环PI控制器，输出参考电流幅值，使用锁相环PLL来采集电网电压相位，参考电流i_ref等于参考电流幅值乘以电网电压相位。但用PLL采集电网电压相位，会在电网电压不平衡或畸变时锁相不准，而影响并网电流控制效果；并网逆变器系统输出电流为i_g，误差电流i_e＝i_ref-i_g，i_e输入到电流控制器。

步骤3.如图3，模糊准PR和重复控制复合控制器，由重复控制器和模糊准PR控制器复合而成，重复控制器的输入是误差电流i_e，模糊准PR控制器的输入是误差电流i_e和电网角频率ω，最后把两个控制器的输出相加作为模糊准PR和重复控制复合控制器的输出。

本发明电网角频率ω测量方法如下：通过低通滤波器，滤除高频谐波；利用高精度A/D采集电网电压数值，先用水平交(level-crossing)算法快速得到频率f₁，再用离散傅里叶(DFT)算法计算得到精确的电网电压角频率。上述level-crossing算法如图2所示，t时刻采样电压是V(t)，τ是采样间隔，t的前一个采样点电压是V(t-τ)，一个周期采样n次，n*τ＝1/50Hz，t的前n个采样点电压是V(t-nτ)，由比例关系得从而得到频率f₁；之后使用DFT算法计算ω，电网电压模型待测频率为f，f＝f₁+Δf，当信号频率偏离50Hz时，若采样频率仍基于50Hz，会使频率计算不准，故用频率f₁替代工频，则采样频率f_s＝N*f₁，N是一个窗的采样点数，离散后采样电压计算出电压向量的实部 $U_R=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{u}_{\mathrm{gk}}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;k}}{N}\right)$ 和虚部求得电压向量的相位角把相邻窗的相位角做差，得到相角差Δθ，频率差频率f＝f₁+Δf,ω＝2*π*f。

步骤3.1.如图3所示，重复控制器中，F_lp是低通滤波器，用来消减误差信号i_e中的高频噪声；K_rc是重复控制器的增益；Z^-N是周期延迟环节，N为一个基波周期的采样次数，N＝采样频率f_s/基频f₁，采样频率即PWM发生器中载波频率，本发明取10KHz，基频为工频50Hz；Q为稍小于1的常数；Z^-3是相位超前补偿环节。

重复控制器的原理是：在稳定闭环系统内，设置一个可产生与参考输入相同周期的内部模型(内膜)，消除其他周期性干扰，使系统对外部周期性参考信号进行跟踪；Q的取值越接近1控制效果越好，但考虑系统稳定性，Q一般取0.95，当前周期输出量等于前一个周期输出量的95％加上当前周期输入量；重复控制器具有很好的鲁棒性，对消除周期性干扰引起的波形畸变效果很好。

步骤3.2.如图4所示，模糊准PR控制器中，准PR控制器的传递函数为：K_p是比例系数，K_r是谐振系数，ω_c是带宽系数，ω₀是谐振频率。同时为降低谐波干扰，本发明还设计了基于准PR控制器的3、5、7次谐波滤除控制器，传递函数分别为： $K_{p5}+\frac{K_{r5}\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_{c5}\&CenterDot;s}{s^2+5{\mathrm{\&omega;}}_{c5}\&CenterDot;s+{\left(5{\mathrm{\&omega;}}_0\right)}^2},$ $K_7+\frac{K_{r7}\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_{c7}\&CenterDot;s}{s^2+7{\mathrm{\&omega;}}_{c7}\&CenterDot;s+{\left(7{\mathrm{\&omega;}}_0\right)}^2}.$

准PR控制器在谐振频率处增益很大，可以对谐振频率处的交流信号进行无静差跟踪，动态响应优秀；并且对器件参数要求不是十分苛刻。

并网逆变器系统中谐波污染主要是50Hz的奇数倍频率的谐波，特别是3、5、7次谐波，即150Hz，250Hz，350Hz，因为它们的频率固定，带宽很窄，故本发明中为提高谐波滤除效果，将ω_c3、ω_c5、ω_c7的值取得很小。

步骤3.3.电流跟踪误差体现在幅值和相位上，对频率的跟踪体现在相位跟踪上，对于幅值、相位、频率等因素的最终跟踪同步效果，体现在误差电流i_e上。总谐波失真主要是表现波形里多余的谐波成分，是对波形质量的反映；对准PR控制器的系数K_p、K_r、ω_c进行调整，对K_p调整的目的是：提高系统动态响应，K_p越大调节时间越短，但超调量会增大；对K_r和ω_c调整的目的是，提高当电网电压频率非50Hz时的同步跟踪效果，即提高频率控制的适应性。

如图4，模糊控制方式具有非线性特性，不依赖于精确的模型。模糊准PR控制器中，采用模糊控制方法对K_p、K_r、ω_c进行自适应调节；基于Mamdani模糊控制法，把误差和误差的导数分别模糊化为E和EC，经过模糊控制算法输出为模糊量U，最后经过解模糊变为清晰量u，模糊化和解模糊时，语言变量取的模糊值有：NB(负大),NM(负中),NS(负小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)，隶属度函数曲线采用非均匀三角形。

调节K_p：K_p调节模块输入是i_e，K_p的模糊控制规则如表1，K_p、i_e的隶属度函数曲线如图5；动态改变K_p的数值，如果误差较大就适当增大K_p，可以提高追踪速度，如果误差较小就适当减小K_p，可以减小超调。

表1

调节K_r、ω_c：光伏并网逆变器系统正常工作时，电网频率不会一直是50Hz，会有一定波动(±0.5Hz以内)，利用模糊自适应控制方法，一起对K_r和ω_c进行调整。K_r、ω_c调节模块的输入是Δω，Δω＝ω-2πf_H＝ω-100π，f_H为工频，一般为50HZ，Δω的隶属度函数曲线如图5。K_r的模糊控制规则如表2，隶属度函数曲线如图6，ω_c的模糊控制规则如表3，隶属度函数曲线如图7。检测到电网频率ω相对50Hz(100π)变化时，如图8、9所示，若ω_c不变，则基频处信号增益就会变小，故可自适应增大ω_c来拓宽准PR控制器的带宽，以提高基波频率信号增益；若K_r不变，则对非基波频率的信号增益就会变大，这对电流跟踪不利，故可以适当减少K_r来降低非基波频率信号的增益。

表2

表3

步骤4.并网逆变器控制系统还加入了电网电压前馈校正控制方式；电网电压值u_g乘以增益K后,与模糊准PR和重复控制复合控制器的输出相加，其结果作为PWM发生器输入信号。

一般的电流控制方式都是基于反馈控制的，缺点是要等到偏差发生后才能进行校正，而前馈控制方式相比反馈控制要更加迅速；并网逆变系统实质是有源逆变系统，可以将电网电压看作系统的干扰源，抵消电网对逆变器的扰动，使并网逆变器系统近似为无源跟随系统；为实现电网电压的对消，逆变器模型可等效为一个线性比例环节，增益为K_PWM，K_PWM≈直流端电压/网侧电压，增益K＝1/K_PWM，所以前馈信号D＝u_g*K；本发明通过前馈控制进一步提高了追踪速度。

以下是本发明所述的基于模糊准PR和重复控制的复合单相并网逆变器控制方法是具体实施：

光伏并网逆变器开关频率为10KHz，直流母线电压400V，最大输出电流30A，电网电压220V50Hz，重复控制器中，F_lp＝0.25Z¹+0.5+0.25Z^-1,K_rc＝0.8,Q＝0.95,N＝200；模糊准PR控制器中，K_p＝25，K_r＝100，ω_c＝3，ω₀＝2*π*50Hz，K_p3＝K_p5＝K_p7＝30，K_r3＝K_r5＝K_r7＝10，ω_c3＝ω_c5＝ω_c7＝0.1，i_e的量化因子取0.1，K_p的比例因子取10，电网频率在49.5Hz(99π)到50.5Hz(101π)间变化，Δω的量化因子取1/π，K_r的比例因子取10，ω_c的比例因子取1，模糊判决都用重心法；K＝0.55；LLCL型滤波器中，L₂＝4mH，L₃＝2mH，L_f＝50.71mH，C_f＝5uF。

仿真实验中，时间0.3s，参考电流初始幅值15A，相位π/3，初始频率50Hz；0.017s时接入模糊准PR和重复控制复合控制器；0.063s时幅值变为12A；0.097s时幅值变回15A；0.118s时频率变为49.5Hz；0.148s时频率变为50.5Hz；0.168s时频率变为50Hz；0.188s时频率变为50.3Hz；

图10ab～13ab是传统PI和重复控制方法与本发明所述的模糊准PR和重复控制复合控制方法效果对比图，每幅图上面的是传统PI和重复控制方法，下面的是模糊准PR和重复控制复合控制方法；图10a和10b是并网电流跟踪参考电流整体图，应用本发明对参考电流的变化跟踪速度有明显提高；图11a和11b是并网电流跟踪参考电流效果放大图，对0.279s～0.281s的图像进行放大，可以看出稳态时本发明并网电流能过对参考电流实现无稳态误差跟踪；图12a和12b是并网电流跟踪参考电流整体误差图，应用本发明后把稳态误差从约±1A降低到约±0.11A；图13a和13b是两种控制方法THD对比图，应用本发明对总谐波失真改善明显。

基于上述方法而设计的一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制装置，主要由太阳能电池组电流检测模块、太阳能电池组电压检测模块、最大功率点跟踪控制模块、升压脉冲宽度调制发生器、功率计算模块、参考电流计算模块、误差电流计算模块、角频率检测模块、电网电流检测模块、电网电压检测模块、功率增益模块、模糊准PR和重复控制复合控制器、电压前馈校正单元和逆变脉冲宽度调制发生器组成。上述电压前馈校正单元包括电压增益模块和加法器。电网电压检测模块内设有增益电阻。

太阳能电池组电流检测模块串接在太阳能电池组的输出端上，太阳能电池组电压检测模块并接在太阳能电池组的输出端上。电网电流检测模块串接在电网上，电网电压检测模块并接在电网，角频率检测模块与电网相连。

最大功率点跟踪控制模块的输入端同时连接太阳能电池组电流检测模块的输出端和太阳能电池组电压检测模块的输出端。最大功率点跟踪控制模块的输出端经升压脉冲宽度调制发生器与光伏并网升压电路的开关管相连。

太阳能电池组电流检测模块的输出端和太阳能电池组电压检测模块的输出端连接功率计算模块的输入端，功率计算模块的输出端经功率增益模块连接参考电流计算模块的一输入端，电网电流检测模块的输出端直接与参考电流计算模块的另一输入端相连。参考电流计算模块的输出端和电网电流检测模块的输出端均与误差电流计算模块的输入端相连。误差电流计算模块的输出端和角频率检测模块的输出端同时连接模糊准PR和重复控制复合控制器的输入端。

电网电流检测模块的输出端经电压增益模块连接加法器的一输入端，糊准PR和重复控制复合控制器的输出端直接连接加法器的另一输入端，加法器的输出端经逆变脉冲宽度调制发生器连接光伏并网逆变器的开关管。

Claims (2)

1.一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法，其特征在于利用重复控制器和模糊准PR控制器构成复合控制，使光伏发电输出与主电网同步；引入重复控制能够显著减小稳态误差，使用准PR控制器，使系统动态性能优良；精心调节准PR控制器带宽与谐振的增益提高了频率控制的适应性；引入模糊控制方法使所设计的复合控制系统具有非线性控制能力，适用于光伏并网逆变器这种典型的非线性系统；对准PR控制器传递函数的谐振系数K_r和带宽系数ω_c进行模糊调节，实现了非线性控制方式的电流跟踪；K_r、ω_c模糊控制规则如下，

K_r的模糊控制规则如下：

ω_c的模糊控制规则如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于复合控制模式的单相并网逆变器控制方法，其特征在于，获取电网角频率时，利用水平交法快速得到频率f₁，并把f₁应用在在离散傅里叶算法中从而计算得到精确的电网电压角频率ω，在离散傅里叶算法中，窗采样频率f_s＝N*f₁，N是一个窗的采样点数。